采空区注浆地基处理方案的设计与施工

2012-08-21董红霞

山西建筑 2012年32期

关键词：煤柱粉煤灰浆液

董红霞

(山西六建集团有限公司，山西太原 030024)

0 引言

在工程项目中经常会遇到采空区的问题，对于现采区和未来采区，可通过井下开采措施或地面构筑物保护措施来解决，但对老采区，特别是小煤窑，到目前为止，尚无完善的治理方法，目前以使用压力注浆充填法为主。

1 工程概况

盂县水神山道路工程第五合同段秀水河桥项目，设计桥型60 m×20 m×11 m预应力T梁。2008年5月开工，2009年6月竣工，桥墩地基采用灌注桩处理。在灌注桩施工过程中遇到采空区，通过对历年来采空区治理方法的调查与分析，并结合本工程实际情况，最后确定采用“一桩一孔注浆处理方法”对采空区地基进行处理，钻孔200个，其中帷幕孔66个，一般注浆孔100个，桩间增强孔34个，采空区处理平均埋深60 m，处理长度240 m，宽80 m，采高3.0 m，回采率30%，浆液结石率75%，充填率75%，浆液流失系数0.1，总注浆量15 840 m3，工作中得到很好的运用。

下面就该工程采空区地基处理方法的工艺原理、设计方案确定、施工工艺、工程质量控制、处理效果等方面作一介绍。

2 工艺原理

1)通过注浆，能有效地填充冒落带岩石空隙及空洞，增强了冒落带岩石密实度，提高了原冒落带岩层砌体结构的整体刚度，阻止了顶板继续垮落。

2)依靠浆液良好的流动性，对节理、裂隙、层理等软弱结构面进行填充胶结，提高了抗剪强度，增加了裂隙带的整体性。

3)水泥、粉煤灰浆液凝固后具有一定强度，经过对采空区填充加固，岩石的稳定性增强，提高地基承载力。

3 方案设计

3.1 熟悉地质情况

1)熟悉岩土工程勘察报告及相关地质资料。

2)了解采空区范围，并做好野外社会调查。

3)了解煤矿开采情况，有无越界、违规开采，以及回采率等。

3.2 煤层顶板、地基稳定性计算

1)计算总则。采空区顶板冒落特征主要包括煤柱失稳型覆岩破坏、“顶板逐层跨落型”残留空洞覆岩破坏和“顶板抽冒型”残留空洞覆岩破坏。

首先，废弃采空区中的残留煤柱，在地下水侵蚀、风化和其他扰动因素作用下，其强度将随时间产生弱化和蠕变，当作用在煤柱上的荷载达到煤柱上的强度极限时，煤柱失稳造成上部覆岩破坏。其次，采空区上覆岩层的跨落是逐层向上发展的，顶板岩层呈悬露状态，类似于板状结构，可近似将其视为两端固定的梁，若以最大拉应力作为岩层断裂的依据，当最大拉应力达到或超过该岩层的抗拉强度极限时，岩层将断裂跨落，产生顶板逐层跨落破坏。第三，对于浅部柱式采空区，由于埋深较浅，顶板松软，覆岩呈层状碎裂或散体结构，煤柱与周围岩体之间的内聚力为零，其原有的平衡状态极易打破，而发生顶板抽冒破坏。

3.3 治理方案的确定

根据计算结果、本地环境和经济技术条件、材料来源、上部结构特征并考虑工程造价、工程进度等因素，结合本场地采空区埋深深度、平面分布特点及采空冒落情况，确定采空区处理平面布置图、钻孔深度、数量、浆液所用材料等。

1)桥墩桩基范围内为采空区治理重点部位，采用一桩一孔施工方法，钢筋混凝土灌注桩浇筑前，将直径127 mm～146 mm的钢管绑扎在钢筋笼中，与钢筋笼同时下入钻孔中。灌注桩混凝土施工完毕后，从钢管中下入直径89 mm的钻具施工注浆钻孔，注浆孔成孔后下入注浆管进行注浆，在桥墩之间，根据采空巷道分布情况，增加部分桩间增强孔。

2)如果能确定矿井巷道的确切位置，注浆孔要布置在巷道上，但对于小煤窑，往往难以确定其确切位置，故此一般采用均匀布孔原则。

3)治理范围边缘部位布置边缘帷幕孔，以防浆液流失。孔间距一般要小，可以采取前后交错布置方式。

4)浆液配合比的确定。浆液材料由水、水泥、粉煤灰组成，帷幕孔采用42.5号普通硅酸盐水泥、普通生活用水、三级粉煤灰，水泥∶粉煤灰固相比3∶7，浆液水固比为0.6∶1，同时在浆液中添加不少于水泥重量3%的速凝剂。处理区域内采用42.5号硅酸盐水泥、普通生活用水、三级粉煤灰，水泥∶粉煤灰固相比3∶7，浆液水固比为 0.8∶1。

