采空區加固處治措施研究

張鵬華

（山西路橋集團國際交通建設工程有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路建設過程中，常常遇到不同類型、規模、深度的采空區，采空區的存在對路線方案和道路使用性能有直接影響。為使得地基承載力達到路基設計要求，有必要采取措施對采空區進行加固處理，減少地表下沉對路基造成的不良影響[1]。由于采空區一般埋設于地下較深部位，作業人員難以準確觀測其內部特征，采空區的變化機理、過程對地表的影響規律十分復雜，而且采空區的破壞具有突發特性，很多破壞可預測性較小，在開采完成后，采空區內部變形持續時間相對較長，一般需要幾十年甚至上百年才會發生突發性破壞[2]。處于復雜采空區的高速公路，受到地表變形和采空區頂板破壞影響較大，若是在公路穿越的采空區附近存在開采情況，影響更為復雜[3]。因此，對采空區進行處治是保證公路安全的重要方法。以下介紹采空區處治方法，并以山西某高速公路下伏采空區為例，采用注漿法進行加固，分析了加固效果。

1 工程概況

山西某高速公路穿越采空區，地層包括二疊系下統梁山組、棲霞組、茅口組，長興組，三疊系下統飛仙關組等，含煤層和采空區，高速公路覆蓋的區域受煤層采空區的影響長度達到15 km，并出現多處斷層。附近區域煤礦斷層情況如表1所示。

表1 近年揭露煤礦區的主要斷層情況

2 采空區處治方法

2.1 充填處治

充填方案是采用漿砌片石、干砌片石、井下回填料對煤層已經被開采完畢，但是頂板沒有垮塌的采空區進行處治，這種處治方法適于頂板的巖性較好，采空厚度較薄的區域。

2.2 開挖回填

當采空區位于挖方邊坡時，可以采用開挖回填方法進行處理。通過人工或機械開挖方式對路基以下相對較淺和挖方段的采空區進行開挖，開挖后采用漿砌法或干砌法進行回填。這種處治方法適用于淺層采空區和高邊坡路段采空區。

2.3 強夯加固

強夯加固治理采空區主要是針對埋置深度小于10 m，覆蓋巖層的強度較低，而且完整性較差或者頂板變形完成的路段。可以通過爆破方式將頂板巖石破碎用于填充，并強夯加固。

2.4 壓力注漿

對于地質情況比較復雜、采空區勘查不夠精確、采空區呈多層分布或者難以使用回填、充填方式進行處理的路段[4]。通過機械方式在采空區頂板的裂隙帶和冒落帶注入具有膠接性能和充填特性的材料，并具有一定強度特性來完成加固處理。

2.5 橋跨穿越

當煤層開采規模小，開挖深度小于100 m的采空區一般采用梁、板、橋梁等方式進行跨越。橋跨穿越法主要包括樁基穿越和橋梁跨越兩種方式，可根據具體情況確定相應的方案，情況需要對樁基部位進行注漿處理。

3 采空區處治方法選擇

采空區處治方案的選擇首先根據公路工程對地基要求結合經濟、技術、地質條件進行選擇，本項目根據圖1所示的程序選擇采空區處治方法。

圖1 采空區加固處治方案選擇程序

根據以上程序，某地區地質情況較為復雜，而且許多采空區勘查難度相對較大，采空頂板存在冒落帶和裂隙帶，結合實際情況選擇壓力注漿法對采空區進行加固處理。

4 注漿材料優化設計

確定采用注漿法對采空區進行加固后，對注漿材料的配合比進行優化設計。根據實際情況，采用水泥、粉煤灰、水進行配合比設計，并對水灰比、固相比與黏度、結石率、抗壓強度之間的關系進行優化設計，試驗結果如表2所示。

表2 注漿材料配比試驗結果

4.1 固相比—水灰比—黏度關系

黏度是評價注漿材料流動性能和施工和易性的重要指標，黏度必須控制在一個合理范圍內，過大則導致流動性困難，無法良好填充裂隙和孔隙，太小則不能達到強度要求。根據表2所示的試驗結果，提取固相比—水灰比和黏度數據繪制曲線如圖2所示。

圖2 注漿材料固相比—水灰比—黏度關系曲線

從圖2所示曲線可以看出，在同一固相比和水固比時，隨著粉煤灰含量的增加，漿液的黏度逐漸呈降低趨勢，只有水固比在1∶1.0時，黏度是先有個輕微的降幅，然后增大。這就說明粉煤灰能夠減小注漿材料的黏度，增強流動性能。

4.2 固相比—水灰比—結石率關系

對于注漿材料而言，材料的結石率是評價其加固性能的重要指標，一般情況下結石率較高的注漿材料才能起到良好的防滲和填充加固作用。根據表2所示的試驗結果，繪制灌注砂漿的固相比—水灰比—結石率的關系曲線如圖3所示。

圖3 注漿材料固相比—水灰比—結石率關系曲線

根據注漿材料固相比—水灰比—結石率的關系曲線可知，在同一固相比條件下，固體含量的增多，水固比的減少有利于結石率的提高，同等條件下，粉煤灰含量為80%時的結石率相對而言最低。而粉煤灰含量為70%左右的時候，結石率均超過了78%，而且最大結石率達到92.9%，也是在粉煤灰含量為70%時出現。

