高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展

第23卷第7期岩石力学与工程学报23(7)：1198～12022004年4月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringApril，20042002年5月29日收到初稿，2002年7月30日收到修改稿。*教育部重点项目(01089)资助课题。作者童立元简介：男，1975年生，博士，1997年毕业于中国地质大学(武汉)岩石矿物学专业，现任讲师，主要从事岩土工程及道路工程等方面的教学与科研工作。E-mail：[e-mail]。高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展童立元刘松玉邱钰方磊(东南大学交通学院南京210096)摘要综述了国内外高速公路下伏采空区问题的研究现状，重点介绍了4个方面的问题：采空区探测、稳定性评价、治理及质量监控等技术，并提出了进一步研究的方向。关键词采矿工程，采空区，探测，稳定性，治理，质量监控分类号U412.36+6文献标识码A文章编号1000-6915(2004)07-1198-05CURRENTRESEARCHSTATEOFPROBLEMSASSOCIATEDWITHMINED-OUTREGIONSUNDEREXPRESSWAYANDFUTUREDEVELOPMENTTongLiyuan，LiuSongyu，QiuYu，FangLei(TransportationCollege，SoutheastUniversity，Nanjing210096China)AbstractThecurrentresearchstateofproblemsassociatedwithmined-outregionsisreviewedsystematically，includingtheexplorationtechnology，predictionofstability，treatmentandinspectingtechniques.Someimportantpointsneededtoresearchedinfuturearealsopointedout.Keywordsminingengineering，mined-outregion，exploration，stability，treating，qualityinspecting1引言采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，按矿产被开采的时间，可分为老采区、现采区和未来采区。矿体被采出后，自顶板岩层向上形成“三带”——垮落带、导水裂隙带和弯曲带。地表沉陷，产生连续或非连续变形，由此带来一系列环境岩土工程问题，如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、耕地减少、农田减产等，给矿区工程建设留下很大隐患。有关采空区问题的研究，国内外主要是在煤炭、冶金、军事和交通等部门进行，如波兰、前苏联、英国和中国等主要产煤国家，从20世纪50年代开始就对“三下”采煤技术进行了详细研究；同时，对采空区地表构筑物保护和防治技术[1～4]也进行了大量试验研究，积累了宝贵的经验。但到目前为止，针对高速公路下伏采空区问题的研究报道甚少，且往往是经验介绍，尚未形成成熟的理论及工程设计体系，无规范、规程可循，国际上也鲜有此类工程报道。国内，目前仅在石家庄—太原、晋—焦、乌鲁木齐—奎屯及京—福高速公路徐州东西绕城段、河北保阜公路等[5～8]，国外，美国在科罗拉多州的某公路上进行了采空区问题的研究[9]。2国内外研究现状目前，采空区问题研究关键技术在于4个方面：地下采空区的探测技术、稳定性评价技术、治理技术及质量监控技术。2.1采空区的探测采空区的探测，目前，国内外主要是以采矿情第23卷第7期童立元等.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展•1199•况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平[9]。其中，高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震CT技术方面也发展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位[10]，应用最广泛的是地震波法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多，特别是日本VIC公司80年代开发研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。欧洲[9]国家工程物探技术也较全面，在采空区的探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量技术等，英、法等国家以地质雷达方法应用较好，微重力法、浅层地震法也有使用。国内近年来在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了大量的工作，发展了多种方法，有些技术甚至超过了国际水平，如瞬态瑞利波法、地质雷达、弹性波CT、超声成像测井等[11～14]。随着我国物探技术测量精度和信息处理速度的提高，工程物探越来越成为探明地下采空区的一项重要的有力勘探手段。2.2采空区稳定性分析评价针对地基开采沉陷及“三下”采煤技术，国内外均进行了大量研究，形成了矿山开采沉陷学等学科，但关于采空区对高速公路路基的危害程度，研究甚少，在矿区高速公路建设中是一个亟待解决的新课题。采空区地表可能产生连续性或非连续性位移变形，对高速公路的危害主要有如下几个方式：采空区的失稳冒落，使地表剧烈变形，产生陷坑、台阶等；路基沉陷，造成路基、路面局部开裂，使承载力下降，使用条件降低，或造成路面低洼积水破坏；倾斜使坡度发生变化，导致行驰车辆重心偏移，在弯道处最易发生事故；水平变形和曲率使路面受拉伸开裂、受压缩隆起，使路面发生波浪起伏及路面与路基间的局部离层。从80年代开始，英国、波兰、德国等国的一些学者相继研究了采空区等地下空洞对公路的危害性问题，如Jones，Sargand，M.C.Wang等，但成果零乱，未有系统的报道。