老采空區(qū)上方建筑地基穩(wěn)定性評價及建筑地基處理與基礎(chǔ)設(shè)計

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，而是需要進行建筑地基的穩(wěn)定性評價，選擇合適的基礎(chǔ)設(shè)計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，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形成地面塌陷，反而會隨著長期的自然壓實及地表沉積物堆積慢慢穩(wěn)定下來，形成相對穩(wěn)定的采空區(qū)形態(tài)。但是這些相對穩(wěn)定的采空區(qū)也不是絕對安全的，經(jīng)歷過人類活動的地下空洞雖然有著巖層作支撐，依然存在著開采時形成的裂縫，安全隱患可能有一個長長的潛伏期，地面會在幾年、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)對地面上建筑的影響

采空區(qū)的地下存在空洞，對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，而且隨著資源的開采形成了大量空洞，人類的開采活動已經(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，巖層也會因為人類活動遭到破壞，因為地下空洞的形成發(fā)生彎曲改變，從而對地表的穩(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對地表的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，當重量超過地表的承載力時就會打破地下空洞上覆巖層相對應(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)生二次移動和變形，從而導(dǎo)致地表穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，對地面建筑物產(chǎn)生安全威脅。

2 老采空區(qū)上方建筑的地基穩(wěn)定性評價

2.1 評價老采空區(qū)地基穩(wěn)定性時應(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)對采空區(qū)地表下沉的影響很大，巖石越堅硬，對地表的支撐力就越大，對地表建筑物穩(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，對地面的影響就越小，這是因為隨著深度的增加，延長了對地面產(chǎn)生影響的時間，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，開采的厚度越大對巖石的破壞就越嚴重，對地理結(jié)構(gòu)的影響也就越大，對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)定性評價的方法

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采空區(qū)上方的地基穩(wěn)定性進行評價，評價合格后方可進行施工。下面是幾種比較常見的評價方法：

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價地表建筑物的穩(wěn)定性。當兩者中間有一定的距離時，地表建筑物不會影響裂隙帶的穩(wěn)定性；當兩者剛好相遇時，地表建筑物的荷載就是最大的荷載量，不可以再有所增加；當兩者相交時，建筑物的荷載會影響巖層的穩(wěn)定性，進而影響建筑物的穩(wěn)定性。

2.2.2 有限元法

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

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，需要對采空區(qū)的地基進行處理，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

建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計是建筑設(shè)計的重要組成部分，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，它將整個建筑物的荷載傳給地基?；A(chǔ)的設(shè)計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)計工作，選擇合適的地基處理方法。

合理的基礎(chǔ)設(shè)計方案，必須充分考慮采空區(qū)施工現(xiàn)場的一切實際因素，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)算等條件進行設(shè)計。

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。這種方法簡單易操作，造價也不高，是運用很廣泛的一項工程技術(shù)手段。

注漿法雖然簡單易操作，但是為了保證效果，也需要提前設(shè)計好注漿方案，選擇合適的注漿方法。此外，漿液的配置更要遵循嚴格的比例，1份水對應(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，要先對采空區(qū)的外圍進行灌注，然后再灌注采空區(qū)的空洞和縫隙；還要進行復(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，可以直接進行爆破處理，先連通所有空洞及巷道，然后再進行一遍復(fù)灌。

采用注漿法時還要注意以下幾個環(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)，對穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；安排好初次注漿與復(fù)灌的時間，保證漿液能夠完全固化，實現(xiàn)地下空隙的完全填充，保證注漿效果。

注漿完成后要進行檢驗，以考察注漿的效果。一方面要檢測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采空區(qū)的整體注漿效果，也要運用好現(xiàn)代化的科技手段，提高檢驗效率，比如物探手段、聲波檢測等。

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行加固，還可以通過對采空區(qū)上覆巖層進行加固補強的方法來對老采空區(qū)進行加固，以保證地基的穩(wěn)定性。對上覆巖層進行加固的最好辦法也是是注漿加固，從地面鉆孔對覆巖的巖層縫隙進行注漿，用漿液填滿裂縫，漿液凝結(jié)后可以增加覆巖的強度和穩(wěn)定性，避免覆巖發(fā)生變形，從而減小對地面的影響，增強地基的穩(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行灑水養(yǎng)護。

3.2.4 樹立灌注樁

除了可以對采空區(qū)地下實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行鉆孔，但這種方法的空洞直徑要遠遠大于注漿法，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。選用這種方法時要選好鉆孔的位置，計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充，但采空區(qū)地基并不適合直接進行建筑施工。對采空區(qū)上方建筑物地基的穩(wěn)定性進行評價是一切工作的基礎(chǔ)，只有做出科學(xué)的評價，才可以尋找處理措施，好在人類在進行了諸多的實驗后已經(jīng)慢慢摸索出了一套行之有效的方法。