某高速公路連接線公路采空區治理方法研究

潘希峰 于先偉

1 采空區概況

該項目所經采空區為采煤形成,煤礦性質多為村辦煤礦,所采煤層為3號、9號、15號煤層,開采方式基本采用房柱式或巷道開采,回采率在25%～50%之間,采空區平均埋深在80 m以內,木頭點柱支護,采后不回撤。K4+000～K4+450路段采空區為30年前開采15號煤層,煤層厚度 1 m,回采率 25%,采空區平均埋深60 m,其上覆工程類型為路基,最大填筑高度2 m,考慮其停采時間較長,回采率低、空洞體積小等特點,該段落本次設計不處理,設置相應的警示標志,進行動態沉降觀測。其他路段經綜合分析計算,采空區剩余傾斜值、曲率值和水平變形值等均大于允許變形值要求,采空區欠穩定～不穩定,采空區對路線影響較重～嚴重,需進行注漿治理。

2 采空區治理

2.1 充填骨料

本項目采空區尚未塌陷,采用鉆孔內邊投干料充填,邊注漿或水的施工方法。鉆孔內濕骨料充填施工流程圖如圖1所示。

投入孔內骨料為機制砂,要求其最大粒徑應小于1.0 cm,且其物質成分不應含有影響漿液凝結的部分。

2.2 注漿布孔方式

注漿孔按均勻布孔方式布設。考慮采空空洞直通性較好,故路基范圍內注漿孔沿路線方向孔距為25 m,路基范圍寬度內排距為25 m;路基范圍以外,注漿孔孔距及排距均為25 m～30 m,注漿孔平面布置呈“梅花形”;注漿區域周邊為帷幕孔,孔距為15 m。

2.3 注漿材料

水泥粉煤灰漿注漿材料為水、水泥、粉煤灰及速凝劑等。水泥粉煤灰漿的水固比為1∶1～0.6∶1,水泥采用32.5號礦渣水泥,其含量占固相的15%。帷幕孔須在漿液中摻加水泥重量2%的速凝劑。在正式施工前,應按施工時使用的水泥、粉煤灰,在實驗室進行漿液配比試驗,分別檢測相應的漿液密度、結石率、初終凝時間、7 d與28 d的無側限抗壓強度等。

2.4 止漿方法

本治理路段為單層采空區,采用似法蘭盤止漿。采用直徑不小于80 mm的鋼管作為注漿管,將一端焊接一個大小與開孔孔徑相接近的法蘭盤,下入注漿孔變徑處,用少量碎石黏土將法蘭盤與孔壁之間的空隙封堵,然后采用1∶2水泥漿或42.5號快硬水泥稠漿將注漿管與孔壁膠結在一起,水泥漿灌注高度不小于8 m。

2.5 鉆進及成孔工藝

注漿鉆孔(含注漿孔和帷幕注漿孔)開孔直徑為130 mm,鉆至基巖5 m后,下入φ 127 mm套管護壁,變徑為91 mm鉆至采空區中的垮落帶或煤層底板以下0.5 m終孔。鉆孔成孔之后,澆筑孔口管。下套管后的基巖鉆進,一律用清水中循環液。每個注漿鉆孔至少測孔斜一次,終孔孔斜要求不超過2°。全取芯孔(檢查孔)為注漿鉆孔的3%～5%,采空區上部覆巖部位巖芯采取率大于50%,而采空塌陷區巖芯采取率不小于30%。