近年，随着高速公路的大量兴建，我国在此方面的研究才开始起步，对石—太、晋—焦、乌—奎、京—福高速公路等的采空区问题进行了一定的研究，但理论基础、研究手段均不完善，只以工程经验积累为主。稳定性分析方法包括预计法、解析法、半预测半解析法及数值模拟方法，评价主要是通过计算地基承载力、剩余地表变形量及残留空洞的稳定性、地表破坏范围等来进行。矿山开采沉陷的预计理论及方法较多[15，16]，主要有：(1)基于实测资料的经验公式法，在我国广为使用的有负指数函数法、典型曲线法等。(2)在波兰推广使用的Budryk-Knothe理论法。(3)在我国广泛使用的概率积分法，以波兰学者李特威尼申(J.Litwiniszyn)提出的随机介质理论为基础，后来得到刘宝琛、廖国华等的发展。这些方法在高速公路下伏采空区的危害性评价中经适当改进后可应用，如文[9]中介绍了一套高速公路受采空区及地下采动影响，地表覆岩沉陷变形破坏的预计评价软件包，包括了Budryk-Knothe理论法和概率积分法，且有计算柱式开采煤柱稳定性、岩梁强度的决策计算系统，并应用其对太—旧高速公路的采空区进行了分析评价。另外，还有一些其他预测方法，如灰色预测方法及稳健统计方法[17]、采空区矢量法[18]、模糊数学方法[19]等，但这些方法尚需在实践中进一步验证。解析法是对采空区进行简化，建立地质模型，再按一定的原则抽象为一个理想的数学物理力学模型，按照数值方法予以求解，如结构力学方法[9，17]，就是计算采空区地下残留硐室和矿柱稳定性的一种常用方法，有单硐室或多硐室弹性地基上梁模型或拱模型等。半预测半解析方法是预测法和解析法的结合，如B.Dzezli教授在Budryk-Knothe理论基础上引入Fourier二维积分变换形成的方法。采空区数值模拟[9，17，20～25]可使用有限单元法、边界单元法、离散单元法及有限差分法等。如SAP2D，是加拿大学者在SAP4的基础上研究出的一种较好的应用于二维情况下开采沉陷计算的有限元程序系统。P.L.Meyer给出了适用于求解岩石力学平面问题的非线性分析程序NCP-1。但目前所见报道，多为采用平面有限元对采空区进行模拟，如文[9]对太—旧高速公路采空区危害性的有限元评价。边界单元法与有限单元法类似，目前，可用于•1200•岩石力学与工程学报2004年沉陷分析的有S.L.Crouch等提出的TWOFS，TWODD，TWODI程序及E.Hoek等完成的二维线弹性程序，而且有应用边界元法进行三维非线性分析、蠕变岩体、裂隙及断层研究的报道。而离散单元法特别适用于节理岩体的分析，模拟采动破碎岩体有明显的优点，在采矿工程中得到了重要的应用，目前，二维离散单元程序已很成熟，三维问题的研究也进展很快。FLAC2D(FastLagragianAnalysisofContinua)和FLAC3D是由美国ITASCA公司开发的显式有限差分程序，特别适用于模拟大变形。其他数值计算方法还有灰箱方法、表面元法等。2.3采空区治理技术文[1，2，4～9，17]提出的构筑物下伏采空区处治方案主要有3类：(1)地面构筑物抗变形结构设计措施，采用柔性设计原则、刚性设计原则或综合措施，以吸收和抵抗变形。(2)采空区地基处理措施，预防和控制地表残余沉陷的发生。此类方法可细分为4种：①全部充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用注浆充填、水力充填和风力充填等，其中，以注浆法应用最广泛、效果最好；②局部支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区空间跨度，防止顶板的垮落，常用的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法等；③注浆加固和强化采空区围岩结构，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂缝，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全；④采取措施释放老采空区的沉降潜力法，在采空区地表未利用前，采取强制措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表安全有较大威胁的地下空洞，在沉陷基本稳定后再开发利用地表土地，常用方法有堆载预压法、高能级强夯法和水诱导沉降法等。(3)对公路，也可采取绕避方案或修筑过渡路段或营运后的维修方案。结合高速公路工程自身特点与要求，如公路工程为线性工程；路堤属于柔性基础承受路面结构；不均匀沉降量容易造成路基、路面结构开裂等，其下伏采空区的治理，理论上可以采取上述各种方法，但基于技术及经济原因，某些方法应用较少或缺少试验，国内目前已处理公路下伏采空区治理情况见表1。表1国内公路下伏采空区治理情况一览表[5～9]Table1Summarizationoftreatingengineeringformined-outregionunderhighway[5～9]采空区规模/m工程名称采深采厚分层情况治理方法材料选择晋—焦高速公路山西段20～1002.0～6.01层，局部2层注浆充填水泥粉煤灰浆液乌—奎高速公路乌市西四道岔段30～500.7～3.01层注浆充填水泥黄土浆液包—西线神木北至延安段20～300.7～1.51层注浆充填水泥黄土砂浆液石—太公路柏井、冶西采空区60～1404～81层洞内干砌或浆砌片石，注浆充填水泥粘土浆液，水泥粉煤灰浆液河北保阜公路25～483.82层注浆充填水泥粉煤灰浆液京—福高速公路徐州东段33～891.0～2.0多层注浆充填水泥粉煤灰浆液从表1知，公路下伏采空区的治理，主要以注浆全充填法为主，注浆材料以水泥粉煤灰为主，也有水泥粘土或水泥黄土浆材，因地而异。也有人提出改变路基路面结构，应用新型路面材料的方法，如在基底层下加铺一层土工织物，沥青中应用BSB技术[26]等，但尚未见工程实例报道。2.4采空区治理质量监控技术高速公路采空区治理工程属于隐蔽工程，其质量监控包括2方面的工作：(1)施工过程的监控，主要是监理工作。(2)施工结束后的质量检测工作。对于注浆充填法来说，施工控制主要采取流量和压力控制法，但由于流量和压力往往随时间而波动，单纯靠总注浆量或终孔压力来控制注浆过程是不科学的。近年来，国内外在注浆的自动控制方面有了很大发