地鐵施工區(qū)間煤炭采空區(qū)處理關鍵技術

周 欣

(江蘇國樁巖土工程有限公司，江蘇 南京 211301)

0 引言

隨著大城市發(fā)展不斷外延，為滿足人們的日常通勤需求，地鐵線路也逐漸外擴，面對的地質情況越來越復雜，遇到煤炭采空區(qū)的概率也越來越大。盾構法由于安全性好、適用地質條件廣泛、對周邊環(huán)境擾動小的特點被廣泛應用于地鐵隧道建設中，對于位于煤礦采空區(qū)的地鐵隧道，由于采空區(qū)的存在，采用盾構法施工時會出現“栽頭”“陷落”地表沉降過大甚至坍塌等風險。同時，對于地鐵后期運營來講，采空區(qū)是否有效處理直接影響了地鐵行車安全[1]。

本文以存在煤炭采空區(qū)的地鐵施工區(qū)間為例，總結了采空區(qū)處理的關鍵技術，保障了后續(xù)盾構施工及后期地鐵運行的安全，供同行在類似工況時借鑒參考。

1 工程概況

1.1 設計概況

某地鐵區(qū)間線路總長2 347 m，其中左線長1 175 m，右線長1 172 m，地面高程8.4 m～13.4 m，沿線地勢平坦，線路整體地勢低平，設置兩座聯絡通道，其中一座聯絡通道兼作費用泵房，線路由直線段和3段曲線半徑為R2 000 m,R800 m,R1 500 m的曲線構成。左、右線線間距為9.5 m～17 m。隧道覆土厚度為13.51 m～23.77 m，地下水位埋深為1.50 m～6.00 m，最大坡度為28 ‰(見圖1)。

1.2 工程地質條件

地鐵隧道范圍內涉及的巖土層自上而下為：

人工填土層：雜色，稍濕，不均勻，為近代人工填土，主要由黏性土及碎石、碎磚等建筑垃圾組成。

沖積-洪積砂層：松散～稍密，級配良好，以石英細粒為主，部分含黏粒及中砂。

沖積-洪積土層：河湖相淤泥質土和粉質黏土，飽和，流塑，局部軟塑，含大量粉細砂。

殘積土層：粉質黏土，土質較均勻，局部含少許砂礫充填，遇水易軟化，為原巖風化殘積而成。

泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖全風化層：灰黑色、紅褐色，原巖結構基本破壞，巖芯呈密實土狀，浸水易軟化，局部夾有強風化。

炭質泥巖、粉砂質泥巖強風化層：灰黑色、紅褐色，泥質結構，層狀構造，泥鈣質膠結，巖質極軟，巖塊敲擊易碎，遇水易軟化。

粉砂巖、泥質粉砂巖強風化層：灰褐色，砂質結構，層狀構造，巖心呈堅硬土狀、半巖半土狀，巖質較軟，巖塊敲擊易碎。

粉砂巖、泥質粉砂巖中等風化層：灰褐色、紅褐色、青灰色，層狀構造，泥質、鈣質膠結，節(jié)理裂隙發(fā)育。

炭質灰?guī)r中等風化層：灰黑色，灰白、灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎塊狀。

粉砂巖、泥質粉砂巖微風化層：深灰色、青灰色、灰色，粉砂質結構，層狀構造，泥鈣質膠結，巖石裂隙稍發(fā)育，巖質較硬，錘擊聲脆。

煤層：黑色，質雜，含粉砂巖塊及風化土，較松散，條帶狀結構，玻璃光澤，受構造擠壓破碎成粉末狀，煤質不純，夾泥質粉砂巖。

采空區(qū)：未漏水～半漏水，全充填，充填紅褐色、灰褐色巖層風化物，少量殘留煤渣及木屑。

1.3 采空區(qū)情況

前期勘察反映區(qū)間有5個鉆孔見煤炭采空區(qū)，充填物以細粒黏土、碎石、煤渣和木屑為主，填充物松散堆積，具一定的壓實性，巖芯采取率70%以上，鉆速過快時有輕微漏漿，頂板以全～中風化粉質黏土、粉砂巖或泥質粉砂巖為主，裂隙發(fā)育多被壓實(見表1)[2]。

