某高速公路连接线公路采空区治理方法研究

潘希峰 于先伟

1 采空区概况

该项目所经采空区为采煤形成,煤矿性质多为村办煤矿,所采煤层为3号、9号、15号煤层,开采方式基本采用房柱式或巷道开采,回采率在25%～50%之间,采空区平均埋深在80 m以内,木头点柱支护,采后不回撤。K4+000～K4+450路段采空区为30年前开采15号煤层,煤层厚度 1 m,回采率 25%,采空区平均埋深60 m,其上覆工程类型为路基,最大填筑高度2 m,考虑其停采时间较长,回采率低、空洞体积小等特点,该段落本次设计不处理,设置相应的警示标志,进行动态沉降观测。其他路段经综合分析计算,采空区剩余倾斜值、曲率值和水平变形值等均大于允许变形值要求,采空区欠稳定～不稳定,采空区对路线影响较重～严重,需进行注浆治理。

2 采空区治理

2.1 充填骨料

本项目采空区尚未塌陷,采用钻孔内边投干料充填,边注浆或水的施工方法。钻孔内湿骨料充填施工流程图如图1所示。

投入孔内骨料为机制砂,要求其最大粒径应小于1.0 cm,且其物质成分不应含有影响浆液凝结的部分。

2.2 注浆布孔方式

注浆孔按均匀布孔方式布设。考虑采空空洞直通性较好,故路基范围内注浆孔沿路线方向孔距为25 m,路基范围宽度内排距为25 m;路基范围以外,注浆孔孔距及排距均为25 m～30 m,注浆孔平面布置呈“梅花形”;注浆区域周边为帷幕孔,孔距为15 m。

2.3 注浆材料

水泥粉煤灰浆注浆材料为水、水泥、粉煤灰及速凝剂等。水泥粉煤灰浆的水固比为1∶1～0.6∶1,水泥采用32.5号矿渣水泥,其含量占固相的15%。帷幕孔须在浆液中掺加水泥重量2%的速凝剂。在正式施工前,应按施工时使用的水泥、粉煤灰,在实验室进行浆液配比试验,分别检测相应的浆液密度、结石率、初终凝时间、7 d与28 d的无侧限抗压强度等。

2.4 止浆方法

本治理路段为单层采空区,采用似法兰盘止浆。采用直径不小于80 mm的钢管作为注浆管,将一端焊接一个大小与开孔孔径相接近的法兰盘,下入注浆孔变径处,用少量碎石黏土将法兰盘与孔壁之间的空隙封堵,然后采用1∶2水泥浆或42.5号快硬水泥稠浆将注浆管与孔壁胶结在一起,水泥浆灌注高度不小于8 m。

2.5 钻进及成孔工艺

注浆钻孔(含注浆孔和帷幕注浆孔)开孔直径为130 mm,钻至基岩5 m后,下入φ 127 mm套管护壁,变径为91 mm钻至采空区中的垮落带或煤层底板以下0.5 m终孔。钻孔成孔之后,浇筑孔口管。下套管后的基岩钻进,一律用清水中循环液。每个注浆钻孔至少测孔斜一次,终孔孔斜要求不超过2°。全取芯孔(检查孔)为注浆钻孔的3%～5%,采空区上部覆岩部位岩芯采取率大于50%,而采空塌陷区岩芯采取率不小于30%。

