高速公路采空區復雜地質處理與綜合治理技術的研究

摘要：關停煤炭開采礦區的采空區會對地面建筑造成很大影響，針對復雜地質條件下高速公路采空區處理綜合技術的一系列研究進行技術提煉，形成了以“采空區勘測鉆檢一體化設備安裝及使用方法”、“多孔自動定位數控鉆孔注漿的施工方法”、“優化的復雜地質條件下采空區帷幕孔注漿漿液配比”、“可伸縮全角度采空區空洞檢測探頭”等專利群為核心的高速公路采空區復雜地質處理和治理綜合技術。

關鍵詞：采空區;探測;治理技術;質量檢測技術;施工領域

0" "引言

為響應國家“碳達峰”、“碳中和”的節能減排目標，國家關停了部分的煤炭開采礦區。關停的煤炭開采礦區的采空區對地面建筑造成了很大的影響。采空區事故隱患治理不及時，往往造成大量的人員傷亡和財產損失。

本文針對復雜地質條件下高速公路采空區處理綜合技術的一系列研究進行技術提煉，形成了以“采空區勘測鉆檢一體化設備安裝及使用方法”、“多孔自動定位數控鉆孔注漿的施工方法”、“優化的復雜地質條件下采空區帷幕孔注漿漿液配比”、“可伸縮全角度采空區空洞檢測探頭”等專利群為核心的高速公路采空區復雜地質處理和治理綜合技術。

1" "采空區對高速公路的影響

在高速公路施工過程中，經常碰到采空區處理的問題。采空區對高速公路的影響主要體現在以下幾個方面：造成擬建高速公路路基下沉，影響路基表面的承載力，加大地表的傾斜和拉伸變形，對路基的穩定性產生影響。路基不均勻沉降造成高速公路發生坡度變化、豎曲線形狀變化和線路方向變化等。冒落帶的不連續與無規律沉降，使路面的原坡度出現無規律變化，各段線路的車輛運行阻力也有所增減，長久運行，路面會再次產生沉陷。地表不均勻下沉使線路坡度改變時，線路在豎直方向上產生彎曲，改變原有設計的曲率半徑，對擬建公路路基及運行車輛造成危害，嚴重時會造成行車事故。

2" "采空區關鍵技術研究方向

到目前為止，針對高速公路下伏采空區問題的研究報道甚少，且往往是經驗介紹，尚未形成成熟的理論及工程設計體系，無規范、規程可循，國際上也鮮有此類工程報道。國內，目前僅在石家莊—太原、晉—焦、烏魯木齊—奎屯及京—福高速公路徐州東西繞城段、河北保阜公路等。國外，美國在科羅拉多州的某公路上進行了采空區問題的研究。

目前，針對采空區問題研究的關鍵技術主要有四個研究方向：地下采空區的探測技術、穩定性評價技術、治理技術及質量監控技術。

2.1" "采空區的探測

采空區的探測目前國內外主要是以采礦情況調查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。其中，美國等西方發達國家以物探方法為主，而我國目前以鉆探為主，物探為輔。

2.2" "采空區穩定性分析評價

針對地基開采沉陷及“三下”采煤技術，國內外均進行了大量研究，形成了礦山開采沉陷學等學科，但關于采空區對高速公路路基的危害程度研究甚少，在礦區高速公路建設中是一個亟待解決的新課題。

穩定性分析方法包括預計法、解析法、半預測半解析法及數值模擬方法。評價主要是通過計算地基承載力、剩余地表變形量及殘留空洞的穩定性、地表破壞范圍等來進行。

2.3" "采空區治理技術

構筑物下伏采空區處治方案如下：運用地面構筑物抗變形結構設計措施，采用柔性設計原則、剛性設計原則或綜合措施，以吸收和抵抗變形。運用采空區地基處理措施，預防和控制地表殘余沉陷的發生。

公路下伏采空區的治理，主要以注漿全充填法為主，注漿材料以水泥粉煤灰為主，也看采用水泥粘土或水泥黃土漿材，因地而異。也有人提出改變路基路面結構，應用新型路面材料，如在基底層下加鋪一層土工織物，瀝青中應用 BSB技術等，但尚未見有工程實例報道。