最佳配比要通过配合比试验及现场可注性试验来确定。

注浆压力的大小决定浆液的有效扩散半径和充填、压密的效果，注浆压力的选择要以不使地层结构破坏为原则。

4 施工工艺及操作要点

4.1 施工工艺流程

施工现场准备→测量放线→注浆孔施工→浇筑孔口管→注浆→注浆质量检查→验收→检测。

4.2 施工现场准备

1)施工现场的准备主要是地表钻探所占的地面及注浆泵站。

2)采用全站仪进行钻孔定位，其钻孔位置偏差不大于5 cm。

4.3 注浆孔施工

1)钻孔孔径宜为89 mm～168 mm，根据地质情况，选用开孔钻径。当存在软弱基层时，应采用变径、下护壁套管等方法进行钻进。为加快施工进度，可采用送水取芯钻进。

施工顺序为:确定孔位→平整场地→钻机就位校正、安装冲洗液系统→钻进→钻探原始记录、岩芯编录→终孔、验收→物探测井→质量评定。

2)注浆孔与灌注桩同时施工，采用一桩一孔施工方法，成孔流程示意图见图1。

图1 成孔流程示意图

4.4 浇铸孔口管施工

1)钻孔施工完毕后应及时下入注浆管，下注浆管前应准确校核孔深、变径、封孔管长度等。注浆管口采用丝扣连接，托盘制作要规范，一般应小于封孔端孔径2 cm～3 cm，下管前先将托盘以下注浆管连接，下管过程中要保持注浆管垂直，防止堵塞注浆管口。

2)浇铸孔口管施工顺序为:加工注浆管→焊接法兰托盘→下注浆管→沿孔壁向孔内投少量砾石→加入适量粘土→加入水泥、水、粉煤灰，用纯水泥浆封孔→管口保护→验收。

3)止浆段深度宜为2 m～3 m，托盘以上注浆管外壁与钻孔内壁之间间隙投入20 cm厚砾石和中粗砂，而后采用纯水泥或水泥粉煤灰封孔，水灰比控制在0.5∶1～0.7∶1，确保封孔质量。地表以上注浆管不宜过长，一般0.6 m～1.0 m为宜。

4.5 注浆加固施工

1)注浆加固施工顺序为:施工准备→原材料检验、修建泵站备料→冲洗孔壁、安装搅拌机→安装注浆管→配置注浆液→开泵注浆→停泵验收→冲洗注浆泵及管道→整理资料、验收。2)注浆施工时，先施工帷幕孔，以形成有效的止浆帷幕，阻挡浆液的外流，后施工中间注浆孔;钻孔分序次间隔进行，一般分二到三序次成孔;一序孔对采空区可以起到补勘的作用，根据实际地层及采空区情况对后序孔的孔位、孔距、孔数进行适当调整，以弥补均匀布孔设计的不足;注浆工作也应间隔式分序次进行，一序次孔浆液可能扩散范围较大，二、三序次孔注浆将使前序次未充填的空洞得到再次充填，从而提高充填率。3)注浆浆液材料主要为水泥，根据需要可加入外加剂及掺合料。水采用普通生活用水，水泥宜采用42.5级的普通硅酸盐水泥，掺合料为粉煤灰，宜采用三级以上。外加剂和掺合料的用量，应通过试验确定。4)浆液采用二次搅拌，搅拌机一次加水到位后，添加水泥和粉煤灰的掺合料，添加过程中随添随搅，添加完毕后搅拌时间不少于5 min，注浆过程中每间隔5 min，需搅拌一次，搅拌时间不少于2 min。5)由外向内施工，帷幕孔注浆采用间歇式注浆，单孔注浆量达50 m3时，停注12 h，而后继续灌注，如此循环，单孔注浆量达200 m3而未注满时，在孔口加一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或粒径不大于0.5 cm的矿渣投入孔中，同时按以上方法进行循环灌注。6)注浆孔注浆施工采用一次止浆一次注浆的施工方案，所有钻孔均下管注浆，第一序次施工注浆钻孔宜大间隔进行，以进一步探明采空区分布范围，第一序次注浆结束后对剩余钻孔施工注浆，并检验第一序次注浆效果。7)注浆停止标准:a.孔口管压力升至1.5 MPa以上，稳定15 min。b.孔口管压力未升至1.5 MPa，但吃浆量小于75 L/min，且持续15 min。c.地表溢浆、钻孔串浆。以上条件均可作为停注的标准，停止注浆4 h后，对所用钻孔进行复注。

4.6 注浆效果检查

1)注浆质量室内做浆液结石体强度试验，要求浆液结石28 d强度达到2.0 MPa。2)注浆结束6个月后，检查孔取芯检查冒落岩石中浆液充填情况，取芯率应大于80%以上。3)采用弹性波测井对注浆情况进行检验，注浆层平均剪切波速应不小于160 m/s。检测数量不少于3个钻孔。4)设地面沉降观测网，观测期不少于注浆后1年。