高速公路穿越矿区段工程的地质条件研究

摘要：在道路的设计及修建过程中，往往会遇到各种工程地质类的难题。其中，高等级道路穿越煤矿采空区，则为一种近年来越来越备受关注的工程地质难题。道路下伏存在采空区，将会对工程建设埋下巨大的安全隐患，也会造成难以估量的经济损失。基于工程案例，针对某高速公路穿越矿区段采用综合勘察方式开展地质勘察工作，查明道路穿越煤矿区段工程地质条件，分析评价路基稳定性，从地质选线角度为路线方案设计做出有力支撑。

关键词：高速公路；采空区；工程勘察；地质评价

0" "引言

随着国家基础设施建设的蓬勃发展，高速公路作为现代交通的重要组成部分，其建设规模与速度不断刷新历史记录。作为连接经济区域、促进地方发展的重要纽带，高速公路的选址与设计不仅需要考虑经济效益和交通便捷性，更需深入探究沿线地质条件，确保工程安全、环境友好及可持续发展[1-3]。

本文聚焦于实际工程案例，旨在通过细致而全面的勘察与研究，从地质构造、岩层特性、水文地质条件、穿越矿区下部地层稳定性等多个维度出发，采用多种勘察方式相结合的方式，对该高速公路穿越矿区段的地质条件进行综合评价，为工程设计与施工提供科学指导，力求实现经济效益、社会效益与环境效益的和谐统一[4]。

1" "工程地质条件

项目位于新疆吐哈盆地中央隆起带东部丘陵区，地貌属典型的风蚀残丘及戈壁滩。总体地势呈北高南低，海拔在350～500m左右，平均海拔450m左右。区内无大的冲沟和常年性水流，仅可见由暂时性水流形成的近南北向的小冲沟，地表植被不发育。区域内的煤矿资源在板块构造运动的影响下，形成了独特的“几”字状分布格局，总体走向大致沿东西方向延伸。因多年煤矿开采，在南部地表形成数个大小不等的塌陷坑，最大塌陷深度接近10m，这一现状对区域地质环境构成了不可忽视的影响。

本标段路线K308+809～K310+992段穿越该煤矿区，路线在本段呈近南北走向，全长约2183m。区内发育地层主要为侏罗系三工河组、西山窑组、头屯河组、齐古组和八道湾组地层，岩性以粉砂岩、细砂岩、泥岩和黑色煤层为主。主要含煤地层为中侏罗统西山窑组和八道湾组。

2" "综合勘探方式在采空区的应用

2.1" "区域资料综合分析

目前采空区勘察，国内外主要是以采空情况调查、工程地质钻探、地球物理勘探相结合的方式为主[5]。针对煤矿采空区的调查，资料收集及实地走访调查是必不可少的一项内容，也是至关重要的一步。详实的前期资料收集、分析、走访调查，可为后续勘探工作开展起到指导作用。

项目勘察前期，通过开展大量工作，收集到了最新的《矿区总体规划》（以下简称“规划”）以及老旧关停煤矿矿区拐点坐标、井口位置及开采巷道图；同时，走访部分老矿工人及相关负责主体。通过资料分析及实地走访，初步得出路线穿越矿区存在以下几点特征：路线所穿越区域为断裂构造控制的无煤带，受断裂构造错断影响，该断裂区域内煤层不发育，无开采痕迹。距离路线最近的某煤矿矿权东边界距拟建路线中线约690m。在实地调查过程中发现，该煤矿存在超挖偷采情况，实际矿权东边界以东360m范围内仍存在地表塌陷情况。《规划》报告中明确：本项目路线穿越的走廊带内同时规划有国省干道一条、高压电线两条，规划走廊带内预留煤柱，宽约350m。

2.2" "工程地质调绘

为了验证《规划》报告中的资料准确性，开展现场实地工程地质调绘是必不可少的环节。通过现场工程地质调绘，查明路线穿越区域的塌陷范围、构造特征、地层岩性、水文条件等，可为后期合理制定勘察方案作出指导。本项目勘察期间，针对穿越该段矿区段路线两侧不小于200m开展工程地质调查，查明在路线两侧200m范围内无塌陷、空洞等不良地质现象。可见断裂构造露头，呈近南北走向，倾向北西，断层两侧地层不连续，被错断。路线近平行该断裂带通过。通过现场工程地质调绘、卫星图像遥感解译等相结合方式，基本验证查明了断裂所在位置。断裂构造地貌现状如图1所示。

2.3" "综合物探测试分析

在采空区勘察中，综合物探方式的应用可以为后期勘察工作的开展起到较好的指导意义。通过采用物探技术，利用地下介质不同的物理特性，反应地下深部地质特征，将电性成果转化为地质成果，推测地下岩层的性质与形态，从而进一步勘察出工作区内地下采空区的空间位置分布情况[6]。针对本项目路线穿越煤矿区段，本次采用音频大地电磁法及高密度电法相结合的方式开展勘察。

2.3.1" "音频大地电磁法测试分析

在勘察沿路线走向一致方向，布设音频大地电磁（AMT）物探测线一条，其长度约为2.25km，测点间距50m。大地电磁探测过程中，利用项目区泥岩、泥砂岩、砂岩内暗穴或空洞与岩体间存在着较大的物性差异特点，可较好的识别出深部地质特征。

