隱伏采空區(qū)路基高密度電法探測(cè)及穩(wěn)定性分析

陳文杰

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)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(yíng)運(yùn)階段的重大安全隱患，故必須在設(shè)計(jì)施工期對(duì)其足夠的了解并加以處治。對(duì)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(cè)［5］、數(shù)值仿真［6－8］、聲發(fā)射法［8］、空區(qū)探測(cè)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(duì)采空區(qū)模型理想化的基礎(chǔ)上，因此采用一種簡(jiǎn)便且探測(cè)精度相對(duì)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(cè)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(cè)深于一體，采用高密度布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，是探測(cè)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(cè)試快速、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)而在地質(zhì)勘探中大放異彩。

1 工程簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)沿線采用高密度電法進(jìn)行探測(cè)，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(cè)線，在K4+730和K4+895 處各布設(shè)一條橫測(cè)線;比較線在K3+450 ～K4+980 段中線布設(shè)一條測(cè)線。物探測(cè)線共7 條，每條測(cè)線長(zhǎng)度為300 m，總計(jì)測(cè)線長(zhǎng)度2 100 m。

2 高密度電阻率法探測(cè)采空區(qū)

2.1 高密度電阻率法探測(cè)原理

DUK－2 型直流激電高密度電法儀具有存儲(chǔ)量大、測(cè)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(cè)地質(zhì)分布情況，其電場(chǎng)滿足偏微分方程:

式中:Δ 為拉普拉斯算子;U 為電勢(shì)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(chǎng)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(cè)取另一對(duì)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(cè)，通過視電阻率的相對(duì)變化而推測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量，點(diǎn)距分別為5 m，排列長(zhǎng)度為300 m。野外測(cè)量數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(cè)線，其中WT1 與WT4 線2 條測(cè)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(cè)線高密度電法視電阻率等值線圖

圖2 WT4 測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的對(duì)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(duì)采空區(qū)路基采用高密度電阻率法進(jìn)行探測(cè)，猶需對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)

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(duì)路基的穩(wěn)定性影響較大，需設(shè)置錨桿注漿對(duì)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(zhǎng)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(cè)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(cè)，并基于非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(cè)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(cè)，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)，做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工。

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