轨道交通采空区勘察及处理方法对比分析
程海陆，张继伟，张勇
（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100010）
摘要：轨道交通采空区勘察比较少见，国内外目前采空区的主要以地质调查、地球物理勘探、工程钻探验证为主，辅以变形监测等。在通过介绍几种常用勘探方法的同时，比较分析了乌鲁木齐和徐州遇到的两处采空区的勘探及处理方法，对目前国内轨道交通采空区勘探有一定的指导意义，为后续的轨道交通的采空区勘察能够找到一种经济实用的方法提供一定的借鉴。
关键词：采空区；勘察手段；地质调查；超高密度电法；瞬变电磁；地微动；处理方法
轨道交通勘察极少遇采空区，随着近几年轨道交通在矿产丰富的城市规划建设，穿越采空区情况时有发生。
地下采空区，根据开采现状可分为老采空区、现采空区及未来采空区三类。根据开采规模和采空区面积划分为大面积采空区及小窑采空区。根据煤层开采形式划分为长壁式开采、短壁式开采、条带式开采、房柱式开采等采空区。根据采深及采深、采厚比分为浅层采空区、中深层采空区和深层采空区。根据煤层倾角分为水平（缓倾斜）采空区、倾斜采空区和急倾斜采空区。
例如乌鲁木齐市轨道交通1号线工程南湖北路站—王家梁站区间经过的六道湾村煤矿属于大面积中深层（大于50m小于200m）急倾斜（倾角大于55°）的老采空区；徐州市轨道交通2号线一期工程（姚庄站西—文博园站）区间经过的煤矿则属于中深层小窑倾斜的老采空区。
采空区围岩变形破坏往往波及地表，使之产生沉降，形成地表移动盆地，甚至出现崩陷和裂缝，危及建构筑物安全，这种变形对轨道交通的线路走向选择及其地基处理有着重要的影响。目前轨道交通对下伏采空区的勘察手段主要包括工程地质测绘、工程物探、钻探等。
1 采空区常用勘察手段与方法
1.1 地质调查
地质调查是采空区勘察的重要手段之一，轨道交通一般调查场地内及周边矿区的开采起始时间、开采方式、规模、开采矿层、产状、采深采厚比、回采率、顶板管理方式、煤（岩）柱留设情况和盘区划分、采空区充填情况、地下水赋存、有害气体等情况，尤其搜集矿区井上、井下对照图，采掘工程平面图，矿层底板等值线图等与开采有关的图件。同时注意已有建（构）筑物的类型、基础形式、变形破坏情况及其原因等。
对于国有大矿采空区，采矿资料一般比较齐全，能够比较清晰调查清楚采空区的分布范围；但是对于小煤窑采空区，资料往往不全甚至无资料。
乌鲁木齐市轨道交通1号线工程南湖北路站—王家梁站区间经六道湾村煤矿属于较大煤矿，地质调查资料比较清晰，而徐州市轨道交通2号线一期工程（姚庄站西—文博园站）经过的棠张矿属于小型煤矿，而且年代久远，具体开采情况则不清晰。
1.2 超高密度电法
1.2.1 方法原理
超高密度电法是一种阵列勘探方法。野外测量时只需将全部电极（几十至上百根）置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的决速和自动采集，当将测量结果送入计算机后，还可对数据进行处理并得出关于地电断面分布的各种图示结果，工作示意图见图1。
1.2.2 仪器设备
图2为澳大利亚的ZZ Resistivity Imaging研发中心生产的FlashRES64超高密度电法正反演系统。
图1 高密度电法工作图
图2 FlashRES64超高密度电法正反演采集系统
FlashRES64多通道超高密度地面/井—地/井—井直流电法勘探系统主要由仪器主机箱、便携式计算机、电缆、电极、数据采集控制软件、数据处理和反演成像系统等6大部分组成。
FlashRES64采集系统打破常规采集方式，可用任何排列组合，采用多通道、多电极、全波形的数据采集方式，61道数据同时采集，其数据采集的效率是同类仪器的40倍以上。该系统可以使用井—井、井—地布极方式，弥补了地表电法勘探对深部地质异常体勘察精度低的不足，使电极更加接近目标体，完全满足勘察的要求。借助于系统自带的反演软件，得到更有效的信息，这在工程物探中是非常需要的。系统自带2.5维反演软件能够将野外采集的数据直接反演为真电阻率图。
1.2.3 工作方法
FlashRES64超高密度电法仪不仅可以做地表高密度电法勘探（电极排列见图3），也可以做井间、井地结合勘探，因此其应用范围比普通电法大大增强。