当地层深部存在空洞且充满空气时，理论上电阻率趋于无穷大。坍塌后的空洞一般表现为相对高阻区，而泥岩、泥砂岩、砂岩的电阻率一般为50Ω·m以下。探测场地地层较为连续，为连续低阻，对于突然出现的高阻异常区，推测为采空区及采空异常区。根据音频大地电磁成果，将路线穿越煤矿区域发育视电阻率异常区。大地电磁物探成果剖面如图2所示。

大地电磁法在测试过程中，利用天然电磁场作为场源，通过分析地磁场的变化来研究地下电性结构，探测地下深部地质构造和异常体，可达到较良好的效果，但其对于地下浅部异常区却收效甚微。因此采用多种物探测试方法开展勘察验证工作更为科学有效。

2.3.2" "高密度电法测试分析

电法勘探就是通过测定地下不同地点、不同深度的电阻率的差异，来达到寻找目标地质体的目的。利用电法勘探解决地质问题的前提条件，是目标地质体和围岩存在电性差异。

正常地层的高密度断面图上视电阻率等值线应呈层状伸展，但当有采空区存在时，就会破坏这种连续性，使等值线出现扭曲折、凹陷或台阶状异常。同时若采空区顶板与底板岩层间形成一定空隙，破坏了底层的完整性、连续性，该处电阻率会明显比同一深度两侧视电阻率高，表现出明显的高阻特征。当采空区的空隙被水或者泥质充填，其视电阻率呈低阻反应。

勘察过程中，根据煤矿区情况，在基本平行于公路沿线方向左右侧50m各布1条高密度电法测线。测试过程采用温纳装置，基本电极距为5m，隔离系数为19，供电电压不小于360V，以保证较高的信号分辨率和较强的抗干扰能力。单一排列均采用60根长约30cm的铜电极，入土深度大于20cm，对每个电极进行浇盐水处理，以保证电极的可靠接地。

W1测线高密度电法反演剖面图如图3所示。W2测线高密度电法反演剖面图如图4所示。W3测线高密度电法反演剖面如图5所示。W4测线高密度电法反演剖面如图6所示。由图3至图6可知：本次测试反演所获的电阻率断面图，均客观地反映了测试剖面地表面以下垂直和水平方向的岩层结构变化特征[7-9]。

由图3至图6还可以看出，电阻率横向变化不大，电阻率等值线较平缓，水平方向上未出现晕团状高阻异常区。纵向浅部电阻率值低，深部视电阻率值高，电阻率值随埋深逐层递增，推测浅部为角砾或风化程度较高的基岩，主要表现为低阻特征。深部为完整程度较高的基岩，主要表现为相对高阻特征。电法探测深度范围内未见采空区异常。

2.4" "钻探验证分析

为了进一步验证音频大地电磁物探异常区是否为采空区，对异常集中区布设钻孔进行验证分析。物探验证钻孔位置如图7所示。钻探岩芯如图8所示。

钻探验证表明：地层岩性主要以砂岩、粉砂岩为主，钻机钻进过程中无漏浆、掉钻情况出现。在64.2～66.0m、74.5～76.0m、79.4～82.0m、86.6～88.5m处存在较为明显的断层角砾岩及断层泥，岩芯破碎，局部可见断裂蚀变带。该钻探验证了大地电磁测线剖面中电阻异常为断裂带造成，同时钻孔揭露地下水水位埋深为36m，也为高密度电法探测中低阻异常区做出合理解释。

3" 结束语

道路下伏存在采空区，将会对工程建设埋下巨大的安全隐患，也会造成难以估量的经济损失。采空区作为一种特殊的地质病害，具有较强的隐蔽性，勘察难度大。只有采用多种勘察方法的综合运用，相互验证，相辅相成，方可取得准确的勘察成果，为设计提供详实依据[10-11]。

本文结合实际工程案例，通过采用多种勘察方法相结合的方式，对路线穿越矿区段道路路基稳定性进行详细勘察评价，取得了良好的勘察效果，为道路设计提供了详实可靠的设计依据。

参考文献

[1] 王亚威.高速铁路大面积密集煤矿采空区工程地质勘察及评价[J].施工技术（中英文），2022，51（5）：80-84.

[2] 何玉海.高密度电法在小煤窑采空区勘察中的分析应用[J].华北地震科学，2020，38（S1）：63-66.

[3] 刘伟，胡华敏.采空区公路勘察综合勘察方法运用[J].西部探矿工程，2018，30（12）：13-16.

[4] 王玉标.高速公路下伏采空区处治方法分析总结[J].中国市政工程，2018，（3）：72-75+120.

[5] 白兰，魏颖琪，李雪.几种勘探手段在高速公路采空区勘察中的综合应用[C]//中国石油学会石油工程专业委员会，中国石油学会石油工程建设专业标准委员会.中国石油石化工程建设创新发展大会--石油天然气勘察技术第二十六次技术交流研讨会论文集.西安长庆科技工程有限责任公司，2018：5.

[6] 娄梦梦，朱威权.综合物探方法在煤矿采空区场地勘察中的应用研究[J].河南城建学院学报，2018，27（3）：64-70

[7] 闫铁生.某公路场地采空区勘察及稳定性评价[J].中国水运（下半月），2012，12（11）：212-213+215.

[8] 卢小超.公路下伏采空区综合勘察研究[J].江西建材，2014（9）：197-198.

[9] 姜勇军.简析路基采空区治理[J].科技与创新，2014，（5）：75+79.

[10] GB51044—2014（2017年版），煤矿采空区岩土工程勘察规范[S].

[11] JTGC20—2011，公路工程地质勘察规范[S].