成自瀘高速公路橋梁下伏采空區治理措施研究

郭倫波

（中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031）

四川成自瀘高速公路途徑省內威遠縣，該地煤炭資源豐富，煤層開采歷史久遠，小煤窯眾多，采空區范圍分布較復雜。根據地勘資料顯示，境內蔣家灣大橋通過地層為三疊系上統須家河組第一段（T3xj1）上、中、下元炭采空區，以下元炭為標志，開采煤層高程為＋527～537m。中元炭距下元炭4m左右，上元炭距中元炭5m左右。采高一般在0.7m左右，埋深0～25m。

蔣家灣大橋橋梁全寬24.5m，左右幅分修。上部結構采用7～25m裝配式預應力混凝土簡支T梁，下部結構采用雙柱式橋墩、肋板式橋臺及樁基礎。

為了防止采空區地層的垂直移動變形及水平移動變形對橋梁基礎的影響，須對橋梁下伏采空區進行治理。

1 采空區治理方法

采空區的處治技術首先要安全可靠，同時也要注意施工設備與施工技術的復雜程度及技術經濟上的合理性。深采空區與淺采空區的治理方法往往不同。

淺層采空區可采用開挖回填及強夯法。首先將采空區全部挖除，徹底清除采空洞對橋梁基礎的影響，采用高密度的砂石土或碎石土進行換填，同時輔以強夯處理，加速土體的橫豎向穩定。該方法施工工藝簡單、周期短、造價低，但其缺點是開挖量太大，并且僅適用于淺層采空區路段。

深層采空區一般采用對地下采空區進行全部充填或在地下采空區內灌注支撐的方法，減少采空區上部巖土層因高速公路修建及運營而產生的沉降。根據其加固原理的不同，又可分為支撐式加固法和充填式加固法。

（1）支撐式加固法。其原理與煤柱支撐式開采相同。采用支撐式加固法的前提是頂板堅硬，完整程度高，厚度較大。符合這些條件，且具備洞內人工施工條件的地下空洞，可用柱墩式支撐構件支撐空洞頂板；在不具備洞內人工施工條件的地下空洞，可通過鉆孔將混凝土用泵送入洞內，在采空區頂底板之間形成柱墩式支撐。

（2）充填式加固法。其原理是用外來材料充填采空區，承擔起原來煤層作為受壓層的功能。在洞內具備人工施工條件時，可采用干砌或漿砌片石充填，否則，可以通過鉆孔壓入水泥漿、水泥砂漿、水泥粉煤灰漿、水泥粘性土漿以及其他材料的拌和漿，充填采空區。在洞內施工用干砌片石充填，工程造價較低，應優先采用。但對于老采區，尤其富水地區，一般不具備洞內施工條件，只能利用鉆孔對采空區進行灌注，所以國內對老采空區處治用干砌或漿砌片石充填的較少，用注漿充填的居多。該治理方案已在江蘇徐州、陜西、河南等地取得了成功的工程實例，但最大的注漿深度小于300m。在205國道萊蕪至新泰高速公路萊蕪連接線煤礦采空區治理方案設計中，其煤層埋深在300～600m，也采用了注漿方案。

目前，國內外對不穩定的老采空區加固一般采取灌漿法。如美國賓夕法尼亞西部城市有幾座建筑物下采空區就是采用了灌漿充填法及灌漿支撐法控制建筑物沉降。美國懷俄明州煤炭儲量豐富，采礦歷史悠久，為控制采空區大面積地表沉降，使用了灌漿法進行處治，效果良好。前蘇聯地質注漿專業公司也用灌漿技術成功地處理了一些礦井大樓下伏采空區。目前國內部分有關采空區治理情況見表1［1］。