2.6 注漿工藝

1)注漿段長度為變徑后至終孔的(煤層底板以下0.5 m)那段長度。2)注漿前每孔應進行壓水試驗,采用清水沖洗鉆孔,壓水時間不小于10 min,將受注段巖石裂縫、裂隙中的充填物帶走,使漿液擴散范圍加大;同時,計算巖層的單位吸水量,以選擇漿液材料濃度和壓力。設計暫按每孔用水5 m3計量。3)漿液的濃度,應遵循由稀到濃的原則,逐級改變,結束時又略變稀。初始濃度根據壓水試驗中巖層的單位吸水量確定：吸水量(L/min)：0.5～1,1～5,5～10,＞10;初始濃度(水固比,水泥占固相 15%)：0.7∶1,0.4∶1,0.2∶1,0.1∶1。4)注漿孔采用連續注漿和間歇注漿相結合的方法;帷幕孔采用間歇注漿,但當吃漿量很小或采空區裂隙、空隙不發育時,也可采用連續注漿法注漿。5)當注漿量大或采空區裂隙、空隙較大時,采用間歇注漿法注漿,或在孔口加一漏斗狀的投砂器,用漿液將砂或礦渣帶入孔內,有時或在漿液中加入少量速凝劑(1%～2%的水玻璃)。6)當注漿壓力保持不變、吸漿量均勻減少時,或當吸漿量不變,壓力均勻升高時,注漿工作應繼續進行,不得改變水固比。7)單孔注漿結束標準：在注漿孔灌漿末期,泵壓逐漸升高,當孔口管壓力在1.0 MPa～1.5 MPa,泵量小于70 L/min(穩定在50 L/min～70 L/min),穩定10 min～15 min以上,即可結束該孔注漿施工。

2.7 主要技術要求

鉆孔施工過程中,做好鉆探原始記錄和巖芯編錄工作,如發現漏水、掉鉆、埋鉆等現象要詳細記錄其深度、層位和耗水量。漿液配制應按設計漿液配合比進行,并隨機抽查漿液的各項指標。注漿開始后,要定時觀測泵的吸漿量和泵壓,記錄注漿過程中發生的各種現象,收集原始數據,并根據實際情況及時調整注漿量和漿液濃度。施工順序：帷幕孔先于注漿孔施工,施工過程中可根據各孔的注漿情況調整注漿孔的位置。按地層傾斜方向,先施工采空區底板標高較低位置的注漿孔及構造物工點處的注漿孔,再沿反方向由低到高、由邊部向中心展開施工。

2.8 注漿質量檢測

在采空區注漿治理施工結束4個月～6個月后,進行工程質量檢測,檢測方法為鉆探取芯。注漿工程結束4個月～6個月后,采用鉆探取芯法進行工程質量檢測。布設并鉆進11個檢查孔,根據鉆探巖芯采取率和巖芯的破碎程度,判斷漿液結石體與圍巖的膠結程度;根據鉆進過程中的循環液消耗量及孔內壓水量,判斷漿液對破碎巖層充填和膠結后的完整程度。通過對漿液結石體的巖芯,了解漿液在地下的終凝固結程度,并對結石體進行室內抗壓強度試驗,檢驗其強度是否滿足設計要求。

2.9 動態設計及施工安全

采空區治理始終堅持動態設計理念。本段采空區為現采工作面,治理施工前應與煤礦協商,了解實際的采掘情況,并在全取芯孔(檢查孔)揭示的地層情況的前提下,及時調整采空區的治理范圍、回采率、充填骨料數量、注漿數量以及注漿工藝等。充填骨料及注漿工程量等應以實際發生為準(監理現場確認,并經業主同意)。止漿墻施工過程中應注意安全,同時本段采空區為現采區,注意與煤礦開采單位、建設單位等妥善做好施工安全相關事宜,確保施工安全。

3 結語

1)前期勘察工作的準確性直接決定著采空區治理的效果,因此,采空區的勘察,應根據調查及物探情況加密采空區驗證孔,明確采空區的范圍、深度、煤層厚度、回采率。2)采空區治理屬隱蔽工程,治理過程中應加強現場監理工作,準確計量充填骨料數量及注漿數量,驗證勘察成果。3)加強橋下采空區治理,避免后期因采空區治理不到位而產生橋梁下沉,給整個工程造成不良后果。

[1]山西省交通廳,中交通力公路勘察設計工程有限公司.高速公路采空區(空洞)勘察設計與施工治理手冊[Z].2005.

[2]JTG F10-2006,公路路基施工技術規范[S].

[3]JTG D30-2004,公路路基設計規范[S].

[4]袁材棟,薛 紅.古鴛線某段古窯采空區穩定性分析[J].山西建筑,2008,34(4)：307-308.