陳文杰

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410015)

0 引言

地下采空區(qū)及溶腔土洞的存在，是高速公路建設(shè)及營運(yùn)階段的重大安全隱患，故必須在設(shè)計(jì)施工期對其足夠的了解并加以處治。對采空區(qū)的研究主要集中在基于室內(nèi)相似試驗(yàn)［1］、可靠度理論［2］、力學(xué)分析［3］、多源信息融合理論［4］、激光三維探測［5］、數(shù)值仿真［6－8］、聲發(fā)射法［8］、空區(qū)探測系統(tǒng)CMS［9］、綜合層次分析法［10］等進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分析及處治技術(shù)研究［11，12］。由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，以上方法大多基于對采空區(qū)模型理想化的基礎(chǔ)上，因此采用一種簡便且探測精度相對較高的方法是必要的。高密度電阻率法是一種新型的剖面電阻率測深方法，與其他物探法相比可以實(shí)現(xiàn)電阻率的快速采集和圖像的的定量解釋，改變了電法的傳統(tǒng)工作模式。它集電剖面和電測深于一體，采用高密度布置測點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測量，是探測軟弱破碎帶、采空區(qū)及溶腔土洞等有效的物探方法，因其使用方便、測試快速、探測精度高等優(yōu)點(diǎn)而在地質(zhì)勘探中大放異彩。

1 工程簡介

湘潭鶴嶺至南谷公路路段地質(zhì)條件主要為震旦系(Za)炭質(zhì)板巖地層，夾碳酸錳礦，呈條帶狀分布，為湘潭錳礦區(qū)。礦區(qū)的主要的不良地質(zhì)問題為采空區(qū)，采空區(qū)為巷道式開采，為民間私采巷道，非正規(guī)開采，巷道大小約為高1.5 m 寬1.2 m，巷道分布路段為A 比較線AK3+787 ～AK3+918。采空巷道分布廣泛，對路基穩(wěn)定性影響較大，為查明路基的地質(zhì)情況、地層結(jié)構(gòu)與不良地質(zhì)體，同時(shí)對有礦渣地段查明礦渣厚度以及掌握各采空區(qū)的位置及穩(wěn)定性狀態(tài)，對沿線采用高密度電法進(jìn)行探測，以期為采空區(qū)路基處治提供理論依據(jù)。采用高密度電阻率法進(jìn)行路基勘探分析，勘查范圍確定為K3+450 ～K4+980段中線及左右20 m 各布設(shè)一條測線，在K4+730和K4+895 處各布設(shè)一條橫測線;比較線在K3+450 ～K4+980 段中線布設(shè)一條測線。物探測線共7 條，每條測線長度為300 m，總計(jì)測線長度2 100 m。

2 高密度電阻率法探測采空區(qū)

2.1 高密度電阻率法探測原理

DUK－2 型直流激電高密度電法儀具有存儲(chǔ)量大、測量準(zhǔn)確快速、操作方便等特點(diǎn)。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示等值線剖面或彩色映像剖面;輸出功率200 V/200 mA;系統(tǒng)采用薄膜鍵盤，8 英寸高亮度彩色液晶顯示，中文菜單易于操作;可存儲(chǔ)大量(1 000 條)剖面數(shù)據(jù)，并可與計(jì)算機(jī)相連傳輸而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，通過巖土介質(zhì)導(dǎo)電性差異性分布規(guī)律而推測地質(zhì)分布情況，其電場滿足偏微分方程:

式中:Δ 為拉普拉斯算子;U 為電勢差，V;I 為電流，A;σ 為電導(dǎo)率，S/m;δ 為沖激函數(shù);(x0，y0，z0)及(x1，y1，z1)分別代表原點(diǎn)及電場點(diǎn)坐標(biāo)。

通過電極A、B 向采空區(qū)路基供電形成穩(wěn)定的直流電流，測取另一對電極C、D 上的電位差，通過公式(2)求出巖土體視電阻率ρs:

式中:K 為裝置系數(shù)。

由于巖土體為復(fù)雜各向異性的不均勻介質(zhì)，其視電阻率與真電阻率不同，其真電阻率ρ0由下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:jCD為電極C、D 介質(zhì)實(shí)際電流密度;j0為均勻介質(zhì)的電流密度。

由于下伏采空區(qū)路基的空腔與圍巖介質(zhì)電性差異顯著，利用高密度電阻率法進(jìn)行探測，通過視電阻率的相對變化而推測介質(zhì)電性變化及采空區(qū)的分布。