2.4" "采空區治理質量監控技術

高速公路采空區治理工程屬于隱蔽工程，其質量監控包括兩方面的工作：一是施工過程的監控，主要是監理工作。二是施工結束后的質量檢測工作。對于注漿充填法來說，施工控制主要采取流量和壓力控制法，但由于流量和壓力往往隨時間而波動，單純依靠總注漿量或終孔壓力來控制注漿過程是不科學的。

3" "采空區復雜地質處理與綜合治理

從上述國內外研究情況來看，研究治理地下采空區是一項涉及多學科技術的工作。目前，高速公路中涉及的采空區分布極不規則，常存在深度、寬度、形狀、地質條件和形成年代不一等狀況。由于大多數采空區通常情況下無法進入實地勘察，雖然采取了鉆探和物探等技術，但基于上述原因，使設計者在設計時很難形成與實際情況相符的設計。這就需要技術人員在施工現場取得詳細完整的第一手資料，進行綜合研究。我們在以上技術研究的基礎上進一步提煉，通過如下環節的技術創新形成新的專利技術，將新的專利技術應用到實際工程中取得了良好的效果。

3.1" "高速公路采空區處理范圍確定

針對采空區的探測，目前國內外主要是以采礦情況調查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。

鉆孔主要以鉆取的芯樣作為判斷依據。這種判斷方式人為不可控因素多，鉆進過程中需要安排專業技術人員全過程旁站值守，不僅耗時耗力，判斷也存在偏差。為此我們經過技術研究，提煉出一套以“一種采空區勘測鉆檢一體化設備安裝及使用方法”專利技術為核心的新的施工探測技術。這項技術通過對目前高速公路采空區復雜地質處理過程進行分析，洞悉其施工環節可利用自動控制技術取代人工檢測的環節，尋找施工過程中可以進行優化設計的部分，設計了一種采空區鉆孔自動控制數據采集系統，實現了采空區物探鉆孔的數據采集自動化。

其技術原理是通過設計一種采空區勘測鉆檢一體化設備，在鉆機鉆桿鉆進過程中，根據地質條件設置鉆進速率，將鉆進速率傳輸到數控檢測中心。將實際鉆孔速率與標準鉆孔速率對照，如速率正常則無采空區。當突然速率加快，則測定此處有空洞，說明有斷層。同時在鉆孔水循環泵增設流量計，將其與數控檢測中心連接。當水循環正常時，說明地質層連續。當突然水量急劇流失，說明有空洞。若水流流失速度過大，返回的水量減少，說明地下有裂隙。整個施工過程中，僅需將數據傳送到數控中心，即可實現實時產生地質報告的目的。

這項技術的優點如下：能有效解決采空區通過超前鉆孔進行地質勘察中存在的采集數據不準確的問題;在提高采集數據報告精度的同時，通過實時生成鉆進數據報告和水流檢測報告，配合芯樣采集數據，提高了檢測的效率;避免了施工過程中人為判斷的失誤。

3.2" "高速公路采空區處理方案

高速公路采空區處理方案主要以注漿充填為主，傳統的填充方式為逐孔填充。我們采用多孔聯動數控自動定位注漿技術，實現了鉆孔及注漿的自動化與標準化。傳統工藝的缺點是單孔注漿時，漿液因為流動性大、流動范圍廣，會造成漿液流失到注漿范圍外，導致漿液的浪費，同時注漿孔之間容易形成空洞。而多孔聯動數控自動定位注漿技術，通過電腦程序控制行走線路，實現了鉆機自動行走定位。多孔同時注漿提高了功效，降低了材料的浪費的同時，提高了注漿處理的質量。

其工作原理如下：鉆孔機啟動前在孔口管頂部外側設置孔位感應環;通過自定位鉆機前端的探地雷達，探測感應孔位的感應環位置;前端探地雷達將感應到的位置信息，通過數據線將信息傳送至行走控制器;行走控制器控制自定位鉆機行走至孔口管上方;啟動自定位鉆機下方的下端定位感應裝置，感應孔位感應環使自定位鉆機上的鉆桿對準孔口管中心，自定位鉆機準確定位后開始鉆孔;水泥攪拌機攪拌漿液進行灌注，在漿液尚未凝固前，自定位鉆機移動至下個孔位進行鉆孔，重復以上步驟實現多孔聯動，自定位行走鉆孔注漿。

