贵州省水盘高速公路采空区注浆检测方案(定)概论

贵州省水盘高速公路第16合同段采空区注浆质量检测方案

中铁西北科学研究院有限公司

2011年11月

一、目的任务

水盘高速公路第16合同段K59+530～K59+775路段和K59+280～K59+440段松河大桥（左幅4#～7#墩、右幅3#～6#墩）位于新华煤矿和以往小煤窑地下采空地段。为满足公路路基和桥梁稳定性的要求，依据“采空区处治工程设计”拟对采空区进行注浆加固处理。采空区处治后，拟采用钻探岩芯检测法和注浆（或水）试验等多种方法检测注浆质量，本方案是运用物探方法进行检验和评定，具体目的任务如下：

1.可控源音频大地电磁测深法（CSAMT），通过注浆前后点-线-面勘察，总体掌握场地采空区分布和注浆后变化情况，也为布置钻探检测孔提供依据。

2.波速测井方法，获取地层纵横波波速，并依此计算出相关岩土体力学参数进而进行评价，特别对采空区注浆前和注浆后结石体的对比分析检测。

3.根据物探结果，布设检查孔进行全孔取芯，直接观察采空区的浆液填充程度，识别浆液对空洞、裂隙的充填情况和岩土体的完整程度，评价采空区的处治效果。

二、场区地质概况

1.地形地貌

拟建水盘高速公路地处贵州省西部高原，场区位于盘县松河乡附近，有英柏公路从场区附近通过，交通便利。场区附近海拔1646.0～1784.0m，相对高差138m，拟建公路轴线通过的地面高程为1654.0～1717.0m之间，相对最大高差63m。

场区地貌类型属侵蚀-构造型低中山陡坡地貌，地势较陡。区内用地为耕地，植被不甚发育。

2.地层岩性

区内主要地层岩性自上而下为，覆盖人工填石（Q me）—英柏公路填石，第四系坡积层（Q el+dl）粉质粘土、冲洪积层（Q al+pl）卵石土；下伏基岩有下三叠统飞仙关组下段（T1f1）砂岩，上二叠统龙潭组（P2l）砂岩、泥质粉砂岩、碳质泥

岩和煤层。

三、采空区处治依据及方案简述

1.采空区概况及处治依据

A、K59+530～K59+775路段

前期开展的采空区勘察成果显示，本段路线通过采空区范围为路线左侧120米(至河流附近)至右侧约4Km，共涉及松河大桥盘县岸部份墩、台：K59+617～K59+700路基挖方路段及赵家河大桥六盘水岸墩、台位置等三段桥梁及路基。煤矿主要为私人小煤窑及现新华煤矿开采地段，主要沿地下的3#及5#煤层(每层煤厚1.5～3米)开采。根据钻探资料集合地质调访场区3#煤层开采率约为60％，5#煤层开采率约为80％。采空区范围内有小煤窑开采煤洞10个，上部3#煤层开采方式为巷道式无序开采，最大开采长度约500m，洞高2～3m，开采自上世纪50年代，至90年代陆续停采。新华煤矿目前主要是向西(沿路轴右侧方向)开采下部的5#煤层。地质钻探揭示采空区范围内3#、5#煤层均已被开采，已有4个钻孔揭露了煤层开采后形成的空洞及垮塌冒落带，钻探施工至煤层时均出现严重垮孔、掉钻现象。

勘察显示，新华煤矿和无序开采小煤窑对工程影响严重，采空区长度240 m，采空影响范围为K59+530～K59+810段，长度280m．剩余空洞总体积43310m3。路基K59+597～K59+727位于采空区范围内，受采空区影响，地表出现裂缝，场地整体稳定性差。采空区(空洞)范围距路面设计高程约60～124m。埋藏较深，路基下部岩体整体稳定性差；同时松河大桥左幅10、11号墩，右幅9、10号墩及终点岸桥台和赵家河大桥左幅10、11号墩，右幅9、10号墩及起点岸桥台均受煤矿采空区影响。其中影响松河大桥长77m，占采空影响区长度27．5％，影响赵家河大桥长83m，占采空影响区长度30％，煤矿采空区必须进行处治。

B、K59+280～K59+440段松河大桥（左幅4#～7#墩、右幅3#～6#墩）

K59+280～K59+440段桥区附近有小煤洞6#、9#，开采15#煤层，为巷道式无序开采，开采深度约20～35m，开采长度100～300m不等，最大开采长度约500m，洞高2.2～4.5m，沿路轴线方向向东、西两侧开采，煤层顶板厚约20～30m。地表见4#采空塌陷，直径2～4米，可见深1～3米，开采自上世纪50年

代，至90年代陆续停采。

采空区地表于2006年6月至9月曾经发生沉降开裂，目前未发现新的沉降开裂现象。

据施工图地勘及补充地勘资料：

K59+280～K59+440段ZK22钻孔（右幅4#墩）31.8～32.1m出现掉钻现象，ZK20钻孔（右幅3#墩）30.4～31.8米也出现掉钻，取芯为残留煤渣。

据施工桥梁桩基资料：

左幅6#墩：Z6-1、Z6-2桩基础施工至设计桩底标高附近时，遇见3米高采空空洞，据当地老乡介绍，左幅6#墩附近横桥向有煤层采空坑洞及较大范围采空区分布；右幅3#墩桩基础施工至设计桩底标高3～5m时，泥浆全部漏完。