图3 超高密度电法地—地布极方式
1.2.4 超高密度电法的应用
超高密度电法能够得到比普通高密度电法更多、更准确的电阻率信息。在徐州市轨道交通2号线一期工程（姚庄站西—文博园站）进行了应用。图4为剖面电阻率异常图，图中显示两个低阻异常。
图4 姚庄站西—文博园站区间超高密度电法其中1条测线电阻率剖面图
1.3 瞬变电磁法成果
1.3.1 方法原理
瞬变电磁法是向地下发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体受激引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场，二次场的大小与地下地质体的电性有关，低阻地质体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势，对二次电位进行归一化处理后，根据归一化二次电位值的变化，间接解决如陷落柱、采空区、断层等地质问题。该方法具有分辨能力强、工作效率高、受地形影响小、能穿透高阻覆盖层等优势，迅速发展成为高效、快捷的物探方法。
图5 瞬变电磁法工作图
1.3.2 仪器设备
加拿大Geonics公司研发中心生产的TEM57-MK2，最大勘探深度500m，如图6所示。
1.3.3 工作方法
瞬变电磁工作方法示意如图7所示。
图6 TEM57-MK2瞬变电磁采集系统
图7 瞬变电磁工作方法示意
1.3.4 瞬变电磁法的应用
乌鲁木齐市轨道交通1号线工程南湖北路站—王家梁站区间采用了瞬变电磁法，图8为27-30线TEM测深电阻率断面图。
1.4 地微动法
1.4.1 方法原理
微动勘探方法是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波（Rayleigh波）的频散曲线，通过对频散曲线的反演，获得地下介质的横波速度结构、达到勘探目的的一种地球物理探测方法。
微动勘探可用图9所示流程图表示。从微动信号的垂直分量中提取Rayleigh波频散曲线的方法通常采用空间自相关（SPAC）法。
图8 27-30线TEM测深电阻率拟断面图
图9 SPAC法反演S波速度结构流程图
1.4.2 仪器设备
图10所示为微动探测仪的外形图。
图10 微动探测仪器
1.4.3 工作方法
微动观测采用各点独立观测方式进行，如图11所示。时间校正由记录仪内置GPS自动完成。
图11 独立式微动观测方式示意图
SPAC法观测台阵为圆形，即把测点布置在圆心以及半径为r的圆周上。最简单的圆形台阵是在圆周上等间隔布置3个测点（正三角形台阵）。为提高工作效率，可以采用图12所示多个圆形台阵同时观测的组合观测方式。
图12 二重圆形观测台阵示意图
1.4.4 地微动法的应用
因避免了反演过程中设置初始模型、反演结果选取等人为因素的影响，微动剖面结果能更客观、直观地反映地层岩性及构造变化。
微动法在徐州市轨道交通2号线一期工程（姚庄站西—文博园站）进行了应用。获得物探结果如图13所示。
图13 微动测试剖面图
1.5 地质钻探
1.5.1 钻探工作布置
（1）布置区域：地质钻探作为采空区的唯一手段比较少用，常常作为辅助验证，因此布置钻孔时应根据前期调查及物探成果进行，除利用轨道初、详勘钻孔外，主要在异常区，调查不清晰区域以及采空对隧道底影响范围布置钻孔。
（2）描述内容：钻孔勘探地质描述除应满足常规工程地质描述的要求外，应重点描述泥浆渗漏、钻进速度、掉钻情况、地下水动水位及岩芯采取率等反映采空区覆岩破坏特征的相关要素。准确记录采空区顶、底板的深度，并应描述采空内垮落物性质、成分、粒径、充水情况等。
（3）特殊事项：当钻穿采空区顶板时应停钻，采用钻杆或动力触探试探，再根据采空垮落特征，选择适宜地钻进方法和钻具。
（4）岩芯拍照：除做试验的岩芯外，剩余岩芯应存放岩芯箱内，并按钻进回次先后顺序排列，注明深度和名称，且每一回次用岩芯牌隔开。岩芯拍摄彩色照片或录像保存。
1.5.2 钻探成果与物探成果的相互印证
通过物探工作、钻探工作的相互印证，在勘察工作控制范围内查明采空塌陷区残留空体的分布范围及规模以及原采空塌陷区处理后的主要物质组成、密实程度等物理力学性质。现场调查及收集的存在采空区的位置，要通过物探方法、钻探方法验证，结果达到基本一致。