這種技術的優點如下：多孔聯動數控自動定位注漿技術通過應用電腦程序控制行走線路，實現了鉆機自動行走定位，實現了鉆機行走及鉆孔過程中的自動化。同時通過多孔聯動注漿，對相鄰孔位注漿層裂隙進行擠壓滲透，提高采空區注漿的密實性，提升了施工效率和定位精度。

3.3" "采空區注漿配合比優化設計

傳統的采空區注漿配比工藝，由于帷幕孔漿液速凝易造成壓漿管道堵塞。同時傳統配比的注漿孔漿液也容易堵塞管道，造成計量偏差和注漿壓力不易控制。我們參照配合比設計流程，設定不同的目標配合比，對主要材料摻量進行試驗配合比設計，形成初凝時間長、終凝時間短的優化配比，解決了漿液過早凝固堵塞導管的技術問題。

在研究現有采空區帷幕孔施工注漿配比基礎上，我們根據使用的水泥、粉煤灰、水玻璃的特性，結合采空區地質情況進行設計改良。設計改良的方向根據帷幕孔鉆孔的不同情況分為3類：一是穿透煤層裂隙發育;二是有空洞，但空洞之間不聯系;三是穿透采空區的巷道或采空煤層（空洞連續、面積大）。針對3類情況設計3種不同初凝時間的配比，針對性選用，通過控制凝結時間達到節省材料，提高使用效率。同時避免了漿液提前凝固堵塞孔道，造成局部空洞的問題。通過反復試驗論證，我們總結出了3種不同情況下的優化配比，達到了有的放矢、節省材料的目的。

3.4" "高速公路采空區處理質量驗證

傳統采空區檢測手段主要有流量和壓力檢測、和自動灌漿記錄儀檢測等。其通常將過程中的檢測數據作為判定依據，容易導致判定結果不準確的問題。這些檢測手段容易造成采空區注漿后，注漿質量檢驗不準確，形成的空洞不易察覺的問題。采用溶洞檢測儀檢測是一種目前比較先進的一種檢測手段，但檢測深度只能達到10m以內。我們采用一種可伸縮、全角度采空區空洞檢測探頭裝置，在溶洞檢測儀檢驗的基礎上擴大檢測范圍，提高了檢測效率和檢測質量。其工作原理如下：通過小型電機驅動旋轉電機內的伸縮驅動裝置使探桿伸長，將探桿端頭下放至空洞內;通過伸縮裝置使探桿端頭的探頭伸縮桿伸長，直至探頭接近空洞的孔壁;檢測的數據通過數據傳送線傳送到檢測盒;一個方向檢測完成后，通過伸縮裝置收起探頭伸縮桿，再驅動旋轉電機旋轉探桿至另一個角度;重復以上步驟，完成其他各個方向的檢測。

4" "結語

通過以上事例我們發現，在高速公路工程領域采空區處理方面，有大量可以利用自動化技術、數控技術、人工智能技術的環節。通過歸納總結我們發現，以上施工環節可以進一步通過科技創新技術的應用提高效率，減少人工的投入，從而實現施工效率和施工質量的提升。

雖然本技術的研究取得了一些突破，但在帷幕封堵、降低注漿處置范圍外漿液流失、橋梁下方深孔處理、深孔注漿漿液早凝等方面，仍有進一步技術提升的空間。下一步我們可在高速公路采空區智能監控量測、帷幕孔排孔聯合封堵技術、施工過程地質變化智能監控、超聲波物探巷道跟蹤檢測等方面進行進一步研究。

針對高速公路采空區復雜地質處理與綜合治理技術的研究，采用自動化技術、數控技術、人工智能技術已成為一種趨勢。在這一領域有大量值得我們研究和創新的施工方式。通過這些技術的大量應用可以解決目前我國公路工程建設領域人工短缺、人工費上漲等施工項目管理的困難，同時也可以提高施工質量。