表1 下伏采空區治理情況一覽表

2 蔣家灣大橋下伏采空區治理措施

選擇治理方法時，應根據上述條件，結合實際情況綜合考慮。蔣家灣大橋段為上、中、下元炭煤層采空區，煤層頂板及覆巖為砂質泥巖、粉砂巖、泥巖地層，煤層傾角較小，開采方法為巷柱式采煤法。各煤層采高在0.7m左右。為20世紀60～90年代開采的老窯范圍，停產至少10年以上，據經驗估計，絕大部分急劇變形已完成，但部分采空區仍存在凈空。

根據上述情況，很明顯開挖夯實方法不適用，經過綜合考慮，擬對本橋下伏采空區進行注漿處理。

2.1 治理范圍的確定

采空區治理范圍應包括治理的路幅寬度（垂直公路中線方向）加圍護帶寬度20m（保護等級為I級），再加按覆巖移動角（取60°）影響范圍和治理的橋梁長度按橋梁長度加20m圍護帶，再加覆巖移動角（取60°）影響范圍進行計算。參照國家煤炭工業局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（煤行管字［2000］第81號）進行計算后確定［2］。

采空區的治理深度為鉆孔鉆至煤層底板以下3m處。

2.2 注漿材料

（1）注漿材料及其技術指標。水，應符合拌制混凝土用水要求，pH值大于4；水泥，水泥標號不應低于425號，應優先選用礦渣水泥。

（2）外加劑技術指標要求。水玻璃，模數宜為2.4～2.8，濃度宜為30～45波美度。在注漿前應做水泥水玻璃漿液的凝結配比試驗。

2.3 注漿設備及機具

（1）鉆機。鉆機應根據采空區的巖層結構、巖性、注漿孔或帷幕孔的結構、止漿技術等要求進行選擇。

（2）攪拌機的轉速和制漿能力應與工程量、漿液類型和注漿泵的性能相適應。

（3）每個注漿站的注漿泵不應少于2臺，其最大排漿量應滿足采空區注漿和施工進度的需要；其最大泵壓宜不小于4MPa。

（4）注漿管路及其連接部位，必須能承受最大注漿壓力的1.5～2倍。

（5）注漿泵、注漿孔（或帷幕孔）孔口處必須安裝壓力表。

（6）水泵宜選用潛水泵。

2.4 注漿鉆孔

（1）鉆孔布置。注漿孔（或帷幕孔）的孔距應根據漿液的擴散半徑來確定。本橋惟幕按10m間距，注漿孔按15m間距進行設計。①帷幕孔。帷幕孔為采空區四周最外的一圈孔，在注漿時應加水玻璃，水泥與水玻璃用量的體積比一般為1∶（0.6～1），使其漿液快速凝固形成惟幕，在注漿孔注漿時，漿液不致流走；②注漿孔。除去帷幕孔后的其他注漿孔。其他注漿孔所注漿液不加入速凝劑。

（2）鉆孔結構及技術要求。①孔深。注漿孔或帷幕孔應鉆至采空區（或煤層）底板以下3m處；②孔徑。鉆孔開孔孔徑為150mm，經1次或2次變徑后，終孔孔徑不應小于90mm；③變徑位置。注漿孔和帷幕孔均應鉆至中風化巖層3m以下后變徑；④取心孔。取心孔的數量應為注漿孔和帷幕孔總數的3%～5%，采空區部位巖心采取率不應小于30%；⑤注漿管徑。應選用直徑不小于50或127mm的鋼管。

（3）注漿。建議采用間歇式注漿法。本橋治理多層采空區，宜采用自上而下（簡稱下行式）的分段注漿法。

（4）注漿及其相關參數。①漿液配比。漿液的濃度使用應由稀到濃，逐級采用5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.7∶1，0.6∶1等7個濃度比級，可選用其中3個或4個濃度比級；②注漿壓力。孔口壓力在2～3MPa，穩定10～15min；③結束吸漿量。當泵量小于30L／min時，可結束該鉆孔的注漿施工；④漿液結石體強度。對于高速公路、橋梁、涵洞等構造物，漿液結石體的無側限抗壓強度不應小于0.3MPa；⑤注漿量。注漿總量可按下式計算

