浅析吕梁环城高速公路郭家沟1号大桥采空区治理工程施工技术

马海兵，成文海

（山西吕梁路桥有限公司，山西 吕梁 033000）

吕梁环城高速公路郭家沟1号大桥采空区治理工程区内揭露地层从上到下有：杂填土、粉质黏土、石炭系泥砂岩及奥陶系灰岩。采空区埋深41.3～82.8 m，充分采动，采厚为2.5 m，回采率80%，该采空区属于大空洞采空区。采空区场地不稳定。

1 实例探讨郭家沟1号大桥采空区治理工程施工技术

1.1 工程概况

吕梁环城高速公路郭家沟1号大桥采空区治理工程采空区段落分布于K6+441-K6+747，采空区总长306 m。建设内容包括地面灌注细石混凝土及砂浆和井下砌筑止浆墙，本项目划分为一个施工合同段。

1.2 施工前工程准备情况

1.2.1 相关技术工作准备

本项目在施工之前采用全站仪进行线路导线复测、项目测量方法采用水准点复测。施工前认真熟悉图纸、技术规范，为钻孔作好准备工作。

1.2.2 施工场地工作准备

工程施工场地应达到三通一平，满足设计及规范要求即可。

工程用水方面就近用水车拉水，在施工现场修建两个蓄水池，来保证工程用水。

工程用电方面就近从建管处专线或矿上接入动力电源至施工现场。并备用3套发电机组，作为应急措施，确保停电时正常灌浆。

工程场地及道路方面桥头南侧土台整平，整平工作量约为14 500 m3。便道一侧设置排水设施，确保雨季施工安全。便道路面用20 cm厚的石渣铺设，并由专人负责维护。

1.2.3 施工工期安排

本工程计划开工日期：2016年7月5日，具体开工时间以监理工程师（业主）下达的开工令为准；本工程计划交工日期：2016年8月20日；计划工期：45日历天。

1.2.4 机械、材料准备

施工材料由第一批项目人员制定详细的工程材料需求计划表，就近采购，并在最短时间内完成开工材料的储备工作。除业主指定的材料外，积极联系工程用的其他材料和当地供货商签定合同，汽车运至现场。

1.3 采空区治理方案

根据设计，本治理工程采用地面灌注细石混凝土为主，井下砌筑为辅，塌陷冒落部位及矿柱孔灌注M10水泥砂浆的治理方案。

1.3.1 注浆孔平面设计[1]

在桥梁采空区影响范围内注浆孔呈梅花型布设，由北向南排列，共11排，第一排距桥梁中心南侧18 m，前7排排距、孔距均为5 m，后4排排距和孔距均为10 m，桥梁中心及南侧布设两排孔，排距和孔距均为10 m。

在0号桥台西侧灌注孔梅花型布设，由北至南排列，共4排，第一排距路基中心南侧20 m，排距和孔距均为20 m。若相邻两个钻孔均为采空区掉钻孔，建议两孔间增加1孔进行验证并补浆处理。

3条主巷道灌注段累计长度430 m，孔间距10 m。平面设计图如图1。

图1 灌注孔位平面设计图（比例：1∶1000）

1.3.2 采空区的治理范围

据设计资料显示，影响区域范围为K6+441-K6+747段，长度为306 m，宽度为桥梁中心至南边最大距离96 m，最小距离64 m，治理面积约12 792 m2。

1.3.3 采空区治理施工顺序

桥梁南侧为矿层采区，根据规范规定，高速公路桥梁围护带宽度最小值为20 m，为保证桥梁运营安全，首先应加固桥梁南侧20 m范围，即18 m+15 m-12.5 m=20.5 m。所以首先应施工桥梁南侧前4排孔。4排孔号为1～156号，沿桥梁方向处治长度为0号桥台起，7号桥墩止，宽度为15 m。

处理完桥梁南侧前4排孔7 d后方可进行桥梁正下方及桥梁北侧物探异常区的钻探验证工作。

路基下的通风巷、运输巷及材料巷稳定性评价为稳定。封堵工程目的是为了防止再次盗采，其危险性较低，故可以考虑推后施工。但考虑到通车迫在眉睫，故可考虑先施工路基下巷道。路基边坡下巷道施工可推后。