4.3 固相比—水灰比—抗壓強度關系

注漿材料結石體的強度是影響注漿后巖體力學性能的直接指標，也是評價注漿效果的重要參數。根據表2所示的試驗結果，提取固相比—水灰比—抗壓強度試驗數據，繪制抗壓強度變化曲線如圖4所示。

根據注漿材料固相比—水灰比—抗壓強度關系可知，在同等固相比條件下，隨著漿液濃度的升高，材料的28 d抗壓強度逐漸增大，水固比為1∶1.4時的整體抗壓強度均最大，而水固比為1∶1.0時的抗壓強度最小。

通過對注漿材料的黏度、結石率、結石體抗壓強度等指標的測試得出，水固比最佳比例范圍應該控制在1∶1.2～1∶1.4之間為宜，而水泥占水固比的比例為10%～20%左右時，其流動性能、強度性能都能夠滿足設計要求。

5 注漿范圍計算與施工

5.1 注漿范圍計算

注漿范圍直接影響注漿加固效果以及工程造價，根據采空區的埋藏深度和分布情況以及頂板覆蓋巖層的力學性能計算采空區注漿范圍，計算簡圖如圖5所示。

圖5 注漿長度與寬度計算示意圖

根據圖5中a圖所示注漿計算范圍示意圖，結合公式（1）對注漿處治寬度進行計算[4]。

式中：B為注漿處治寬度，m；D為路基寬度，m；d為公路維護帶寬度，m；φ為松散層移動角，（°）；δ為礦層下山方向巖層的移動影響角，（°）。

根據圖5中b示意圖，結合公式（2）對采空區的處治長度進行計算。

式中：L為處治長度，m；H1為采空區下山覆蓋巖層厚度，m；H2為采空區上山覆蓋巖層厚度，m；β為礦層下山方向巖層移動影響角，（°）；γ礦層上山方向巖層移動影響角，（°）。

根據以上公式，結合工程實際情況計算出采空區K8+320—K8+500路段的處治寬度、深度以及面積如表3所示。

表3 采空區處治部位面積計算結果

5.2 注漿量計算

確定采空區注漿加固范圍后，應該對注漿量進行計算估計，注漿量采用公式（3）計算。

式中：A為注漿漿液耗損系數，取值1.0～1.2；S為采空區加固處治面積，m2；M礦層的平均采厚，m；△V為采空區的剩余孔隙率；η為充填率，%；c為漿液結石率，根據試驗確定或取值70%～90%；α為巖層的傾角。根據公式（3）計算出所需注漿量如表4所示。

表4 采空區處治注漿量計算結果

5.3 注漿施工

注漿施工時采用先稀后稠的順序進行，注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa之間，采用文中第4節進行優化設計后的漿液進行壓力注漿。注漿過程中根據采空區的裂隙、孔隙以及埋深情況具體確定注漿壓力，并及時調整漿液濃度，注漿孔口壓力保持1.0～1.5 MPa注入一定漿液之后可以適當增大壓力，當孔口壓力大于3 MPa時，而且地表的裂隙已經出現大量冒漿的現象時可以結束注漿施工，并使其穩定10～15 min。所有注漿程序完成后，對注漿區域進行養護，待到注漿加固區域強度達到設計要求后便可進行下一步施工作業。

6 加固效果檢驗

為進一步評價注漿法處治該公路下伏采空區的處治效果，對注漿處治前后的采空區的性能進行測試。通過鉆探取樣，對加固后前后各層位巖石強度；采用高密度電阻率勘探法[5-6]，檢測注漿前后各地層的電阻率變化情況，并分析注漿范圍和注漿層位。勘探檢測結果如表5所示。

表5 采空區加固效果檢測結果

根據試驗結果，通過注漿加固后，巖層的強度性能得到提高，不同巖層的提高幅度各不相同，其中石灰巖強度指數提高幅度最大值達到4.24 GPa，泥巖的強度提高幅度相對較低。深度越深，強度指數升高幅度有所降低，但不是特別明顯。通過注漿加固后，巖層的電性得到很大改善，注漿前，由于地下采空區裂隙帶比較發育，巖層的電性變化比較復雜。注漿加固后，由于漿液黏結作用使破碎巖體固結成為整體，致使電性變化趨于穩定狀態。注漿后，電阻率參數均較注漿前有所降低，其中石灰巖段電位與注漿前相比降低了3倍左右。說明注漿加固改善了巖體的整體性能。

7 結語

通過對采空區處治方法以及最佳處治方案確定程序的介紹，并以山西某高速公路下伏采空區處理為例，分析選用注漿加固方法處理，然后對注漿方案進行優化設計，計算采空區處理范圍、注漿量，闡述了注漿施工技術，并對注漿加固效果進行評價，最終得出：

a）采空區加固方案的確定需采空區提供的地質條件、地基強度要求、處理原理、工程經驗以及機具設備、材料供應等方面的因素；

b）采用注漿加固法對高速公路下伏采空區進行加固處治效果良好，對巖層強度性能的提高最大能達到4.24 GPa；

c）注漿后，各巖層的電阻率均有所減小，石灰巖最大降低幅度達到3 346.8 OHM·M，處治后的巖層整體性、穩定性和強度性能良好。