韓春凱

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院 河南焦作 454003 晉城宏圣建筑工程有限公司 山西省 晉城市 048000）

隨著礦產(chǎn)資源的開采，我國形成了大量的采空區(qū)，在用地日益緊張的今天這些用地將很好地解決建筑用地緊缺的問題，但是采空區(qū)卻不能直接利用，而是需要進(jìn)行建筑地基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，選擇合適的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案與行之有效的地基處理辦法，解決地基不穩(wěn)定的難題。

1 我國采空區(qū)的現(xiàn)狀

1.1 采空區(qū)的成因及現(xiàn)狀

我國雖然一直號(hào)稱幅員遼闊，物產(chǎn)豐盈，但人口基數(shù)大，總?cè)丝跀?shù)占世界人口的1/5，人口眾多也就意味著更大的資源消耗量，為了開采更多的資源以滿足人們的消耗，我國資源儲(chǔ)備的開采率也是很高的，能源礦產(chǎn)的開采，尤其是煤礦資源的開采容易形成大面積的地下空洞，隨著資源的持續(xù)開采，我國形成了大面積的采空區(qū)，采空區(qū)由于存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，基本處于閑置狀態(tài)，利用率極低，但是隨著我國土地資源的緊張，采空區(qū)的利用成了擺在人們面前的一大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

采空區(qū)，顧名思義，就是礦產(chǎn)資源被開采完形成大量地下空洞的地區(qū)。有一些埋藏淺的礦藏被開采完成后地面也就隨之塌陷了，但是有一些埋藏較深的礦藏由于與地面之間存在厚厚的巖石層，所以在開采完后也不會(huì)形成地面塌陷，反而會(huì)隨著長期的自然壓實(shí)及地表沉積物堆積慢慢穩(wěn)定下來，形成相對(duì)穩(wěn)定的采空區(qū)形態(tài)。但是這些相對(duì)穩(wěn)定的采空區(qū)也不是絕對(duì)安全的，經(jīng)歷過人類活動(dòng)的地下空洞雖然有著巖層作支撐，依然存在著開采時(shí)形成的裂縫，安全隱患可能有一個(gè)長長的潛伏期，地面會(huì)在幾年、十幾年甚至是幾十年后突然塌陷下沉。所以未經(jīng)處理的采空區(qū)的安全隱患是一直存在的，不容忽視，要想在采空區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)必須要解決地基的穩(wěn)定性問題。

1.2 采空區(qū)對(duì)地面上建筑的影響

采空區(qū)的地下存在空洞，對(duì)地面建筑的支撐力較弱，地基穩(wěn)定性較差，存在安全隱患，若不經(jīng)處理不適合作為建筑用地。建筑物最重要的就是地基建設(shè)，若地基不穩(wěn)定，建筑也就失去了必要的支撐，必然會(huì)引起建筑物的倒塌，而采空區(qū)最難解決的問題恰恰就是地基的穩(wěn)定性。采空區(qū)的地下經(jīng)歷過人工活動(dòng)，而且隨著資源的開采形成了大量空洞，人類的開采活動(dòng)已經(jīng)改變了開采區(qū)的地理結(jié)構(gòu)，即使地下空洞與地表之間存在巖層，巖層也會(huì)因?yàn)槿祟惢顒?dòng)遭到破壞，因?yàn)榈叵驴斩吹男纬砂l(fā)生彎曲改變，從而對(duì)地表的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。地面塌陷、地面沉陷等現(xiàn)象在采空區(qū)十分常見，而且還會(huì)有一些人類肉眼不能發(fā)現(xiàn)的地表裂縫的存在，穩(wěn)定性較差。

在采空區(qū)地面建設(shè)建筑物，建筑物的自身重量也會(huì)對(duì)地表的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，當(dāng)重量超過地表的承載力時(shí)就會(huì)打破地下空洞上覆巖層相對(duì)應(yīng)力的平衡狀態(tài)，造成已趨于穩(wěn)定的老采空區(qū)的活化，使地下空洞的上覆巖層產(chǎn)生二次移動(dòng)和變形，從而導(dǎo)致地表穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，對(duì)地面建筑物產(chǎn)生安全威脅。

2 老采空區(qū)上方建筑的地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)老采空區(qū)地基穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)考慮的因素

2.1.1 采空區(qū)上覆巖層的巖石類型

覆巖的力學(xué)性質(zhì)對(duì)采空區(qū)地表下沉的影響很大，巖石越堅(jiān)硬，對(duì)地表的支撐力就越大，對(duì)地表建筑物穩(wěn)定性的影響也就越小。研究表明，采空區(qū)上覆巖層的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性質(zhì)對(duì)地表穩(wěn)定性存在較大影響，較軟的巖層容易被壓縮變形，而較硬的巖層產(chǎn)生變形的幾率較小，越容易變形的巖層地表也就越容易塌陷；較軟的巖層長時(shí)間遭受地下水的沖刷浸泡后也比較硬的巖層更容易產(chǎn)生變形，對(duì)地面的穩(wěn)定性造成影響。