表1 揭露采空區(qū)鉆孔信息表

2 采空區(qū)處理關鍵技術

2.1 處理原則

在勘探的基礎上，對采空區(qū)覆巖土層穩(wěn)定性分析和評價后，采用“探灌結合、先探后灌”的原則進行處理，處理方法應安全可靠、經濟合理、有利于環(huán)保、便于施工[3]。

2.2 處理范圍

為滿足影響盾構施工安全和列車高速運行條件下承載力要求，影響工程安全的采空區(qū)均需處理，處理范圍應根據巖面以上土層性質、巖體的特性、溶洞的填充情況等綜合判斷，考慮到地層水土壓力和隧道周邊建構筑物情況，結合地面鉆孔所需作業(yè)空間確定。

結合本項目地層及路面交通情況，具體處理平面范圍為：區(qū)間左線隧道西側邊線輪廓外放5 m，區(qū)間右線東側邊線輪廓外放3 m范圍內揭露到的淺采空區(qū)均需處理。

2.3 處理辦法

采空區(qū)處理采用地面充填注漿的方法進行處理，采空區(qū)施工階段需要進行施工加密勘察，并將施工勘察探點與采空區(qū)處理相結合進行采空區(qū)處理[4-5]。處理過程中應注意以下幾點：

1)當采空區(qū)巖面上覆砂層或空洞洞徑較大時，探邊施工易引起地面塌陷，應采用邊探邊注漿的處理方式。

2)充填注漿需邊注漿邊摸查采空區(qū)的規(guī)模及處理后的狀態(tài)。根據注漿量及注漿孔所檢測到的采空區(qū)、老窿洞徑，初步估算采空區(qū)、老窿的規(guī)模后再向周邊布設檢查孔。檢查孔除需注意檢查空洞的延展狀況外，尚需檢查注漿充填狀況，發(fā)現注漿不飽滿的需利用檢查孔繼續(xù)注漿。

3)周邊存在重要建構筑物的敏感地段為保證安全探邊與充填處理應同步實施。

4)空洞需采用先成孔、后埋入注漿管，并注意封閉空洞頂板及注漿管與孔壁間的間隙后才能注漿。

5)注漿材料采用雙液漿、水泥漿和水泥砂漿，空洞外圍采用雙液漿封閉，內部根據探明的采空區(qū)情況采用水泥漿或水泥砂漿，壓密注漿采用PVC花管注漿，注漿管應進入采空區(qū)底部以下不小于0.5 m。

3 采空區(qū)施工方法及技術措施

3.1 施工流程

采空區(qū)施工內容主要包括探邊界、注漿充填、注漿效果檢測(見圖2)。

3.2 邊界探測

施工前應探明管線，對管線進行必要的避讓、拆除、遷改或懸吊等處理，避免破壞正在使用的管線，結合本工程地質情況和周邊路面交通情況，區(qū)間右線東側邊線輪廓外放3 m范圍為注漿充填處理外邊界，區(qū)間左線隧道西側為重要高速公路，為保證高速公路通車安全，左線隧道西側邊線輪廓外放5 m范圍為注漿充填處理外邊界[6-7]。其鉆孔設置原則如下：

1)為經濟高效探明采空區(qū)邊界，在左線隧道西側邊線輪廓外5 m和區(qū)間右線東側邊線輪廓外3 m的邊界進行常規(guī)鉆孔，常規(guī)鉆孔間距取5 m。當常規(guī)鉆孔發(fā)現有異常時，說明該范圍可能存在采空區(qū)，進一步按2.5 m間距鉆孔，如果再發(fā)現有異常，按更小間距1.25 m鉆孔，從而確定采空區(qū)邊界(見圖3，圖4)。

2)雙液漿封閉利用最終確定的間距1.25 m采空區(qū)邊界鉆孔注漿。

3)中間注漿孔按照間距原則為不大于3.5 m，注漿孔間距采取2 m×2 m梅花形布置。

4)為避免采用上述措施造成部分采空區(qū)遺漏，造成風險，采用高密度電法、電測探法或電磁勘探進行輔助探測，并對采用該方法探明的采空區(qū)通過鉆探進行驗證后注漿填充處理。

