高速公路下伏采空区注浆关键技术研究

覃周东　赵承伟　张大斌

摘要：文章依托某高速公路工程实例，介绍在其下伏采空区注浆施工中，采用水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS）新型速凝型作为注浆材料，明确了浆液扩散半径、注浆量及注浆压力，并提出合理的施工工艺对其下伏采空区进行处治。通过采用大地电磁层析法对其处治效果进行检验，证明该高速公路下伏采空区注浆施工取得了良好的加固效果。

关键词：高速公路；下伏采空区；注浆；施工技术

0引言

随着我国经济的迅速发展，各种矿产资源的开采不断加大，伴随而生的采空区也越来越多。在高速公路建设中，采空区治理成为一个不可避免的难题，直接关系到高速公路的安全运营。目前水泥和粉煤灰为主要材料的充填注浆法是最常用的采空区加固方法［1］。但是，这种方法仍存在一些问题，如传统注浆材料静水抗离析性和动水抗分散性不佳等。基于此，本文以某高速公路K99+620～K100+150路段下伏采空区治理工程为依托，围绕下伏采空区注浆关键技术难题进行研究，形成了治理下伏采空区的成套施工技术，为该高速公路下伏采空区的治理提供技术支持，同时也为其他类似采空区的处治提供参考。

1 工程概况

某高速公路K99+620～K100+150路段经过煤矿采空区，该煤矿煤层开采深度浅，仅为20～100 m。该采空区的下部煤层已经全部被开采完毕，留下了大面积的采空空间，导致覆盖采空区的上部岩土体的稳定性变差，使地表和顶板容易坍塌。该路段地面标高为55 m，地形以冲积平原为主，含煤底层多数已被冲洪积层所覆盖，地表为耕地，地貌较为单一。该路段所处采空区由于隐伏空洞分布比较散乱，且地层岩土破碎程度高，不适宜采用填充粗骨料的处治方式，因此本工程采用注浆工艺对该下伏采空区进行处治。

2 高速公路下伏采空区注浆关键技术

2.1 注浆材料

水泥浆液在处治公路下伏采空区时是最主要的注浆材料。传统的水泥类材料存在一些缺点，如凝胶时间长、前期注浆强度不足等问题，而化学或高分子类材料则成本高、易污染，不能长期保证加固安全［2］。为此，本工程采用一种新型速凝型注浆材料——水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS），该材料具有良好的静水抗离析和动水抗分散性能，可以有效避免传统水泥材料的缺点。为防止浆液流失，现场施工过程中，可实时调整浆液配合比。本工程所采用的水泥粉煤灰改性水玻璃配合比通过实验室确定为m水∶mEG∶mAA∶ms=1∶0.02∶0.03∶2，水固比确定为1.0∶1.0，mC∶mFA=40%∶60%，V（C+FA）∶VMS=1.0∶0.4，流动性为380 mm，初凝与终凝时时间分别为48 s与9.67 min，7 d抗压强度值为2.68 MPa。

本工程采用普通硅酸盐水泥P·O42.5级作为混凝土主要原材料，且所使用的水满足混凝土拌制要求，pH值＞4。对于粉煤灰的选择符合《粉煤灰混凝土應用技术规程》（DG/TJ08-230-2006）中对Ⅱ级粉煤灰的要求。此外，本项目还使用了30°～40°Be模数的水玻璃与模度为2.4～3.0的乙二酸与乙二醇。

2.2 浆液扩散半径的确定

本工程在注浆管壁上采用梅花形钻孔进行注浆，浆液会从注浆管中流出，呈柱状扩散在土体中。需要计算出浆液扩散半径r1及注浆孔孔距y，以取得合适的注浆效果。针对此需要，可以使用式（1）和式（2）计算求得。