其余注浆处治顺序为从西到东、从南到北，先做帷幕孔再做其他注浆孔。

1.4 采空区灌浆加固[2]

1.4.1 采空区灌浆孔的布设

在本工程中运用了帷幕孔布设和灌浆孔布设两种。

1.4.1.1 帷幕孔布设

为了防止在压力注浆过程中浆液的四处蔓延，为此设计了帷幕孔。帷幕孔布在处理区周边，重点是桥梁西侧边缘，V-1～V-7号帷幕孔孔距 5 m，V-7～V-11号帷幕孔孔距10 m。南侧边缘帷幕孔孔距10 m。

1.4.1.2 灌浆孔布设

在桥梁采空区影响范围内注浆孔呈梅花型布设，由北向南排列，共11排，第一排距桥梁中心南侧18 m，向南依次排序。前7排排距、孔距均为5 m，后4排排距和孔距均为10 m，桥梁中心及南侧布设两排孔，排距和孔距均为10 m。在0号桥台西侧灌注孔梅花型布设，由北至南排列，共4排，第一排距路基中心南侧20 m，排距和孔距为20 m。若相邻两个钻孔均为采空区，两孔间增加一个孔。3条主巷道灌注段累计长度430 m，孔间距10 m。

1.4.2 灌浆孔施工工艺

1.4.2.1 定点

灌浆孔应用全站仪进行实地测量放样，钻孔实际位置原则误差不应超过0.5 m，当受地形影响，无法就位时，经监理和设计代表认可后适当予以调整。具体放孔方案为：首先布设取芯孔，分为采空区边缘取芯孔与采空区内取芯孔及桥梁附近取芯孔3种。

根据设计要求，采空区取芯孔数量为5%的钻孔总数。钻孔总数为440个，取芯孔数量为22个。

具体取芯孔位置为6个桥墩附近安排12个，采空区周边安排6个孔，采空区内安排4个孔。

1.4.2.2 钻探

地质钻机施工（水钻）用φ146钻头开孔，钻至完整基岩6 m后，下入管径φ146的PVC管护壁，然后变径为φ127，在第四系卵石、砾石层采用跟管钻进。用φ127钻头钻至采空区底板或矿层以下1 m。5%的钻孔进行全孔取芯，其他钻孔开孔不取芯，钻至设计深度以上20 m开始取芯，以便指导钻探和灌浆施工。钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细记录深度、层位和耗水量。

考虑大桥边缘及桥下矿层范围内存在的冒落碎屑物及上部的松散层遇水后会破坏自身的结构性产生变形甚至坍塌。为保持地层原有结构不受破坏，项目部决定桥周围及正下方的钻孔采用潜孔锤钻机钻探成孔。

其工艺为用φ150的钻头开孔，钻至稳定基岩6 m后，变径130 mm钻至设计深度，下入护壁管及注浆管。及时做好钻探过程记录，仔细观察吹起的岩粉颜色及灰尘大小，如发现出现漏风、掉钻、卡钻、埋钻等现象，要详细记录深度、层位及漏风量。

1.4.2.3 钻孔施工顺序

先用风钻施工大桥南侧前4排，即1～156号孔。考虑到地形及工期要求等影响因素，故先施工场地平整区的钻孔，采用流水作业施工。

1.4.3 材料要求

灌浆材料：C20细石混凝土，塌落度宜为160～200 mm；水泥砂浆M10；PVC管厚度3～5 mm。

1.4.4 采空区工程量

钻孔总数440个，其中巷道孔38个，帷幕孔31个，注浆孔371个；钻孔总进尺35 999 m，其中土层厚度15 848 m，次坚石20 151 m等。

1.5 采空区施工工艺[3]

1.5.1 注浆孔

注浆孔应用全站仪、皮尺进行实地测量放样，钻孔实际位置原则误差不应超过0.5 m。因受地形影响，钻孔不能放在设计位置时，可视具体情况在设计代表和工程监理的认可下予以调整。

