混合材料法治理公路充水采空区

郑齐银

(1.黄土地区公路建设与养护交通行业重点实验室;2.山西省交通科学研究院)

混合材料法治理公路充水采空区

郑齐银1，2

(1.黄土地区公路建设与养护交通行业重点实验室;2.山西省交通科学研究院)

针对公路下充水采空区的特殊空洞环境，提出充填混合材料即类混凝土压力注浆的方法，以阳泉西环充水采空区治理工程为例，通过试验和施工实践，提出了适宜的施工配合比和施工工艺，较经济地完成了治理工程，取得了较好的经济和社会效益。

充水采空区;混合材料;压力注浆;配合比

1 问题的提出

近年来山西高速公路网通过的煤矿老采空区或多或少地存在地下水，对于充水采空区的注浆治理方法及材料选择，目前多采用水泥粉煤灰浆液进行压力注浆，充水情况下浆液形成设计强度的周期较长，且存在施工缺陷，交通部颁发的《采空区公路设计与施工技术细则》要求对采空区内存在大量地下水的情况应进行专题研究，并探索有效的采空区处治措施、以确定合理的设计与施工方案。因而，有必要对充水采空区注浆工艺及浆液配合比进行研究。

以阳泉西环高速采空区治理工程第五合同段K6+640～K7+130段C匝道桥下充水采空区处治为例，试验性地采用了混合材料压力注浆法施工，其中混合材料包括类混凝土与传统水泥粉煤灰浆液，“类混凝土”由水泥、粉煤灰、煤矸石及砂石材料加入少量添加剂加水混合。施工实践中提出了类混凝土在处理充水采空区的配合比及施工工艺。工程实践表明，采用本方法与配合比有利于浆液强度的及时形成，适合于充水条件下的采空区处治实践。

2 工作原理及优点

目前采空区治理工程中一般采用250型注浆泵，主要应用于不含骨料的流塑状浆液，对于充水采空区的治理，鉴于其地质环境的特殊性，采用由水泥、粉煤灰、煤矸石、砂石材料及少量添加剂加水混合而成的含有骨料的粘稠膏体状材料称之为类混凝土，“类混凝土”的比重大，可置换出采空区内的水体，能很好地解决充水大空洞采空区问题。

本研究采用混合材料配注浆治理充水采空区，不再采用250型注浆泵，其由搅拌系统和输送系统完成，注浆系统可以配制含有骨料的粘稠膏体状材料，其中搅拌系统(含配料)由作为上位机的工控机与作为下位机的PLC组成，并配以称重仪表和模拟盘;输送系统能输送稀浆液及水。治理公路等线性工程下伏采空区常因距离较长或治理范围较大需要建立多个注浆站。本充水采空区注浆系统的搅拌及输送系统均可移动，大大节省工程费用和缩短工期。

该系统的另一个优势是能够依据需要配制各种比例的浆液，适用于不同空洞、裂隙的工况，基于浆液材料的灵活多样，能够因地制宜变化浆液配比，以保证受注体处治效果，同时系统输出压力可达10 MPa，高压力能有效地进行裂隙注浆并尽可能排出充水采空区水体。

3 配合比与性能评价

在采空区处治设计时，配合比的确定是一项极其重要的工序，鉴于充水采空区本身地质条件的特殊性，本研究综合分析，采用了低污染、低成本材料，主要为5～20 mm煤矸石、中砂、普通粉煤灰、32.5矿渣硅酸盐水泥、高效减水剂。反复试验制作成试件，经测试，建议配合比为 m水∶m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m煤矸石=11.68∶4.18∶10.75∶12.13∶61.26。据此配制的类混凝土流动性能满足泵送混凝土要求，其塌落度18～22 cm，28 d平均强度大于2.0 MPa，实测强度值均满足目前采空区治理的通用设计要求。采用本配合比形成的混合材料浆液，成本接近于2∶8水泥粉煤灰浆液材料，低于3∶7水泥粉煤灰浆液材料的成本。