2.1.2 采空區(qū)面積

采空區(qū)開采面積的大小也影響著地面的穩(wěn)定性，采空區(qū)越小地表穩(wěn)定性越高，開采范圍越大地面的穩(wěn)定性也就越差，形成地面塌陷的幾率也就越高。

2.1.3 開采的深度和厚度

開采的深度越深，對(duì)地面的影響就越小，這是因?yàn)殡S著深度的增加，延長了對(duì)地面產(chǎn)生影響的時(shí)間，地表的改變慢了下來，造成的地面變化也就較平緩。而開采厚度卻與之相反，開采的厚度越大對(duì)巖石的破壞就越嚴(yán)重，對(duì)地理結(jié)構(gòu)的影響也就越大，對(duì)地表變化的影響也就越大。

2.2 老采空區(qū)上方建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法

采空區(qū)的地表變化存在不可控性，要想確定采空區(qū)上方適不適合修建建筑物必須先對(duì)采空區(qū)上方的地基穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)合格后方可進(jìn)行施工。下面是幾種比較常見的評(píng)價(jià)方法：

2.2.1 附加應(yīng)力法

這是一種定性分析法，以地表建筑物荷載的影響深度與采空區(qū)上覆巖層中的冒落裂隙帶的發(fā)育高度是否重合來分析評(píng)價(jià)地表建筑物的穩(wěn)定性。當(dāng)兩者中間有一定的距離時(shí)，地表建筑物不會(huì)影響裂隙帶的穩(wěn)定性；當(dāng)兩者剛好相遇時(shí)，地表建筑物的荷載就是最大的荷載量，不可以再有所增加；當(dāng)兩者相交時(shí)，建筑物的荷載會(huì)影響巖層的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響建筑物的穩(wěn)定性。

2.2.2 有限元法

有限元法又叫數(shù)值分析法，是一種通過對(duì)采空區(qū)各種數(shù)值進(jìn)行計(jì)算來分析地表穩(wěn)定性的方法。這種方法需要考慮多方面的因素，分階段進(jìn)行計(jì)算，首先計(jì)算采礦之前的原始數(shù)據(jù)，然后計(jì)算礦藏開采后產(chǎn)生的位移和應(yīng)力數(shù)值，最后模擬計(jì)算對(duì)地表施加外力影響后出現(xiàn)的位移及應(yīng)力變化。通過對(duì)數(shù)值進(jìn)行比較分析，預(yù)測(cè)地表的變化發(fā)展，為地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)參考。

3 老采空區(qū)建筑的地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

老采空區(qū)的地表穩(wěn)定性較差，一般來說不適合作為建筑用地，要想提高采空區(qū)的利用率，增加建筑用地面積，需要對(duì)采空區(qū)的地基進(jìn)行處理，以確保地基的穩(wěn)定性及建筑物的安全性。

3.1 采空區(qū)建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系著建筑施工與使用的安全?；A(chǔ)是一切建筑的根本，是建筑物與地基的連接部分，它將整個(gè)建筑物的荷載傳給地基?；A(chǔ)的設(shè)計(jì)選擇與建筑物地基的承載能力息息相關(guān)，為了增加采空區(qū)上方建筑物的穩(wěn)定性必須提前做好建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作，選擇合適的地基處理方法。

合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，必須充分考慮采空區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)的一切實(shí)際因素，比如采空區(qū)的范圍、深度、厚度，比如上覆巖層的類型、厚度，再比如已經(jīng)存在的地面的變形情況等，還要結(jié)合地表建筑物的結(jié)構(gòu)、荷載、成本預(yù)算等條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 老采空區(qū)地表建筑的地基處理方法

3.2.1 注漿法

注漿法是指用水泥、砂子、粉煤灰匯合而成的漿液，通過在地面進(jìn)行鉆孔的方法，直接將混合好的漿液灌注到采空區(qū)的地下空洞和巖層縫隙中，將地下空洞和縫隙完全填滿，以此進(jìn)行加固，使采空區(qū)的地下結(jié)構(gòu)恢復(fù)到類似開采前的狀態(tài)，徹底解決影響地表穩(wěn)定性的因素。這種方法簡(jiǎn)單易操作，造價(jià)也不高，是運(yùn)用很廣泛的一項(xiàng)工程技術(shù)手段。