2.2 數(shù)據(jù)處理及成像方法

高密度電法資料處理流程為首先將DUK－2 的實(shí)地探測數(shù)據(jù)通過傳輸軟件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)行去噪技術(shù)將壞點(diǎn)剔除，再校正地形及格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，調(diào)入CRT 數(shù)據(jù)處理軟件中，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入RES2DINV 中進(jìn)行反演，并將反演結(jié)果用Surfer 軟件繪成視電阻率等值線圖，依據(jù)等值線圖上的視電阻率值的變化特征結(jié)合鉆探和地質(zhì)調(diào)查資料或物性差異特點(diǎn)作出地質(zhì)解譯，最后利用繪圖軟件Auto-CAD 繪制出物探成果解譯圖并適當(dāng)輔以文字說明。

2.3 采空區(qū)探測圖像解譯

本次外業(yè)采用60 個(gè)多種電極組合的溫納裝置進(jìn)行測量，點(diǎn)距分別為5 m，排列長度為300 m。野外測量數(shù)據(jù)現(xiàn)場傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，作出初步的推斷解釋，對異常點(diǎn)及突變點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)檢查。在工區(qū)內(nèi)K3+453 ～K3+936、K3+453 ～K3+944右20 m、K3+458 ～K3+936 左20 m、K3+465 ～K3+760、K3+713 ～K4+000、K3+730、K3+896 等7處共布設(shè)WT1 ～WT7 線7 條測線，其中WT1 與WT4 線2 條測線高密度電法視電阻率等值位圖如圖1 及圖2 所示。

圖1 WT1 測線高密度電法視電阻率等值線圖

圖2 WT4 測線高密度電法視電阻率等值線圖

從高密度電法視電阻率等值線圖1 中可見，WT1 線在140 ～280 m 段(K3+590 ～K3+730)上部視電阻率較小，結(jié)合鉆孔資料推斷為礦渣;120 ～142 m 段(K3+572 ～K3+588)和223 ～237 m 段(K3+674 ～K3+688)視電阻率橫向變化較大且存在低阻凹陷特征，推斷這2 處為構(gòu)造破碎帶;在視電阻率等值線圖中可以看出，0 ～223 m 段(K3+453 ～K3+674)下部視電阻率較高，結(jié)合鉆孔資料推斷為砂巖;在237 ～485 m 段(K3+688 ～K3+936)下部視電阻率相對較低，結(jié)合鉆孔資料推斷為板巖;在337 ～385 m 段(K3+787 ～K3+837)頂板埋深約21.0 m 和402 ～421 m 段(K3+853 ～K3+871)頂板埋深約11.0 m 視電阻率相對較低且呈封閉特征，推斷這2 處存在采空區(qū)或其它不良地質(zhì)體。由圖2可知:WT4 線上部視電阻率小于50 Ω·m(對應(yīng)的對數(shù)值為1.7)推斷為粘土層;從視電阻率剖面分析，在190 ～200 m 段(K3+650 ～K3+660)視電阻率橫向變化較大，且呈低阻凹陷特征，分析推斷此處存在構(gòu)造破碎帶;在視電阻率剖面底部0 ～190 m 段(K3+465 ～K3+650)視電阻率在50 ～1 000 Ω·m，結(jié)合鉆孔資料分析為砂巖;在剖面底部200 ～285 m 段(K3+660 ～K3+760)視電阻率在50 ～100 Ω·m，結(jié)合鉆孔資料分析為板巖。在WT4 線所經(jīng)過地段未發(fā)現(xiàn)明顯的采空區(qū)異常。

3 采空區(qū)路基穩(wěn)定性分析

對采空區(qū)路基采用高密度電阻率法進(jìn)行探測，猶需對其穩(wěn)定性做出合理判斷，以此為采空區(qū)路基處治提供技術(shù)指導(dǎo)。由于非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則能反映巖體低應(yīng)力受力狀況及非線性受力特性，且引入GSI系統(tǒng)后能穩(wěn)健地獲取巖體力學(xué)參數(shù)，隨著GSI 值的量化方法的不斷完善，廣義Hoek－Brown 準(zhǔn)則廣泛應(yīng)用于巖體地基承載力、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、隧道彈塑性分析等領(lǐng)域。本文基于高密度電阻率法探測圖像及GSI 系統(tǒng)，獲取采空區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.1 非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則

E.Hoek 等人對Hoek－Brown 準(zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn)，引入地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI，提出廣義Hoek－Brown 巖體經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則，其表達(dá)式為:

式中:mb，s 與a 為表征巖體特性的半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，由下式?jīng)Q定:

其中:GSI 為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo);D 為擾動(dòng)系數(shù);mi為巖石常數(shù);σci為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

3.2 采空區(qū)路基穩(wěn)定性數(shù)值仿真計(jì)算

由于采空區(qū)大多為人行巷道，以巷道1 為例進(jìn)行數(shù)值仿真分析，巷道約為高1.5 m、寬1.2 m。根據(jù)高密度電阻率法探測數(shù)據(jù)結(jié)合鉆孔資料，可取采空區(qū)圍巖GSI 值為45，mi值為9，擾動(dòng)系數(shù)D 取為0.6，σci經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試為25 MPa。建立巷道采空區(qū)圍巖分析計(jì)算模型如圖3 所示，在不考慮車輛荷載情況下圍巖的塑性區(qū)及豎向位移場如圖4、圖5。

