隐伏采空区路基高密度电法探测及稳定性分析

陈文杰

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

0 引言

地下采空区及溶腔土洞的存在，是高速公路建设及营运阶段的重大安全隐患，故必须在设计施工期对其足够的了解并加以处治。对采空区的研究主要集中在基于室内相似试验［1］、可靠度理论［2］、力学分析［3］、多源信息融合理论［4］、激光三维探测［5］、数值仿真［6－8］、声发射法［8］、空区探测系统CMS［9］、综合层次分析法［10］等进行采空区稳定性分析及处治技术研究［11，12］。由于地质情况的复杂性，以上方法大多基于对采空区模型理想化的基础上，因此采用一种简便且探测精度相对较高的方法是必要的。高密度电阻率法是一种新型的剖面电阻率测深方法，与其他物探法相比可以实现电阻率的快速采集和图像的的定量解释，改变了电法的传统工作模式。它集电剖面和电测深于一体，采用高密度布置测点，进行二维地电断面测量，是探测软弱破碎带、采空区及溶腔土洞等有效的物探方法，因其使用方便、测试快速、探测精度高等优点而在地质勘探中大放异彩。

1 工程简介

湘潭鹤岭至南谷公路路段地质条件主要为震旦系(Za)炭质板岩地层，夹碳酸锰矿，呈条带状分布，为湘潭锰矿区。矿区的主要的不良地质问题为采空区，采空区为巷道式开采，为民间私采巷道，非正规开采，巷道大小约为高1.5 m 宽1.2 m，巷道分布路段为A 比较线AK3+787 ～AK3+918。采空巷道分布广泛，对路基稳定性影响较大，为查明路基的地质情况、地层结构与不良地质体，同时对有矿渣地段查明矿渣厚度以及掌握各采空区的位置及稳定性状态，对沿线采用高密度电法进行探测，以期为采空区路基处治提供理论依据。采用高密度电阻率法进行路基勘探分析，勘查范围确定为K3+450 ～K4+980段中线及左右20 m 各布设一条测线，在K4+730和K4+895 处各布设一条横测线;比较线在K3+450 ～K4+980 段中线布设一条测线。物探测线共7 条，每条测线长度为300 m，总计测线长度2 100 m。

2 高密度电阻率法探测采空区

2.1 高密度电阻率法探测原理

DUK－2 型直流激电高密度电法仪具有存储量大、测量准确快速、操作方便等特点。系统可实时显示等值线剖面或彩色映像剖面;输出功率200 V/200 mA;系统采用薄膜键盘，8 英寸高亮度彩色液晶显示，中文菜单易于操作;可存储大量(1 000 条)剖面数据，并可与计算机相连传输而进行数据处理。

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，通过岩土介质导电性差异性分布规律而推测地质分布情况，其电场满足偏微分方程:

式中:Δ 为拉普拉斯算子;U 为电势差，V;I 为电流，A;σ 为电导率，S/m;δ 为冲激函数;(x0，y0，z0)及(x1，y1，z1)分别代表原点及电场点坐标。

通过电极A、B 向采空区路基供电形成稳定的直流电流，测取另一对电极C、D 上的电位差，通过公式(2)求出岩土体视电阻率ρs:

式中:K 为装置系数。

由于岩土体为复杂各向异性的不均匀介质，其视电阻率与真电阻率不同，其真电阻率ρ0由下式进行计算:

式中:jCD为电极C、D 介质实际电流密度;j0为均匀介质的电流密度。

由于下伏采空区路基的空腔与围岩介质电性差异显著，利用高密度电阻率法进行探测，通过视电阻率的相对变化而推测介质电性变化及采空区的分布。

2.2 数据处理及成像方法

高密度电法资料处理流程为首先将DUK－2 的实地探测数据通过传输软件传输到计算机，进行去噪技术将坏点剔除，再校正地形及格式转换等预处理，调入CRT 数据处理软件中，然后将数据导入RES2DINV 中进行反演，并将反演结果用Surfer 软件绘成视电阻率等值线图，依据等值线图上的视电阻率值的变化特征结合钻探和地质调查资料或物性差异特点作出地质解译，最后利用绘图软件Auto-CAD 绘制出物探成果解译图并适当辅以文字说明。

2.3 采空区探测图像解译

本次外业采用60 个多种电极组合的温纳装置进行测量，点距分别为5 m，排列长度为300 m。野外测量数据现场传输到计算机进行初步处理，作出初步的推断解释，对异常点及突变点进行重复检查。在工区内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处共布设WT1 ～WT7 线7 条测线，其中WT1 与WT4 线2 条测线高密度电法视电阻率等值位图如图1 及图2 所示。

