注浆填充技术在采空区地基处理中的应用

2022-08-09蔡冠军

岩土工程技术 2022年4期

靳宝蔡冠军阎飞

（北京京能地质工程有限公司，北京 102300）

0 引言

近年来，我国基础建设规模不断扩大，越来越多采空区开发成为建设用地，采空区的治理需求日益增多。采空区治理技术的研究主要由煤炭、冶金、军事和交通等部门开展，集中在中国、波兰、英国、俄罗斯等主要产煤国家。在工程实践中，不同行业对于工程安全要求各有差异，此外，采空区分布的复杂性和差异性，导致目前不同行业对采空区治理的技术要求也不尽相同。

采空区治理项目在建筑工程领域日益增多，积累在建筑工程领域采空区治理的相关工程经验和基础数据十分必要。

注浆填充法适用于各类煤矿采空区的地基处理[1−2]，可对采空区地基发育的垮落带空洞、断裂带裂隙及弯曲带离层裂隙进行加固处理，该方法在可靠的施工组织下，通常处理效果良好。本文以北京某学校采空区治理项目为例，介绍了注浆填充技术在采空区治理方面的应用经验。

1 工程概况

拟建项目位于北京市门头沟区城子地区，该拟建场地地貌单元属于中低山区山前缓坡地带。场地地形较复杂，高差较大，地势上西北高东南低，由西北向东南呈阶梯状分布，大致可分为三级平台，各平台间高差3～10 m。

拟建建筑设计条件概况见表1。根据岩土工程勘察报告，场地采空区域主要分布在2#综合教学楼附近。

表1 拟建建筑设计条件概况

2 场地地层及采空区分布情况

建设用地南部表层为第四系坡洪积层，北部基岩出露，外围山地出露侏罗系基岩地层。地层按年代由新到老如下：

（1）第四系坡洪积层(Q4al/pl)：表层为填土，下部为坡洪积的黏性土、粉土及碎石。

（2）侏罗系窑坡组基岩(J1y)：分布在建设用地下及其附近大部分地区。岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥质岩、夹含砾粗砂岩和煤层。粉砂岩为窑坡组的主要组成部分，灰黑−黑色，中厚−厚层状，含可采煤层九个层位，为主要赋煤开采地层。该层又可分为上窑坡组和下窑坡组，其中九个可采煤层主要集中分布在下窑坡组地层，上窑坡组仅局部赋存可采煤线。

根据场地《地质灾害危险性评估报告》及《岩土工程勘察报告》，建设用地部分区域发现有小窑开采迹象，开采深度7.5～78.2 m，多集中在25.0～57.7 m，开采厚度一般为0.4～2.4 m，采深采厚比大部分大于30，多为浅层−中层采空区，少数为深层采空区。当上部存在附加荷载及其他诱发因素时，易发生地面塌陷。

3 拟建场地稳定性评价

以2#综合教学楼为例进行验算。基础形式为筏板，基础埋深取10.9 m(8.4～13.4 m，取中间值)，建筑物长度按45 m考虑，宽度按12 m考虑，基底荷载为210 kPa，建筑中心点下的附加应力P按式(1)计算：

式中：P为建筑物基底单位压力，kPa；P.为建筑物荷载，kPa；m=L/B ；n=Z/B。

根据式（1）得P =107.4 kPa。

根据钻探揭露采空区的开采特点，结合地质调查结果，采用采空区场地稳定性评价验算公式进行地基稳定性验算，采空区宽度按5 m考虑，岩石重度按25 kN/m3考虑，岩石的内摩擦角按40°考虑（综合考虑岩石中等风化取值）。见式（2）：

式中：Q为采空区顶板上的压力，kPa；G为采空区单位长度顶板上岩层所受的总重力，kN/m；G=γHB；B为采空区宽度，m；f为采空区侧壁的阻力，kN/m；H为建筑物基底至采空区顶板的厚度，m；γ为岩石的重度，kN/m3；φ为岩石的内摩擦角，(°)。

当H增大到一定深度，使顶板岩层恰好保持自然平衡（即Q=0），此时称为临界深度h：

根据式（3），得h=3.09 m。

当H≤ h时，地基不稳定；h< H ≤1.5 h时，地基稳定性差；H>1.5 h时，地基稳定。

拟建场地H<3.09 m时，为地基不稳定的区域，必须进行地基处理；3.09 m 4.64 m时，地基稳定，理论上不需要处理[3]，但是根据以往的经验，拟建场地处于采煤沉降区的中间，虽然场地下缓倾斜煤层已停采多年，按照岩层移动规律，地表移动活跃期已过，快速变形阶段已经完成，地表沉降基本趋于稳定，但煤层采空所引起的残余沉降仍将持续相当长的一段时间，对拟建建筑物还会产生一定的影响，所以整个采空区属于不稳定地段，全部采空区需要进行加固处理[4−10]。