3.3 注漿充填

注漿先大后小、先外后里、先砂漿后水泥漿的原則執(zhí)行按照注漿填充要點如下：

1)外圍封邊采用雙液漿封閉，壓力控制在0.6 MPa～0.8 MPa，注漿次數為3 次～4 次；配比(質量比)為水泥∶水∶水玻璃=1∶1.38∶0.3，采用42.5級普通硅酸鹽水泥注漿；水玻璃模數m=2.4～3.4(濃度Be=30 Be′～40 Be′)；漿管應進入采空區(qū)底部以下不小于0.5 m。

2)對于全充填和半充填及無充填洞高小于3 m的采空區(qū)中央孔采用水泥漿壓注，對于半充填及無充填洞高不小于3 m的采空區(qū)中央孔采用水泥砂漿壓注，壓漿3次，設計參數為：

a.注漿壓力為0 MPa～1.0 MPa，逐步提高，達到注漿終壓后繼續(xù)注漿10 min以上。

b.水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥,水灰比(質量比)取1.0～1.5。

c.水泥砂漿配比(質量比)為：水∶水泥∶中砂=1∶1∶4。

d.注漿速度為30 L/min～150 L/min。

3)配合比和參數應根據現場試驗及時調整。

4)注漿預估量按以下公式計算：

采空區(qū)處理注漿預估量=采空區(qū)底面積×采空區(qū)洞高×漿液擴散系數×注漿填充系數。

注漿擴散系數取1.5～2.5，普通地段取1.5，復雜特殊地段取2.5，注漿填充系數取1.1。

3.4 無封邊注漿法

本工程地質條件復雜，采空區(qū)受交通、管線、建構筑物的影響，較難全面探明采空區(qū)邊界情況，對于交通疏解及地下管線繁多的局部位置注漿孔出現為單排、單孔或無孔的現象，無法進行先探邊后封邊再中間注漿的施工流程，由于此時未進行封邊，漿液會沿著邊線外滲，可能導致漿液流失，采用無封邊注漿方式進行施工，為確保安全采取隨鉆隨灌，即采用單液漿及雙液漿交替灌注，使?jié){液快速凝固，保證漿液在填充區(qū)域內大范圍擴散的同時防止?jié){液滲漏擴散過遠過深[8-9]。

1)由下而上分段注漿，分段長度根據探明的采空區(qū)情況取0.5 m～1 m。

2)加大底部灌注量使洞底部連成一個整體，防止?jié){液向下滲漏。

3)灌漿過程中發(fā)現冒漿，立刻停止注漿并查明原因，待6 h～10 h后再重新灌漿。

4)當出現漏漿等情況導致漿液注入量大且無法結束時，為避免漿液浪費，采用低壓濃漿、限流限量、間歇注漿等方法進行處理。

3.5 注漿效果檢測及驗收

注漿效果檢測包括充填注漿效果檢查、密實程度檢查、注漿加固效果檢查等。

1)充填注漿效果檢查主要是檢查填充率及密實程度，采用“二次壓漿”方法檢查。

2)密實程度檢查采用標貫法測定，標貫值應達到“硬塑”以上。

3)注漿加固效果檢查，檢驗性鉆孔不應少于注漿孔總數的5%，且不少于3個孔，每個采空區(qū)均要檢測一次。

4 結論

1)針對由于煤炭采空區(qū)存在區(qū)間盾構法施工時出現的“栽頭”“陷落”坍塌等風險，按邊界探測→注漿充填→無封邊注漿法→注漿效果檢測及驗收的順序對煤炭采空區(qū)進行注漿處理。

2)邊界探測采用階梯性鉆孔探測，最初鉆孔間距取5 m，可能存在采空區(qū)時逐步減小為2.5 m和1.25 m。

3)對于因交通疏解及地下管線繁多等導致的封邊情況，采用無封邊注漿方式進行施工，即采用單液漿及雙液漿交替灌注，使?jié){液快速凝固。同時，無封邊注漿方式宜由下而上分段注漿，分段長度根據探明的采空區(qū)情況取0.5 m～1 m[10-12]。

4)采用該工藝對采空區(qū)進行處理后的地層經檢查注漿效果和注漿加固效果均符合要求，后續(xù)該區(qū)間盾構施工安全施工，后期通車平穩(wěn)無事故，可為類似工程施工提供參考。