高速公路采空區固廢改性注漿處治技術研究

黎炬鋒,陳遠志,方 強

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司,長沙 410219)

采空區是高速公路建設中較常見的一類復雜地質問題,大多具有歷史久遠、演變復雜、探明難度大、處治費用高等特點。高速公路選線時一般應避讓采空區,但考慮城鎮規劃、地形條件、生態保護等重要控制因素影響,有時無法繞避采空區[1]。目前對于公路下伏采空區治理方式主要以注漿充填法為主[2-4],讓漿液在壓力作用下充填采空區的空腔及縫隙,最終形成穩定的結構體承載地表構筑物[5]。注漿充填時,對于注漿材料的選擇尤為關鍵。自20世紀40年代開始[6],國內外相繼研究出多種成本低、固廢材料利用率高、結石體強度較高、可灌性好的注漿材料。

以在建的某高速公路采空區治理為工程背景,采用工業固廢材料對漿液進行改性,通過室內試驗、數值模擬評估及處治后評價等手段,對采空區固廢改性注漿處治技術展開研究,探求一種適應安全、經濟、低碳、環保的建設新理念及具有較好應用前景的高速公路采空區處治方案。

1 高速公路下伏采空區治理方案確定

1.1 工程概況

在建某高速公路現場地質調查顯示,部分線路下方存在耐火黏土礦開采后形成的采空區,選定具有代表性的某段作為研究區域(見圖1)。該段采空區埋深較深,以巷道開采為主,場地評價為欠穩定區,典型地層結構如圖2所示。

圖1 采空區注漿充填研究區域Fig.1 Grouting filling research area in goaf

圖2 研究區域鉆孔柱狀圖Fig.2 Drilling column chart of the study area

根據地質鉆孔揭露情況,研究區域采空區底板平均埋深約18 m,頂板均已垮落并充填采空區,以砂質頁巖及少量泥巖碎塊為主,不具備巷道內施工條件,故采空區選用注漿充填法進行處治。

1.2 注漿材料的選擇與優化

漿液材料要求如下[7-8]:漿料性能好,有較好的流動性及保水性,易于輸送及灌注。充填質量高,充填體有較好的結石率,強度能滿足對采場覆巖的控制。工藝成本低,材料來源廣泛易獲得,價格低廉。

注漿材料的改進。考慮到研究區域有著較為充足的黏土材料,故初步方案考慮就地取材,采用水泥-黏土漿液注漿處治采空區。但單純的水泥-黏土漿液結石率較低,結石體強度較差,導致采空區處治效果不佳,故將施工場地附近的燃煤爐渣按照一定比例加到水泥-黏土注漿液中,添加改性激發劑,以制備具有高濃度、低灰砂比的改性固廢注漿充填材料。

注漿材料配比的優化。實驗原料:水為符合拌制混凝土要求用水,水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥,黏土在項目附近就近取材耐火礦,固廢主要為附近電廠的燃煤爐渣,最大粒徑≤10 mm;添加少量化學激發改性劑。根據現場應用實踐,將黏土與固廢按照1:1進行配合,以水泥為變量制備試件,進行對比實驗,設置無固廢的水泥-黏土漿液作為對照組。不同配比及齡期(3 d、7 d、28 d)的試件實驗性能指標見表1。

表1 不同配比時各齡期試件強度Tab.1 Strength of specimens at different ages with different proportions

由表1中數據分析可知,其他條件相同的情況下,隨著水泥占比的增加,試件強度有所提高;使用固廢部分替代黏土之后,試件強度有著較為明顯的提高,相較于同齡期試件強度最高可以提高4倍以上。

對比兩種不同水固比方案。在水固比稍小的情況下,漿體流動度雖有所降低,但試件的強度略有提高,尤其是在水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5時表現最為明顯,相較于水泥:黏土:固廢為1:2:2時的同齡期強度分別提高78.0%、93.8%、51.4%,有著較好的早強特性。水固比為0.60時,水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5,相較于水泥:黏土:固廢為1:2:2時的強度有著較為明顯的提升,為93.8%。而水泥:黏土:固廢為1:1:1,相較于水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5的強度提升不明顯,僅提高30.0%。

綜合考慮,選取水固比0.60,水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的充填方案,漿液能夠滿足流動度要求,有著較好的早期強度與后期強度。