式中：h1——注浆压力水头（m）；

t——注浆时间（min）；

k——渗透系数，取值为6.2×10-2～1.8×10-1 cm/s；

n——孔隙率，取值为0.4～0.5；

β——浆液黏度与水黏度之比，取值为0.48～0.64；

r0——灌浆管半径，本工程为7.5 cm；

b——相邻注浆孔内浆液扩散相交厚度，为b=r1；

y——注浆孔孔距。

本工程各参数取值为h1=110 m，t=200 min=12 000 s，k=2.25×10-2 cm/s，n=0.45，β=0.56，r0=7.5 cm，根据式（1）和式（2）计算得出注浆孔孔距y为12.5 m，浆液扩散半径r1为7.2 m，边缘孔间距为7.14 m。本工程下伏采空区左右最外侧边缘孔，注浆孔以高速公路轴线为中心，从两侧呈梅花型分布，具体如图1所示。

2.3 注浆量与注浆压力的确定

注浆量的确定与岩土体孔隙率、注浆渗透半径及注浆方式等多种因素相关，注浆渗透半径内加固区域的孔隙充填程度越高，则代表注浆效果越好［3］。单位时间内注浆总用量Q的确定可以通过式（3）求得。

Q=π²₁L·n·λ（3）

式中：λ——浆体损失系数，取值为1.1～1.2；

n——孔隙率，取值为0.4～0.5；

L——柱状注浆长度，取值为6 m。

通过式（3）计算得出本工程单孔注浆总用量为5.05 m3，具体可根据下伏采空区地下情况及深度进行动态调整。

注浆压力和浆液特性、下伏采空区地质结构等相关，一般取值为1.0～1.5 MPa，可以采用试注来确定。该工程所采用的浆液结石体7 d抗压强度＞0.8 MPa，其填充率需达到80%～85%，计划采用20 min间隔内单位时间注浆量＜50 L/min，其注浆压力＜2.0 MPa，稳定15 min即可终止注浆。

2.4 施工工艺

选择注浆方法需要考虑浆液凝胶时间与岩土体类型等因素［4］。在双液化学注浆中，浆液凝胶时间＞5 min时可选单枪注浆；凝胶时间为2～5 min时可选1.5枪注浆；凝胶时间＜2 min时，采用双枪注浆。由于本工程凝胶时间较短，采用双枪注浆方式，即将水泥－粉煤灰浆液A和改性水玻璃B液一起泵入孔底混合。具体注浆流程参见图2。

在注浆过程中，为确保注浆质量，必须遵循“少量多次”的原则。混合水泥、粉煤灰和改性水玻璃（C-FA-MS）后，应立即进行注浆工作，以避免空气进入浆液中，对注浆质量产生负面影响。同时，需要密切观察浆液的填充效果和扩散半径，并随时根据情况调整注浆压力和方法。在注浆前，必须进行清理，可使用稀释的水泥浆进行冲洗。但清理时间不应过长，一般在5～10 min完成，同时需注意防止漏水情况。注浆泵和搅拌池的具体数值需在注浆前进行测量，并隔一段时间进行重复测量以保证浆液精准度。配合采空区特点、施工现场情况和工程目的等，注浆浆液的配比需要通过现场试验确定，如水固比取1∶1～1∶1.3，水泥占固相的15%～30%。除了在注浆前对具体数值进行监测外，隔段时间需进行复测，以确保注浆液质量，保障加固效果。

施工人员在注浆作业期间，应密切观察注浆泵的吸浆量，并记录所施加的泵压力，以及注意观测注浆过程中出现的各种现象，并及时调整注浆浓度。如果吸浆量变化明显，则需要及时调整浆液浓度。为保证注入的浆液能够充分沉淀并固结，间歇式注浆法的施工方式更为理想，最好待浆液水化及过滤后再进行第二次注浆，以确保注浆的固结质量。在注浆过程中，需要适时调整浆液浓度，遵循“先稀后浓”的原则，以有效控制注浆过程并根据吸浆量的变化进行浓度调整。若吸浆量未明显变化，一般可按2 h为界限增加浆液浓度。

如果钻孔所在的空洞较大或是周围与空隙相连通，那么注浆应该采用双液注浆方式，而不是加入速凝剂来制作单液浆。使用双液浆能够快速形成初次凝固物质，在钻孔周围形成坚实的固结体，以阻止浆液的流失。此外，注入多孔性速凝浆料可以形成持久的、连续的阻挡浆液渗漏的物质屏障，真正实现迅速密封的目的。