注漿法雖然簡(jiǎn)單易操作，但是為了保證效果，也需要提前設(shè)計(jì)好注漿方案，選擇合適的注漿方法。此外，漿液的配置更要遵循嚴(yán)格的比例，1份水對(duì)應(yīng)1.5份的固體混合物，1份固體混合物要包含30%的水泥與70%粉煤灰，除此之外水泥中要摻加速凝劑水玻璃，1份速凝劑可以配置50份水泥。

為了保證灌注的質(zhì)量，要先對(duì)采空區(qū)的外圍進(jìn)行灌注，然后再灌注采空區(qū)的空洞和縫隙；還要進(jìn)行復(fù)灌，確保采空區(qū)的所有空洞及縫隙都被灌滿；如果有可能未連通的可疑地段，可以直接進(jìn)行爆破處理，先連通所有空洞及巷道，然后再進(jìn)行一遍復(fù)灌。

采用注漿法時(shí)還要注意以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：注重灌漿的連續(xù)性，盡量避免中斷，以免漿液凝結(jié)，在空隙的填充上出現(xiàn)問題；預(yù)先留出觀察孔，隨時(shí)關(guān)注灌漿的情況，避免出現(xiàn)遺漏或者質(zhì)量問題；注意排水，以免漿液被空洞底部的積水稀釋，影響漿液的凝結(jié)，對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；安排好初次注漿與復(fù)灌的時(shí)間，保證漿液能夠完全固化，實(shí)現(xiàn)地下空隙的完全填充，保證注漿效果。

注漿完成后要進(jìn)行檢驗(yàn)，以考察注漿的效果。一方面要檢測(cè)所有空洞及縫隙是否已全部被漿液填充固定，另一方面要檢驗(yàn)灌漿的效果能否完成支撐地面建筑物的荷載量?？梢酝ㄟ^鉆孔取芯的方法來檢測(cè)采空區(qū)的整體注漿效果，也要運(yùn)用好現(xiàn)代化的科技手段，提高檢驗(yàn)效率，比如物探手段、聲波檢測(cè)等。

3.2.2 加固采空區(qū)上覆巖層的方法

除了可以通過注漿法填充地下空洞及縫隙來進(jìn)行加固，還可以通過對(duì)采空區(qū)上覆巖層進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)的方法來對(duì)老采空區(qū)進(jìn)行加固，以保證地基的穩(wěn)定性。對(duì)上覆巖層進(jìn)行加固的最好辦法也是是注漿加固，從地面鉆孔對(duì)覆巖的巖層縫隙進(jìn)行注漿，用漿液填滿裂縫，漿液凝結(jié)后可以增加覆巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，避免覆巖發(fā)生變形，從而減小對(duì)地面的影響，增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性。

3.2.3 采用筏板基礎(chǔ)

老采空區(qū)地表結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，建筑物的基礎(chǔ)難以滿足地基的承載力，這種情況可以采用筏板基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)由底板和梁構(gòu)成，可以很好地承載建筑物的荷載。筏板基礎(chǔ)是在利用了獨(dú)立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)的建筑中，先用聯(lián)系梁將建筑物的條形基礎(chǔ)或者柱下獨(dú)立基礎(chǔ)全部連接起來，然后澆注混凝土形成底板，用聯(lián)系梁和底板把建筑物的基礎(chǔ)形成一個(gè)整體，改變地基承載力較弱或者承載力不均勻的情況。筏板基礎(chǔ)的底板是由混凝土澆注成的，澆注完成后要注意進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

3.2.4 樹立灌注樁

除了可以對(duì)采空區(qū)地下實(shí)施全面無縫隙的灌漿處理外，還可以采取局部灌漿的方法，但局部灌漿方法又與注漿法不同。雖然兩種方法都需要在地表進(jìn)行鉆孔，但這種方法的空洞直徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于注漿法，而且這些大直徑的鉆孔中也不能只灌注漿液，還要加入填料，用可以凝固的漿液把填料和鉆孔時(shí)形成的碎裂的巖石固定在一起，在采空區(qū)的巖層中形成可以承受建筑物荷載的灌注樁。選用這種方法時(shí)要選好鉆孔的位置，計(jì)算好需要的灌注樁的數(shù)量及位置分布。

4 結(jié)語

老采空區(qū)是日益緊張的建筑用地的一大補(bǔ)充，但采空區(qū)地基并不適合直接進(jìn)行建筑施工。對(duì)采空區(qū)上方建筑物地基的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)是一切工作的基礎(chǔ)，只有做出科學(xué)的評(píng)價(jià)，才可以尋找處理措施，好在人類在進(jìn)行了諸多的實(shí)驗(yàn)后已經(jīng)慢慢摸索出了一套行之有效的方法。