圖3 下伏巷道路基穩(wěn)定性計(jì)算模型

圖4 下伏巷道路基圍巖塑性區(qū)

圖5 下伏巷道路基圍巖豎向位移場

由圖4 及圖5 可知，在開挖后巷道圍巖塑性區(qū)呈兩幫及頂部拉剪破壞，頂部圍巖下沉量達(dá)6.36 cm，對路基的穩(wěn)定性影響較大，需設(shè)置錨桿注漿對巷道圍巖進(jìn)行加固，以保證路基安定性。經(jīng)錨桿優(yōu)化計(jì)算，選取20MnSi 螺紋鋼錨桿，錨桿長2.2 m，錨桿排距0.6 m×0.6 m，鋼筋網(wǎng)度200 mm×200 mm，混凝土噴層厚度80 mm 進(jìn)行噴錨加固。

4 結(jié)論

地質(zhì)勘察具有較大的模糊不確定性，采用高密度電阻率法具有使用便捷、勘測結(jié)果數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛，因此在工程實(shí)踐中，采用高密度電阻率法進(jìn)行隱伏采空區(qū)路基探測，并基于非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對采空區(qū)的處治提供了技術(shù)指導(dǎo)。通過本文研究，可得到如下結(jié)論:

1)本次勘察采用高密度電阻率法，方法正確、適當(dāng)，所取得的成果客觀、準(zhǔn)確地反映了公路地段的工程地質(zhì)條件，對湘潭鶴嶺至南谷公路的建設(shè)提供了必要的技術(shù)支持。

2)通過勘察圖像處理及解譯可知第2、3、4、5號(hào)巷道埋深大于18.0 m，頂板厚度大，頂板為強(qiáng)－中風(fēng)化炭質(zhì)板巖，穩(wěn)定性好，對路基影響較小，第1、6、7 號(hào)巷道埋深5 ～11 m，埋深較淺，巷道頂板主要為第四系覆蓋層填土、碎石土和強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖，穩(wěn)定性較差，巷道對路基存在一定的安全隱患，經(jīng)數(shù)值分析知其穩(wěn)定性儲(chǔ)能不夠，建議錨噴加固。

3)由于物探存在多解性，以及場地存在陡坎、房屋等，使得物探工作條件受到較大限制，因此物探解釋結(jié)果受到了一定影響。建議多種勘測方法綜合使用，并在公路工程項(xiàng)目實(shí)施中加強(qiáng)監(jiān)測，及時(shí)反饋監(jiān)測分析數(shù)據(jù)，做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工。

［1］粟雙全，涂治軍.高速公路采空區(qū)路段路基穩(wěn)定分析［J］.湖南交通科技，2014，40(2):40－42.

［2］王雪艷.基于可靠度理論的采空區(qū)穩(wěn)定性研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2013.

［3］周智濤，繆 偉，洪 剛.湖南某高速公路壓覆煤礦采空區(qū)路基的穩(wěn)定性分析［J］.公路工程，2013，39(1):63－67.

［4］張行成.基于多源信息融合理論的采空區(qū)穩(wěn)定性分析［D］.長沙:中南大學(xué)，2011.

［5］劉希靈.基于激光三維探測的空區(qū)穩(wěn)定性分析及安全預(yù)警的研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2008.

［6］張耀平，曹 平，袁海平，等.復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(2):233－238.

［7］寇向宇，賈明濤，王李管.基于CMS 及DIMINE－FLAC3D耦合技術(shù)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價(jià)［J］.礦業(yè)工程研究，2010，25(1):31－35.

［8］馬雄忠，王文杰，莫煥東.基于聲發(fā)射的采空區(qū)穩(wěn)定性模糊綜合評價(jià)［J］.化工礦物與加工，2014(4):32－36.

［9］宋衛(wèi)東，付建新，杜建華，等.基于精密探測的金屬礦山采空區(qū)群穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2012，33(12):3781－3787.

［10］鄧紅衛(wèi)，賈 明.基于UAHP 的采空區(qū)穩(wěn)定性模糊綜合評判［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(3):24－29.

［11］劉洪磊，楊天鴻，黃德玉，等.桓仁鉛鋅礦復(fù)雜采空區(qū)處理方案［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，32(6):871－874.

［12］張 雯，郭進(jìn)平，張衛(wèi)斌.大型殘留礦柱回采時(shí)采空區(qū)處理方案研究［J］.金屬礦山，2012(1):10－13.