鐵路下伏復(fù)雜采空區(qū)注漿綜合施工技術(shù)

［摘要］ 本文闡述了采空區(qū)注漿施工的基本原理，結(jié)合某在建鐵路路基下伏采空區(qū)注漿工程實(shí)踐，探討復(fù)雜采空區(qū)的注漿方案設(shè)計(jì)、施工工藝流程及工程質(zhì)量檢測等關(guān)鍵技術(shù)問題，重點(diǎn)介紹了多層采空區(qū)情況下的封孔工藝和檢測技術(shù)，為今后類似的工程項(xiàng)目的施工提供技術(shù)參考。

［關(guān)鍵詞］ 采空區(qū)； 注漿施工； 檢測

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2011 . 22. 041

［中圖分類號］F273.1；U215.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］1673 - 0194（2011）22- 0071- 02

山東省新泰市某在建二級鐵路，由于對地下煤層的長期采挖，在路基下方從地表至１８０ｍ深度范圍內(nèi)形成了３~５層采空區(qū)，跨度沿線路方向超過２千米，且水文條件復(fù)雜。由于煤層開采多為長壁式開采，回采率達(dá)８０%～９０％，且時(shí)間和空間上均有重復(fù)采動現(xiàn)象，使得采空區(qū)地表變形非常復(fù)雜，煤層采空后形成采空區(qū)，其上覆巖層工程地質(zhì)穩(wěn)定性變差，易發(fā)生冒落塌陷，在線路兩側(cè)出現(xiàn)過多處塌陷坑、路基下沉等現(xiàn)象。采空區(qū)典型地層剖面如圖１所示。因此必須進(jìn)行注漿治理以保障鐵路建設(shè)和運(yùn)營的安全。

１注漿處理方案

采空區(qū)注漿技術(shù)是利用注漿泵為動力源，把具有充填膠結(jié)性能的漿液，通過注漿管路和止?jié){系統(tǒng)注入采空區(qū)內(nèi)，以達(dá)到充填采空區(qū)，控制上覆巖層移動和地表變形的目的［１］。注漿材料一般選用水泥漿，為降低造價(jià)可按比例摻加粉煤灰，工藝簡單，可操作性強(qiáng)。

１．１注漿孔位設(shè)計(jì)

在考慮路基自重及列車動荷載的情況下，根據(jù)極限平衡法和數(shù)值模擬方法對各層采空區(qū)注漿前后的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，確定以ＤＫ２＋２００為界，往小里程方向注漿到１３煤層采空區(qū)，往大里程方向則只注漿到１５煤層采空區(qū)。

注漿孔的排距、間距根據(jù)采空區(qū)頂板強(qiáng)度、采出率、裂隙連通性等因素，綜合評判后確定。初步設(shè)計(jì)階段根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，確定注漿孔排距及孔間距如下：

排距：以既有鐵路以北首排注漿孔為起點(diǎn)，依序排列，路基范圍內(nèi)排距１５ｍ，路基范圍外（坡腳至治理范圍線）排距２０ｍ。

孔間距：既有鐵路沿線有鐵路保護(hù)煤柱范圍，孔間距２０ｍ，以外范圍路基范圍內(nèi)孔間距１５ｍ，路基范圍外孔間距２０ｍ，相鄰排孔間距交錯布置。

帷幕孔布置：每層采空區(qū)最外邊一排為帷幕孔，孔間距２０ｍ。

１．２注漿材料配比

注漿材料以水泥、粉煤灰的混合漿液為主，水泥優(yōu)選礦渣水泥或普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度不低于３２．５級，粉煤灰不低于國家三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并可按比例摻入一定數(shù)量的水玻璃。

抗壓強(qiáng)度是漿液凝固后要滿足的基本力學(xué)性能，要求工后不小于１．５ＭPａ。通過試驗(yàn)測定了漿液結(jié)石體在２８ｄ齡期時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，均能滿足工程的要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表１所示。