式中：Q總為采空區總注漿量，m3；A為采空區治理面積，其值為采空區治理長度與采空區治理寬度的乘積，m2；S為采空區煤層厚度，m，取0.7；m為注漿總量漿液損耗系數，取值在1.0～1.5之間，取1.3；η為注漿充填系數，取值在0.75～0.95之間，該值宜根據公路工程的性質確定，對于路基范圍內的采空區取值在0.75～0.85之間，取0.80；C為漿液結石率，取值在0.7～0.95之間，取0.9。

硬炭采空區面積：3 457m2。

注漿量：1.3×3457×0.7×0.80／0.9＝2 796m3。

中元炭采空區面積：4 486m2。

注漿量：1.3×4 486×0.7×0.80／0.9＝3 628m3。

下元炭采空區面積：9 686m2。

注漿量：1.3×9 686×0.7×0.80／0.9＝7 834m3。

全橋總注漿量：14 258m3。

單孔注漿量可按下式計算

式中：Q單為采空區單孔注漿量，m3；A為單孔注漿量漿液損耗系數，取值在1.2～2.0之間；R為漿液有效擴散半徑，按孔距的一半計算，m；其他符號意義同上式。

3 注漿效果的檢查

公路行業的礦床采空區注漿治理工程屬隱蔽工程，對它的質量控制一直是個難題。目前用于工程質量檢驗的技術和方法主要有物探、鉆探取心及室內試驗、鉆孔壓水試驗、地表變形觀測等。

3.1 物探

物探檢測技術是采空區治理工程施工完成后對工程質量檢驗的重要方法。常用的方法有孔內波速測井法、瑞雷波法、瞬變電磁法、高密度電法等。

3.2 鉆探取心與室內試驗

鉆探取心是采空區治理工程質量檢測工作中的主要技術和方法［3］，并能為孔內物探檢測和壓水試驗提供工作平臺。

鉆孔檢測還應進行壓水試驗，以注漿前后單位時間內單位長度消耗的水量評價漿液對巖石裂隙的充填膠結程度。當水的消耗量超過單孔注漿結束標準的吸漿量時，必須進行補充注漿，確保工程質量。

3.3 檢測結論

（1）對檢查孔中取出的漿液結石體巖心進行彈性波測試，波速大于160m／s時為合格。

（2）檢查孔取心進行抗壓強度測試，大于0.2 MPa為合格。凡檢查不合格者均應重新補孔注漿。

（3）蔣家灣大橋采空區處理注漿效果經檢驗，大部分是合格的，其處理效果達到預期目標。

4 結語

（1）公路下伏采空區處理屬隱蔽工程，由于其施工控制較難、隨機性太大，實際效果不一定能夠完全達到預期，并且其治理措施費用很高，所以一般情況下，高速公路盡量選擇調線繞避采空區方案，無條件繞避時，應采取有效措施對其下伏采空區進行處理。

（2）公路下伏采空區處理方式多樣，應綜合考慮場地情況、施工方法、工程造價等選擇合理的處理措施。蔣家灣大橋采用鉆孔注漿法加固，據該橋現在運營情況表明，該加固處理方法效果較好，樁基未出現任何沉降現象。

（3）采空區地段的橋梁設計，應特別重視采空區地基注漿加固，加強注漿過程中探灌結合，加強對注漿質量的檢測，保證橋梁結構的安全。

［1］郭文兵，柴華彬.煤礦開采損害與保護［M］.北京：煤炭工業出版社，2008.

［2］耿玉玲，賈學民.高等級公路下伏采空區治理優化和治理效果評價研究［M］.北京：地震出版社，2007.

［3］渾鐵鏈，張蓮娜.采空區鐵路橋梁地基加固及強化設計［J］.中國高新技術企業，2009（19）：19－21.