如路基下发现较大范围的采空区，可以利用注入骨料和采用旋喷固结技术的方法来充填空隙［5］。通過这种特殊的工艺，可以在采空区内形成坚固的柱状支撑体，从而有效提高对覆岩层的支撑能力，保持路基的长期稳定性。在多个支撑体形成后，可以使用混合浆液来填充剩余的空间。在施工之前，需经过相关设计、监理和建设单位的同意，且钻孔孔径相对于普通注浆孔要增加两级。

3 加固效果评价

3.1 现场检测方案

根据地质条件和探测目的，采用了大地电磁层析法进行探测。在大地电磁探测中，共有305个电分量点，每个测点均有20个频点，分布在5条电分量剖面上，编号依次为1～5，水平距离依次为12.3 m、13.3 m、13.1 m、12.8 m，探测区域的宽度约为51 m。所有剖面的点距均为5 m。5条电分量剖面分布在路基中间隔离带、路基上方两侧边沿及路基两侧底部。

3.2 检测结果分析

大地电磁探测剖面的编号为1～5号剖面，按照由北向南的顺序排列。在剖面探测中，记录了电磁场的电分量数据，并通过软件处理转化为层析图。剖面1、2探测情况具体如图3～6所示。

对图3剖面1曲线进行分析可以看出，在不同频率探测下，曲线形态相似，与浅层探测曲线接近，没有明显的异常情况。从图4剖面1层析图中可以看出，0号～20号测点电阻率数值由西向东呈现变小的趋势，这是由于该方向在探测时仍在施工，导致电场干扰所致。在具体测点处电阻率横向与纵向均未发生异常情况。综合判断，在探测剖面1中未发现明显异常低值的情况，100 m深度未见大型空洞，证明此次注浆效果较好。

对图5剖面2曲线进行分析可看出，在不同的探测频率下，各点曲线形态接近，与浅部探测曲线也相似，没有明显的异常情况。15号测点处曲线较为松散，这说明该测点处存在底层渐变的情况，但是曲线向下有较大的延伸，因此并不属于空洞情形。从图6剖面2层析图可以看到，剖面2与剖面1的图像特征、形态基本一致，在具体测点处电阻率横向与纵向均未发生异常情况。综合判断，在探测剖面2中未发现明显异常低值的情况，100 m深度未见大型空洞，证明此次注浆效果较好。

[JP1]对余下的剖面3、剖面4、剖面5的电分量曲线图与电分量层析图进行分析，可以发现各探测频率的曲线形态基本相近，与浅部探测曲线也非常相似，且并未出现显著的低值异常。基于与剖面1、剖面2一致，具体测点处电阻率横向与纵向均未发生异常情况。综合判断，在探测剖面3、剖面4、剖面5中未发现明显异常低值的情况，100 m深度未见大型空洞，证明此次注浆效果较好。

4 结语

本文依托工程实践对高速公路下伏采空区注浆关键技术进行分析与研究，采用水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS）新型速凝型作为注浆材料，明确浆液扩散半径、注浆量及注浆压力，通过科学、合理的施工工艺对该采空区进行加固处治。待加固处治完毕后，为检验加固效果，利用大地电磁层析法对其进行探测，其探测结果表明地下100 m深度内未出现采空区形成的空洞异常，表明注浆方式填充效果较好，达到预期加固目的。

参考文献：

［1］万战胜，董清志，边俊鹏，等.郑洛高速采空区注浆处治施工管理策略研讨［J］.工程技术研究，2023，8（1）：121-123.

［2］张 磊，李其锐.采空区注浆材料配合比试验研究［J］.电力勘测设计，2022（12）：69-73.

［3］冯兴亮，曹小亮.某高速公路采空区稳定性综合评价及治理方案研究［J］.公路，2022，67（10）：126-130.

［4］魏家俊.我国现有公路下伏采空区治理技术研究［J］.建筑技术，2021，52（1）：115-119.

［5］刘小平，李 姗，刘新星，等.煤矿采空区注浆治理工后质量检测技术与实践［J］.煤田地质与勘探，2020，48（5）：113-122.

作者简介：覃周东（1985—），工程师，主要从事高速路监理工作。