2 注漿處治效果模擬分析

2.1 數值模擬方案

計算模型及參數。根據地質資料及現場勘察情況,對工程地質條件進行概化,采用有限差分數值模擬軟件FLAC 3D建立數值計算模型(見圖3),邊界條件采用底面三向約束,側面法向約束,地表自由。根據室內外試驗及相似工程經驗,綜合確定計算參數如表2所示。

表2 巖體物理力學參數表Tab.2 Physical and mechanical parameters of rock mass

圖3 采空區不同充填方式下模型位移云圖Fig.3 Model displacement cloud image under different filling methods of goaf

數值模擬步驟:①原始山體應力平衡。②采空區開挖后,地面沉降至指定深度,根據相關文獻資料[8]與現場監測數據,沉降系數取0.80。③采空區注漿充填,高速公路建成并計算至收斂。

模擬方案:采空區注漿充填時,對采空區設置不同的注漿參數以模擬不同的注漿材料,分別模擬未充填、水泥-黏土注漿充填(水泥:黏土:固廢為1:3:0)和改性固廢注漿充填(水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5),注漿材料參數由1.2中實驗測得,充填材料力學參數如表3。

表3 充填材料力學參數Tab.3 Mechanical parameters of filling materials

2.2 不同注漿材料控制效果評價

分別對不注漿、水泥-黏土漿液及改性固廢漿液的注漿充填效果進行模擬。注漿后模型的位移云圖如圖3所示。可以看出,采空區采取3種不同處理方式時,模型的位移變化基本相似,但在不同方式下,采空區的最大沉降量有所不同。未充填時,采空區將繼續沉降直至被頂板巖層充滿,最大沉降量為895 mm。采用水泥-黏土漿液充填或采用改性固廢漿液充填時,可以在采空區形成承載結構,從而大幅減緩沉降。兩種不同方式的最大沉降量分別為485 mm、340 mm,采用改性固廢漿液充填相較于水泥-黏土漿液充填時,采空區沉降量可減少29.9%,改性固廢漿液充填效果優于水泥-黏土漿液充填。

受采空區形狀影響,該段高速公路路北與路南的變形差異較為明顯。由圖3可知,該段高速公路路北部分受到的采空區影響范圍較大,沉降也更加明顯。不同充填狀態下,高速公路北部路面處位移如圖4所示。采空區中部沉降最為嚴重,向兩邊逐步減緩,采空區向兩側的影響范圍約25 m。各地層使得采空區沉降影響減緩,最終路面在未充填時最大沉降量為754 mm,水泥-黏土注漿充填時最大沉降量為236 mm,改性固廢注漿充填時最大沉降量為152 mm。兩種采空區注漿充填方式都滿足高速公路一般路段沉降量≤300 mm的標準,但采用改性固廢注漿充填時效果更好,相較于水泥-黏土注漿充填,路面最大沉降量降低了35.6%。

圖4 不同充填方式下路面沉降量Fig.4 Pavement settlement under different filling methods

對3種處理結果進行分析發現,采空區注漿改造對于高速公路路面沉降控制效果明顯,采空區充填水泥-黏土漿液和改性固廢漿液都可以令路面沉降符合控制標準,而采用改性固廢漿液時漿體強度提高,控制效果更為明顯。

3 注漿處治后效果監測分析

基于上述研究成果,現場施工對采空區采用改性固廢改性漿液進行注漿處治。為評價采空區的充填效果,對高速公路路面沉降情況進行監測。各監測點累計下沉結果隨時間的變化如圖5所示,采空區附近的測點沉降狀況基本相似,累計沉降量目前小于10 mm,說明采用固廢充填采空區后能較好地控制高速公路沉降。

圖5 2021年12月—2022年3月各測點路面下沉監測結果Fig.5 Monitoring results of road subsidence at each measuring point from December, 2021 to March, 2022

4 結論

高速公路下伏采空區路段的穩定性主要取決于漿液對采空區的充填效果,通過添加固廢對漿液改性并進行配比優化實驗,最終選用水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的充填配比。該配比在漿液滿足流動度要求的情況下注漿充填體有著較好的強度,實現了固廢的綠色利用,在注漿領域有著較好的應用前景。數值模擬及試驗結果表明,采用固廢充填時,相較于水泥-黏土注漿充填,路面最大沉降量降低了35.6%,控制效果明顯。對采空區注漿處治后,高速公路路基沉降監測結果顯示,采用水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的改性固廢漿液注漿寬度60 m的情況下,路基沉降量滿足設計要求。