综合以上资料分析：K59+280～K59+440段地表见采空塌陷坑，煤层采空区发育程度较原设计严重，既塌陷冒落带及裂隙变形带已延伸至地表，采空区范围及深度较原设计大。该段煤层采空区需采取措施进行处治，避免影响桥梁安全。

2.处治方案

既定的处治方案从采空区地质条件、采空区深度及原材料供应等方面综合考虑，采用水泥粉煤灰浆液全充填压力注浆法来处治煤矿采空区。

全充填压力注浆法在地表施工钻孔，钻孔深度达到煤矿采空底板。采用花管进行注浆，将花管密封在采空区上覆较稳定的岩体与采空区底板间采用注浆泵，将水泥粉煤灰浆液注入采空塌陷区和其上覆的岩层裂隙中。处治长度是以采空塌陷区边界为起点所确定的长度；处治宽度为围护边带外侧向两侧按岩体扩散角考虑所确定的边界宽度。

具体处治方案见相关设计图纸。

四、检测方案及费用计算

1.物探检测工作原则

结合检测工作的设计要求，本次物探工作遵循“从已知到未知”、“由点到面”的原则。分别在注浆前后开展物探工作，掌握各剖面注浆前采空区分布情况和注浆后结石体分布情况，最终对比分析注浆效果。

2.方法选取

（1）可控源音频大地电磁测深法（CSAMT ）。

考虑到其它地面物探方法受地形影响和勘探深度限制等因素，拟采用可控源音频大地电磁测深法（CSAMT ）。该方法是观测人工供电的音频电磁场的电磁勘探方法，由于所观测的电磁场的频率、强度和方向可由人工控制，克服了天然场源信号微弱的缺点，较传统的电磁勘探方法具有工作效率高、勘探深度大、分辨能力强、精度高等优势，应用领域十分广泛，主要应用于油气、地热、煤田等矿产资源探测，以及地下水资源勘探、工程地质及环境地质等领域。

采空区与围岩存在一定的电性差异，注浆后原来的采空区的电性参数将发生极大的变化，这是本次开展CSAMT 工作的物性前提。

该方法的基本原理

是，根据电磁波传播理

论和麦克斯韦方程组导

出卡尼亚电阻率计算公

式为：

225f 1Hy Ex S ?=ρ

式中f 为发射频率

(Hz)；Ex 为与场源平行

电场水平分量；Hy 为磁

场分量。再根据电磁波传播原理可得其穿透深度即趋肤深度的数值方程，并博斯蒂克深度作为有效研究深度，则探测深度表达式为：

f 365H ρ

?=

式中，ρ为岩层或介质的电阻率(Ω·m)。

由以上两式，只要在地表从高频到低频逐个改变频率时，同时观测到Ex 和Hy 两个分量参数，就能计算出阻抗电阻率，进而求得其趋肤深度。经一维或二维反演后形成剖（断）面图，如图1所示效果。

（2）波速测井

在钻孔中以井液作为耦合剂，用电磁震源垂直于井壁作用一瞬时冲击力，

就

图1某煤矿采空区勘查剖面图

在井壁地层中产生两种类型质点振动，一种是质点振动方向垂直于井壁，沿井壁方向传播，称为S波(剪切波，横波)；另一种是质点振动方向与传播方向相同称为P波(压缩波，纵波)。检波器接受S波的振动信号并转换成电信号，然后传输到计算机，计算机对信号进行数据处理后采用两道互相关分析法，自动计算S波在两道检波器见传播的时间差，从而计算出两道间的S波传播速度。

3.工作步骤

（1）综合研究场区工程地质资料、采空区勘察成果，了解各类岩性的物性特征。

（2）注浆前，开展可控源音频大地电磁测深（CSAMT）工作，在场区路基中轴线及两侧共布设6条（5条）剖面，每条剖面上布设25个（15个）测点（间距10m）。外业工作前，做好极距试验，确定工作参数；完成点位测量工作，并做好标记。

（3）根据设计注浆孔位置，在注浆孔形成后、注浆前进行波速测井。并收集其它位置钻孔资料。

（4）注浆后3～6个月后，在原点位上开展同参数可控源音频大地电磁测深工作。

（5）根据CSAMT成果比对结果在可疑区域布置钻探检测孔，总数控制在总注浆孔的3%左右；待钻探检测孔完成后即进行波速测井工作。

（6）室内资料综合对比研究，编写物探检测成果报告。

本方案前期利用注浆孔，不再为波速测井工作新开凿钻探孔。

4.工作量及费用概算

可控源音频大地电磁测深法单价按2007年财政部、国土资源部《国土资源地质调查预算标准》执行，波速测井单价按2002年建设部《工程勘察收费标准》执行。检测工作量及费用概算见表1、2。

表1 K59+530～K59+775路段工作量及费用概算表

表2 K59+280～K59+440路段工作量及费用概算表

5.预期提交成果资料

1.文字报告

《贵州省水盘高速公路第16合同段采空区注浆物探质量检测报告》。

2.图件

（1）物探工作实际材料图；

（2）可控源音频大地电磁测深（CSAMT）综合解释剖面图；

（3）注浆前后波速测井图。

6.工作周期安排

注浆前CSAMT勘察10-15天；

注浆前波速测井与注浆钻孔同时进行，不另占时间；

注浆后CSAMT勘察10-15天；野外工作10日内提出钻探检测孔位置。

注浆后波速测井与钻探检测同时进行，不另占时间；

资料分析整理及检测报告编写15天。

2名物探高级工程师全程负责现场生产。严格按照《规范》和《作业指导书》的要求进行质量检查工作。