图14为徐州轨道交通钻探验证孔岩芯照片采空异常区。
2 采空区常用处理方法
采空区处理是世界级难题，一般可选用换填夯实回填、注浆加固、强夯、干（浆）砌支撑法、巷道加固法、跨越法或者几种相结合的办法。常见处理主要有以下几种：
图14 钻探岩芯照片采空异常区
2.1 注浆加固法
注浆加固可分为两种形式，一种是直接注浆加固采空区，在地面钻孔至采空区，待压水泥浆将采空区所有空洞和覆岩裂隙全部充填加固，整个采空区恢复为密实状态，彻底消除破碎岩体的移动变形。另外一种是注浆加固上覆岩层结构，增强覆岩结构的长期稳定性，也是从地面打钻孔，然后压力灌浆，使浆液渗入岩层裂隙并胶结而使破碎岩体形成一强度高、刚度大，类似于“大板结构”的完整岩体，达到类似于跨越的目的和避免地表塌陷的发生。
2.2 干（浆）砌支撑法
可用于采空区顶板尚未完全塌陷、需回填空间较大、埋深浅、通风良好、具有人工作业条件，且材料运输方便的煤矿采空区。
2.3 开挖换填法
开挖回填法可用于挖方规模较小、易开挖且周边无任何建筑物的采空区。对于埋深很小的采空区，可从地表开挖至采空区，然后分层回填夯实。
2.4 设计高架桥跨越采空区。
当采空区分布面积过大，无法充填注浆法时，可考虑采用高架桥跨越采空区，当用高架桥桩时应分析评价采空区成桩可能性，并应分析采空区沉陷对桩基稳定性和承载力的影响。
徐州市轨道交通2号线一期工程（姚庄站西—文博园站）主要采取了绕避法，如图15所示。
乌鲁木齐市轨道交通1号线工程南湖北路站—王家梁站区间主要采取了地下高架桥跨越法辅助注浆加固。也是国内首次地下轨道工程穿越采空区，如图16所示。
3 采空区对轨道交通的影响
3.1 轨道交通的特点分析
轨道交通作为城市重要交通工具之一有以下特点：
图15 线路绕避矿井
图16 南湖北路站—王家梁站区间地下高架桥
（1）轨道交通运量大、速度快、准点，一般在地下或高架桥运行，尤其在上下班高峰期客流量较大。
（2）轨道交通是城市公共交通的主干线，客流运送的大动脉，是城市的生命线工程，将直接关系到城市居民的出行、工作、购物和生活。
（3）轨道交通开挖方式较多，一般有明挖法、暗挖法、盾构法、高架法、冻结法等。
（4）轨道交通明挖法一般采用矩形框架结构，暗挖法一般采用单跨拱形，盾构法一般采用钢筋混凝土管片单层装配式衬砌。
（5）轨道交通工法较多，采用地下线时，一般埋深在15～25m之间，个别埋深较大，涉及近地表地层受人类活动影响比较明显。
3.2 采空区对轨道交通的影响
采空的危害比较大，对上部建构筑物的地基稳定性有致命影响，情况严重时会发生垮塌，除垮塌造成结构破坏、人员车辆损失外，采空区突然垮塌的高速气流和冲击波也会造成的人员伤亡和设备破坏。采空区上部变形会造成轨道变形，列车脱轨等严重事故发生。
采空区对结构影响较大，施工过程中的机械振动，运营后的列车震动，都可能使采空区“活化”，引起松散垮落带再次垮落或未完全垮落密实的再次压密从而再次诱发地面塌陷和不连续变形；水位高于车站或隧道底板，需要抽降水，地下水对采空区残余空洞、残余煤柱、巷道的作用，也可能引起采空区“活化”引发采空地面塌陷。
另外，采空区地裂变形对轨道交通建设因处理采空区塌陷也会增加建设难度和费用。
4 结论
（1）目前轨道交通对下伏采空区的勘察手段主要以地质测绘、工程物探辅以地质钻探验证的手段和方法。物探方法除以上介绍的几种外，目前常用的还有地质雷达法、电磁波层析成像（CT）法、地震层析成像（CT）法等，可根据现场环境条件、地质条件、采空规模选择出适用于轨道交通采空区勘探的方法，进行不断总结。
（2）对于大型采空区，采矿资料一般比较齐全，通过调查能够查明采空区的分布范围，物探和钻探工作仅作为辅助验证手段；对于小煤窑采空区，资料不全甚至没有资料，对后续采空区的勘察会造成极大困难，是今后研究的重点方向。
（3）轨道交通规划呈线性分布，前期应充分做好地质调研，能尽量绕避采空区则尽量绕避。
（4）采空区的处理对于大型采空区由于采空面积大，处理难度、处理造价较高。而对于小型采空区由于对资料掌握有限在选择采取的处理方法时比较困难。
（5）采空区变形是一个长期的过程，在轨道交通运营过程中还需要不断进行监测、检测。
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