流動度表明漿液在采空區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散程度，流動度如果太大，漿液容易從采空區(qū)內(nèi)流失，如果太小，又不能在注漿孔周圍形成有效的注漿半徑，影響注漿效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，流動直徑在１４~３０ｃｍ為宜。

經(jīng)過試驗(yàn)，當(dāng)采用三級粉煤，水泥 ∶ 粉煤灰為２ ∶ ８時(shí)，結(jié)合不同的水灰比，并摻入一定比例的水玻璃，漿液能夠滿足注漿施工的要求，達(dá)到控制地表沉降的力學(xué)性能要求［２］。

２施工工藝流程

２．１注漿工藝及質(zhì)量要求

注漿鉆孔穿越多層煤層采空區(qū)，采用下行式分段注漿工藝，即從上往下逐層進(jìn)行施工。

鉆孔孔口直徑不得小于１５０ｍｍ，終孔直徑不得小于９１ｍｍ。開孔孔徑鉆進(jìn)基巖３ｍ后置入套管，灌注０．５ ∶ １或濃度更高的加水玻璃的水泥漿固定套管，然后下止?jié){管，待水泥漿終凝或２ｈ以后，再變徑鉆至第一個煤層采空區(qū)的設(shè)計(jì)深度，在孔口管上安裝注漿用的三通管即可注漿。該層注漿結(jié)束，待水泥漿終凝后清孔并鉆至第二個注漿段深度，仍用孔口三通管注漿直至結(jié)束。如此注漿、清孔多次重復(fù)，直至最下層采空區(qū)注漿結(jié)束（參見圖２）。

在施工過程中，如上層采空區(qū)地層情況較穩(wěn)定，采用少量水泥砂漿暫時(shí)封堵空洞或頂水鉆進(jìn)以穿透此層空區(qū)后繼續(xù)向下鉆進(jìn)，直至設(shè)計(jì)處理深度停鉆，即一次性成孔，多層空區(qū)統(tǒng)一注漿灌注。如上層采空區(qū)出現(xiàn)垮孔、卡鉆等情況時(shí)，應(yīng)先處理完該層以后再進(jìn)行復(fù)鉆鉆進(jìn)至下一層進(jìn)行處理，以減少復(fù)鉆工序，提高施工效率。

注漿施工應(yīng)先施工邊緣帷幕孔，防止?jié){液過多流失。同時(shí)根據(jù)地層緩傾的特點(diǎn)，應(yīng)沿傾斜方向從低到高進(jìn)行施工，防止?jié){液的大范圍流動。同時(shí)要進(jìn)行隔孔施工，后施工的注漿孔可兼作檢查孔，對前次注漿充填密實(shí)情況進(jìn)行檢查。

注漿過程中，由于采空區(qū)有一定的空間，漿液自流進(jìn)入采空區(qū)。當(dāng)遇到注漿量明顯較大的孔時(shí)可加入適量的沙和碎石，適當(dāng)提高漿液濃度。同時(shí)漿液比重適當(dāng)加大，以減小漿液的流動性，以確保漿液不要流出線路處理范圍太遠(yuǎn)。

對于自流注漿久注不滿或未達(dá)到設(shè)計(jì)壓力而出現(xiàn)孔口或地面冒漿，需要進(jìn)行間歇性注漿。即注一段時(shí)間，間歇一段時(shí)間，讓漿液有充分的時(shí)間凝固，充填空洞和裂隙，防止?jié){液流失，阻止冒漿情況的出現(xiàn)［３］。

２．２注漿參數(shù)及封孔工藝

注漿壓力是控制注漿質(zhì)量，提高注漿效率的重要因素，注漿壓力大小與地層結(jié)構(gòu)、空洞埋深、漿液密度等參數(shù)有關(guān)，以不使土層巖性結(jié)構(gòu)破壞為原則，壓力值隨深度增加而增大，孔口壓力值為０．０～２．０ＭＰａ。在確定的終注壓力下連續(xù)注漿１５ｍｉｎ的注入率不大于２０Ｌ／ｍｉｎ并達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，可終止注漿。