2.6 注浆工艺

1)注浆段长度为变径后至终孔的(煤层底板以下0.5 m)那段长度。2)注浆前每孔应进行压水试验,采用清水冲洗钻孔,压水时间不小于10 min,将受注段岩石裂缝、裂隙中的充填物带走,使浆液扩散范围加大;同时,计算岩层的单位吸水量,以选择浆液材料浓度和压力。设计暂按每孔用水5 m3计量。3)浆液的浓度,应遵循由稀到浓的原则,逐级改变,结束时又略变稀。初始浓度根据压水试验中岩层的单位吸水量确定：吸水量(L/min)：0.5～1,1～5,5～10,＞10;初始浓度(水固比,水泥占固相 15%)：0.7∶1,0.4∶1,0.2∶1,0.1∶1。4)注浆孔采用连续注浆和间歇注浆相结合的方法;帷幕孔采用间歇注浆,但当吃浆量很小或采空区裂隙、空隙不发育时,也可采用连续注浆法注浆。5)当注浆量大或采空区裂隙、空隙较大时,采用间歇注浆法注浆,或在孔口加一漏斗状的投砂器,用浆液将砂或矿渣带入孔内,有时或在浆液中加入少量速凝剂(1%～2%的水玻璃)。6)当注浆压力保持不变、吸浆量均匀减少时,或当吸浆量不变,压力均匀升高时,注浆工作应继续进行,不得改变水固比。7)单孔注浆结束标准：在注浆孔灌浆末期,泵压逐渐升高,当孔口管压力在1.0 MPa～1.5 MPa,泵量小于70 L/min(稳定在50 L/min～70 L/min),稳定10 min～15 min以上,即可结束该孔注浆施工。

2.7 主要技术要求

钻孔施工过程中,做好钻探原始记录和岩芯编录工作,如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量。浆液配制应按设计浆液配合比进行,并随机抽查浆液的各项指标。注浆开始后,要定时观测泵的吸浆量和泵压,记录注浆过程中发生的各种现象,收集原始数据,并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。施工顺序：帷幕孔先于注浆孔施工,施工过程中可根据各孔的注浆情况调整注浆孔的位置。按地层倾斜方向,先施工采空区底板标高较低位置的注浆孔及构造物工点处的注浆孔,再沿反方向由低到高、由边部向中心展开施工。

2.8 注浆质量检测

在采空区注浆治理施工结束4个月～6个月后,进行工程质量检测,检测方法为钻探取芯。注浆工程结束4个月～6个月后,采用钻探取芯法进行工程质量检测。布设并钻进11个检查孔,根据钻探岩芯采取率和岩芯的破碎程度,判断浆液结石体与围岩的胶结程度;根据钻进过程中的循环液消耗量及孔内压水量,判断浆液对破碎岩层充填和胶结后的完整程度。通过对浆液结石体的岩芯,了解浆液在地下的终凝固结程度,并对结石体进行室内抗压强度试验,检验其强度是否满足设计要求。

2.9 动态设计及施工安全

采空区治理始终坚持动态设计理念。本段采空区为现采工作面,治理施工前应与煤矿协商,了解实际的采掘情况,并在全取芯孔(检查孔)揭示的地层情况的前提下,及时调整采空区的治理范围、回采率、充填骨料数量、注浆数量以及注浆工艺等。充填骨料及注浆工程量等应以实际发生为准(监理现场确认,并经业主同意)。止浆墙施工过程中应注意安全,同时本段采空区为现采区,注意与煤矿开采单位、建设单位等妥善做好施工安全相关事宜,确保施工安全。

3 结语

1)前期勘察工作的准确性直接决定着采空区治理的效果,因此,采空区的勘察,应根据调查及物探情况加密采空区验证孔,明确采空区的范围、深度、煤层厚度、回采率。2)采空区治理属隐蔽工程,治理过程中应加强现场监理工作,准确计量充填骨料数量及注浆数量,验证勘察成果。3)加强桥下采空区治理,避免后期因采空区治理不到位而产生桥梁下沉,给整个工程造成不良后果。

[1]山西省交通厅,中交通力公路勘察设计工程有限公司.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册[Z].2005.

[2]JTG F10-2006,公路路基施工技术规范[S].

[3]JTG D30-2004,公路路基设计规范[S].

[4]袁材栋,薛 红.古鸳线某段古窑采空区稳定性分析[J].山西建筑,2008,34(4)：307-308.