图1 WT1 测线高密度电法视电阻率等值线图

图2 WT4 测线高密度电法视电阻率等值线图

从高密度电法视电阻率等值线图1 中可见，WT1 线在140 ～280 m 段(K3+590 ～K3+730)上部视电阻率较小，结合钻孔资料推断为矿渣;120 ～142 m 段(K3+572 ～K3+588)和223 ～237 m 段(K3+674 ～K3+688)视电阻率横向变化较大且存在低阻凹陷特征，推断这2 处为构造破碎带;在视电阻率等值线图中可以看出，0 ～223 m 段(K3+453 ～K3+674)下部视电阻率较高，结合钻孔资料推断为砂岩;在237 ～485 m 段(K3+688 ～K3+936)下部视电阻率相对较低，结合钻孔资料推断为板岩;在337 ～385 m 段(K3+787 ～K3+837)顶板埋深约21.0 m 和402 ～421 m 段(K3+853 ～K3+871)顶板埋深约11.0 m 视电阻率相对较低且呈封闭特征，推断这2 处存在采空区或其它不良地质体。由图2可知:WT4 线上部视电阻率小于50 Ω·m(对应的对数值为1.7)推断为粘土层;从视电阻率剖面分析，在190 ～200 m 段(K3+650 ～K3+660)视电阻率横向变化较大，且呈低阻凹陷特征，分析推断此处存在构造破碎带;在视电阻率剖面底部0 ～190 m 段(K3+465 ～K3+650)视电阻率在50 ～1 000 Ω·m，结合钻孔资料分析为砂岩;在剖面底部200 ～285 m 段(K3+660 ～K3+760)视电阻率在50 ～100 Ω·m，结合钻孔资料分析为板岩。在WT4 线所经过地段未发现明显的采空区异常。

3 采空区路基稳定性分析

对采空区路基采用高密度电阻率法进行探测，犹需对其稳定性做出合理判断，以此为采空区路基处治提供技术指导。由于非线性强度准则能反映岩体低应力受力状况及非线性受力特性，且引入GSI系统后能稳健地获取岩体力学参数，随着GSI 值的量化方法的不断完善，广义Hoek－Brown 准则广泛应用于岩体地基承载力、边坡稳定性系数、隧道弹塑性分析等领域。本文基于高密度电阻率法探测图像及GSI 系统，获取采空区围岩力学参数，进而进行稳定性分析。

3.1 非线性强度准则

E.Hoek 等人对Hoek－Brown 准则进行改进，引入地质强度指标GSI，提出广义Hoek－Brown 岩体经验强度准则，其表达式为:

式中:mb，s 与a 为表征岩体特性的半经验参数，由下式决定:

其中:GSI 为地质强度指标;D 为扰动系数;mi为岩石常数;σci为岩石单轴抗压强度，MPa。

3.2 采空区路基稳定性数值仿真计算

由于采空区大多为人行巷道，以巷道1 为例进行数值仿真分析，巷道约为高1.5 m、宽1.2 m。根据高密度电阻率法探测数据结合钻孔资料，可取采空区围岩GSI 值为45，mi值为9，扰动系数D 取为0.6，σci经实验室测试为25 MPa。建立巷道采空区围岩分析计算模型如图3 所示，在不考虑车辆荷载情况下围岩的塑性区及竖向位移场如图4、图5。

图3 下伏巷道路基稳定性计算模型

图4 下伏巷道路基围岩塑性区

图5 下伏巷道路基围岩竖向位移场

由图4 及图5 可知，在开挖后巷道围岩塑性区呈两帮及顶部拉剪破坏，顶部围岩下沉量达6.36 cm，对路基的稳定性影响较大，需设置锚杆注浆对巷道围岩进行加固，以保证路基安定性。经锚杆优化计算，选取20MnSi 螺纹钢锚杆，锚杆长2.2 m，锚杆排距0.6 m×0.6 m，钢筋网度200 mm×200 mm，混凝土喷层厚度80 mm 进行喷锚加固。

4 结论

地质勘察具有较大的模糊不确定性，采用高密度电阻率法具有使用便捷、勘测结果数字化等优点而应用广泛，因此在工程实践中，采用高密度电阻率法进行隐伏采空区路基探测，并基于非线性强度准则进行稳定性分析，对采空区的处治提供了技术指导。通过本文研究，可得到如下结论:

1)本次勘察采用高密度电阻率法，方法正确、适当，所取得的成果客观、准确地反映了公路地段的工程地质条件，对湘潭鹤岭至南谷公路的建设提供了必要的技术支持。

2)通过勘察图像处理及解译可知第2、3、4、5号巷道埋深大于18.0 m，顶板厚度大，顶板为强－中风化炭质板岩，稳定性好，对路基影响较小，第1、6、7 号巷道埋深5 ～11 m，埋深较浅，巷道顶板主要为第四系覆盖层填土、碎石土和强风化炭质板岩，稳定性较差，巷道对路基存在一定的安全隐患，经数值分析知其稳定性储能不够，建议锚喷加固。

3)由于物探存在多解性，以及场地存在陡坎、房屋等，使得物探工作条件受到较大限制，因此物探解释结果受到了一定影响。建议多种勘测方法综合使用，并在公路工程项目实施中加强监测，及时反馈监测分析数据，做到动态设计与信息化施工。

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