1.5.2 钻探

a）用φ146钻头开孔，钻至完整基岩6 m后，下入φ146 PVC管护臂，然后变径为φ127。

b）做好钻探原始记录和岩芯编录及拍照工作。

c）钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细记录深度、层位和耗水量。

1.5.3 注浆工艺

a）C20细石混凝土 灌注系统由商品混凝土、混凝土输送泵和注浆管道等组成。混凝土输送泵：要求能满足正常施工要求，灌注速度要求。灌注导管：采用89 mm导管，丝扣联接。

b）M10水泥砂浆 注浆系统由注浆泵、压力表、封孔装置和注浆管道等组成。

1.5.4 施工工艺流程

本工程施工工艺流程：定点→成孔及下PVC管→下灌注管→灌注→终止注浆。

1.5.5 材料要求

a）灌注材料 C20细石混凝土，塌落度宜为160～200 mm。

b）水泥砂浆 M10。

c）PVC管厚度 3～5 mm。

1.6 采空区注浆施工应注意的相关事项

a）首批混凝土入孔后，混凝土应连续灌注，不得中断。

b）导管随灌注高度不断提升，但不应高于混凝土面。

c）灌注中发生故障时，应查明原因，合理确定处置方案，进行处理。

d）灌注孔应间隔成孔，成孔后立刻灌注。严禁批量成孔，同时灌注。

e）本项目计划采用商混结合现场制拌的方式供应C20细石混凝土及水泥砂浆，以保证材料供应，解决因堵孔等施工因素引起的施工暂停问题。

1.7 灌浆加固的检测

采空区施工结束1个月后，钻孔取芯、孔内波速测试、孔内红外可视探测及采空区监测等方法对采空区处治效果进行检验。

检查孔位置一是考虑布置在代表性的采空区位置，二是施工过程中出现异常情况的部位，检测孔总量为15个。

检查孔深度为地表至采空区地板的深度，终孔直径89 mm，全孔取芯。通过孔内取芯直接观察采空区的浆液充填情况，钻孔的岩芯采取率大于90%。

浆液结石率强度标准为混凝土柱不小于20 MPa，其他不小于 2.0 MPa。

孔内红外可视探测可以识别浆液对空洞、裂隙的充填情况和岩体的完整程度，并可用录像保存，评价采空区的处治效果。

1.8 施工过程中的重点难点分析及应对方案

1.8.1 施工重点难点分析

本工程的施工重点是将C20细石混凝土及M10水泥砂浆灌入采空区及覆岩裂缝中，依经验及公路穿越采空区治理技术研究科研成果，我部认为：

a）C20细石混凝土灌注孔与M10水泥砂浆同孔灌注可能会相互影响，致使水泥砂浆难以完全填充采空区空洞。φ89灌注管下至矿层位置，灌注混凝土后难以拔起。

b）依设计C20细石混凝土采用φ89灌注管进行灌注，灌注过程中可能会发生堵孔情况。采用混凝土输送泵输送混凝土难以控制混凝土面至矿层顶板。

c）现场进入工地仅有一条道路，且道路大车聚集，交通压力大，很可能因交通阻塞导致灌注暂停。

1.8.2 应对方案

针对以上问题，我部采用以下方案，确保工程按期、如约、保质、保量地完成。

a）当混凝土灌注过程中堵塞，我们优先采取振捣疏通措施，必要时拔起灌注管采用钻机扫孔重新灌注。若反复疏通无效，则采用φ140灌注管浇筑在稳定基岩中做为灌注管直接灌注混凝土至孔口，然后在相邻两孔中间另钻孔专门灌注水泥砂浆的方案。

b）为确保灌注质量，我部采用边勘察边施工边检查的“三边”动态施工方法。灌注混凝土后及时钻探周边钻孔兼做施工孔与检查孔。

c）对于道路不畅，我部考虑充分利用高速公路，混凝土罐车停在高速公路大桥上，采用二次输送的办法，在施工现场配置混凝土输送泵进行二次泵送。

2 结语

本工程通过采用地面灌浆细石混凝土为主，井下砌筑为辅，塌陷冒落部位及矿柱孔灌注M10水泥砂浆的治理方案，取得明显的效果，为高速公路的安全运营保驾护航。