4 混合材料处治充水采空区施工工艺

(1)开孔采用Φ165钻头，至稳定基岩以下6 m变径，改用Φ160钢管作套管和灌注类混凝土管下至变径处，再改用Φ146钻头钻至采空区底板以下1 m。

(2)混凝土孔成孔后，将Φ160套管(一端带有法兰盘)下至变径位置，置入少量粘土以防大量渗漏浆液，而后灌入1∶1.5～1∶2素水泥浆(可加入水泥重量2%的速凝剂)，使浆液在孔内高度达4～6 m，Φ160管既是套管也是注浆管，一端法兰用于连接控制阀，控制阀上面连接注浆管和安全阀，装置见图1。

图1 钻孔结构示意图

(3)在类混凝土治理采空区的工艺流程中，地泵泵送混凝土、搅拌机搅拌类混凝土、HBT60C拖式混凝土泵灌注，如灌注压力较大时应安装安全阀，阀值10 MPa;在类混凝土充满采空区时管道内压力会很快升高，大于10 MPa时安全阀会自动打开，以防止压力过大发生崩管伤及施工人员，安全阀自动打开后，应暂停5 min后继续灌注，如安全阀呈持续打开状态可以认为该孔的类混凝土灌注完毕。

(4)类混凝土灌注过程应保持一定的连续性，其间歇时间不宜大于30 min。灌注结束后方可进行水泥粉煤灰浆液灌注，其技术要求按《采空区公路设计与施工技术细则》执行。

5 工程实践

5.1 工程概况

工程位于山西省阳泉西环高速公路第五合同段采空区域，在治理此处煤矿采空区过程中，发现K6+640～K7+130段C匝道桥1#墩(设计桩长15 m)范围26 m处掉钻3 m，桥墩桩底位于煤矿斜井上方约11 m处，斜井巷高3 m、宽4 m，呈15°坡度向下延长至800 m，目前该斜井已经关闭。井内大量充水，地表变形不明显。

5.2 充水采空治理的方案设计

项目区斜井内大量充水且空洞较大，用常规煤矿采空区治理方法无法确保工程质量，综合研究后确定采用泵送类混凝土灌注法及全充填压力注浆法相结合进行治理。

治理范围沿斜井方向取15 m，根据斜井及桥墩宽度确定治理宽度4.5 m，治理深度为采空区底板以下1 m，孔位呈梅花型布置，间距3 m。

5.3 注浆材料的选取

根据上述的试验配合比 m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m煤矸石=11.68∶4.18∶10.75∶12.13∶61.26 选取注浆材料，建议类混凝土塌落度15～24 cm，具体配合比由实验室和现场试灌注确定，补充浆液选用水泥粉煤灰浆，水固比1∶1.0～1∶1.2(水泥30%，粉煤灰70%)。

5.4 注浆质量检测

注浆质量检测于施工结束7 d后进行，钻探取芯检查施工效果并进行压水实验，检测表明:岩芯的结石体比较完整，其长度与空洞直径基本吻合，达到了排水结石的效果。对该取芯孔进行压水实验15 min，压水量为0.68 m3，压水量与钻孔体积相差不大，表明治理后的采空区空腔及覆岩裂隙均被填充密实。

表1 采空区治理工程质量检测成果表

6 结论及建议

试验表明浆液配合比中 m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m煤矸石=11.68∶4.18∶10.75∶12.13∶61.26 时强度满足设计需要。

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［3］王成祥，冉红平.高速公路采空区沉降观测技术的应用［J］.山西交通科技，2010，(5):36-38.

［4］采空区公路设计与施工技术细则(JTG/T D31-03-2011)［S］.交通运输部.

U416.1

C

1008-3383(2013)04-0022-02

2012-12-27

郑齐银(1975-)，男，河南商城人，工程师，研究方向:公路地质灾害治理。