孔深入巖３米后下護(hù)管之前，將孔內(nèi)泥漿通過鉆桿由孔底至上用水泥漿充當(dāng)循環(huán)液予以置換，最終在孔口見水泥漿為止，即施行全孔替漿后下護(hù)管，并待漿液凝固后復(fù)鉆至原深度達(dá)到封孔目的。對個別加壓效果仍不良好的特殊孔，采取在孔口周圍挖出１米見方的土坑并灌入添加粗骨料的水泥漿待凝固后起二次封孔的目的。

在進(jìn)行封孔加壓注漿時(shí)，要加強(qiáng)對周圍鐵路線路、公路、民房等建筑物的巡視，以免產(chǎn)生地層鼓包、建筑物損壞等情況。

３工程質(zhì)量檢測

注漿工作局部某地段或全部結(jié)束后，一般采用鉆探和物探相結(jié)合的方法進(jìn)行工程質(zhì)量檢測。

鉆探檢查孔數(shù)目為施工注漿鉆孔數(shù)的２％～５％，檢查孔應(yīng)均勻布置，存在質(zhì)量隱患的重點(diǎn)部位宜加密布置。全孔提取巖芯，觀察漿液充填情況，詳細(xì)記錄鉆探中的異常現(xiàn)象，如掉鉆、吸風(fēng)、埋鉆等，觀察鉆孔的漏水情況，對治理效果進(jìn)行評價(jià)。

由于漿液結(jié)石體在地下水位以上時(shí)比采空區(qū)的電阻率低，在地下水位以下時(shí)則相反，可應(yīng)用電測深法檢測；采空區(qū)注漿前地震波速較低，注漿后由于充填了漿液結(jié)石體，地震波速將大幅提高，可應(yīng)用地震波ＣＴ檢測；采空區(qū)注漿前的空洞或軟土充填與注漿后的漿液結(jié)石體相比，對電磁波吸收及振幅衰減反映明顯不一致，可應(yīng)用電磁波ＣＴ檢測。

圖３所示是某檢測段視電阻率注漿前后的對比情況，可以看出，注漿后表層及深部的高阻區(qū)域明顯降低，說明該部位原來的采空區(qū)已被漿液充填，注漿效果較好。

４結(jié)論與建議

復(fù)雜采空區(qū)處理注漿前要進(jìn)行試驗(yàn)和論證，要在考慮列車重荷載的情況下確定不同區(qū)域采空區(qū)的處理深度，以節(jié)約工程造價(jià)。

施工時(shí)，盡量采用一次成孔至處理深度，各層位自下而上注漿的處理方式。對于不能一次成孔的，可采用自上而下的注漿方式，即注完上一層采空區(qū)后封孔，待漿液凝固后再進(jìn)行下一層的注漿。

注漿材料為水泥 ∶ 粉煤灰 ＝ ２ ∶ ８的配比時(shí)能夠滿足工程的要求，且配比要根據(jù)氣溫、水文及工程特點(diǎn)等現(xiàn)場條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

注漿檢測工作可采用鉆探與物探相結(jié)合的方法，鉆探可以檢測到某一點(diǎn)位的準(zhǔn)確注漿情況，物探可探明大范圍內(nèi)的注漿情況，二者結(jié)合可在節(jié)約工程造價(jià)的情況下達(dá)到良好的檢測效果。

主要參考文獻(xiàn)

［１］ 朱元武，劉鐘，劉春香，于淑雯． 采空區(qū)加固注漿施工技術(shù)應(yīng)用研究［Ｊ］． 工程勘察，２００９（１０）：９－１１．

［２］ 宋大各． 大摻量粉煤灰注漿材料性能試驗(yàn)研究［Ｊ］． 學(xué)術(shù)動態(tài)，２０１０（４）：３０－３２．

［３］ 毛紅梅． 注漿法處理采空區(qū)技術(shù)［Ｊ］． 西部探礦工程，２００８（９）：２１７－２１９．