4 地基处理方案分析比选

根据《煤矿采空区建(构)筑物地基处理技术规范》(GB 51180−2016)[2]，采空区的地基处理方法主要有以下5种。

（1）注浆填充法适用于各类型煤矿采空区的地基处理，可对采空区地基发育的垮落带空洞、断裂带裂隙及弯曲带离层裂缝进行加固处理。

（2）穿越法可用于采空区埋深不大于30 m的非急倾斜采空区地基处理。

（3）砌筑法用于非采动、采空区顶板未完全垮落、空洞大、通风良好且具备人工作业和材料运输条件的采空区地基处理。

（4）强夯法适用于埋深小于10 m的采空区，覆岩顶板厚度不大于6 m的采空区，岩体完整性程度为极破碎−较破碎、坚硬程度为极软岩−较软岩的采空区。

（5）堆载预压法适用于采深小于10 m、充分采动、顶板完全垮落、基底压力小于300 kPa的采空区地基处理。

通过对比分析几种处理方法的适用性，结合拟建场地小煤窑的埋深、煤层倾角、覆岩的岩性特征、小煤窑的开采类型、开采厚度、深度及其顶板管理方法，本着技术可行、经济合理、满足进度的原则，最终选定了灌注填充法中的劈裂注浆工艺进行采空区加固处理。

5 施工方案

5.1 方案介绍

根据调查了解及勘察钻探揭露情况，结合以往的工程经验，采空区填充钻孔孔深60 m，钻孔间距10～20 m。填充采用一次成孔、自下到上一次性全灌注的方法进行注浆加固处理。采用先施工外围的注浆孔、后施工内层注浆孔的施工顺序，按照煤层底板从低到高的顺序填充施工。注浆浆液采用水泥净浆，水固质量比为1:1，现场施工根据实际情况进行动态调整。注浆填充完成以后3个月，通过物探等测试手段进行现场实地测试验证填充效果[11−12]。

5.2 施工原理

首先成孔达到采空区域，然后采用配好的水泥浆液进行压力灌注填充，直至采空区填充密实为止。灌注施工应遵循“先外围孔后内层孔”、“分序间隔灌注”的原则。注浆填充原理见图1。

图1 注浆填充原理示意图

5.3 重点问题的处理措施

由于注浆施工是隐蔽工程施工，施工质量控制要求较高，在实际施工中会遇到各种困难，可概括为以下三方面：

（1）使用泥浆护壁钻探工艺时，孔内残留泥浆与填充水泥浆液混合，降低了填充物凝固强度，因此注浆填充法中钻孔成孔时禁止泥浆护壁，要求采用清水正循环钻探工艺施工，场地内上部地层大多为第四系土层，较为松散，成孔后难以保持钻孔的完整，容易塌孔。

要求钻机成孔时采用跟套管钻进，抽筒应与套管基本保持同步深度，抽筒最深不得超过套管底靴0.5 m；跟打套管时应边冲打边转动套管，以保证下入的套管呈松动状态，以利于起拔。

（2）岩层破碎、裂隙或裂缝发育，止浆不好或止浆时间不够（止浆浆液未凝固）时，注浆压力过大等，可能出现地面或孔壁与注浆管间冒浆、窜浆（浆液进入他孔或从他孔流出）。

钻孔注浆出现地面或孔壁与注浆管间冒浆时，调整注浆压力或者浆液稠度，或采用间歇注浆工艺；出现窜浆(浆液进入他孔或从他孔流出)时，施工间隔应适当加大，一般前一次序孔注浆的浆液基本凝固后，再开始后一次序孔的钻注工作，并且加强邻孔孔深及水位的观测，及时处治，或者重新浇铸孔口管。

（3）采空区因为诸多因素（如地质构造，煤层分布、倾向和走向不确定，巷道连通情况）注浆量出现过大或者过少，均为施工中的难点。如浆液消耗量大，则成本目标难以把控；浆液消耗量太少，说明没有探明地层采空区，填充处理后的地层也难以达到质量要求。

浆液过量流失到非注浆部位或地段时，通过分析探空孔的探空深度，判断巷道的走向和倾向，确定要求地基处理范围内巷道最低的部位采用低压浓浆灌注、间歇注浆，或加入适量速凝剂或骨料，或采用小泵量注浆使其成为一个封闭空间，然后再进行注浆填充，可以节省注浆量，控制成本投入；如浆液消耗耗用量太少，说明存在没有探明潜在危害的采空区域，加密探空孔的数量和加深探空孔的深度，探明采空区并进行注浆填充治理，保证拟建建筑物地基的稳定。