采空區(qū)注漿地基處理方案的設計與施工

董紅霞

(山西六建集團有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

在工程項目中經常會遇到采空區(qū)的問題，對于現采區(qū)和未來采區(qū)，可通過井下開采措施或地面構筑物保護措施來解決，但對老采區(qū)，特別是小煤窯，到目前為止，尚無完善的治理方法，目前以使用壓力注漿充填法為主。

1 工程概況

盂縣水神山道路工程第五合同段秀水河橋項目，設計橋型60 m×20 m×11 m預應力T梁。2008年5月開工，2009年6月竣工，橋墩地基采用灌注樁處理。在灌注樁施工過程中遇到采空區(qū)，通過對歷年來采空區(qū)治理方法的調查與分析，并結合本工程實際情況，最后確定采用“一樁一孔注漿處理方法”對采空區(qū)地基進行處理，鉆孔200個，其中帷幕孔66個，一般注漿孔100個，樁間增強孔34個，采空區(qū)處理平均埋深60 m，處理長度240 m，寬80 m，采高3.0 m，回采率30%，漿液結石率75%，充填率75%，漿液流失系數0.1，總注漿量15 840 m3，工作中得到很好的運用。

下面就該工程采空區(qū)地基處理方法的工藝原理、設計方案確定、施工工藝、工程質量控制、處理效果等方面作一介紹。

2 工藝原理

1)通過注漿，能有效地填充冒落帶巖石空隙及空洞，增強了冒落帶巖石密實度，提高了原冒落帶巖層砌體結構的整體剛度，阻止了頂板繼續(xù)垮落。

2)依靠漿液良好的流動性，對節(jié)理、裂隙、層理等軟弱結構面進行填充膠結，提高了抗剪強度，增加了裂隙帶的整體性。

3)水泥、粉煤灰漿液凝固后具有一定強度，經過對采空區(qū)填充加固，巖石的穩(wěn)定性增強，提高地基承載力。

3 方案設計

3.1 熟悉地質情況

1)熟悉巖土工程勘察報告及相關地質資料。

2)了解采空區(qū)范圍，并做好野外社會調查。

3)了解煤礦開采情況，有無越界、違規(guī)開采，以及回采率等。

3.2 煤層頂板、地基穩(wěn)定性計算

1)計算總則。采空區(qū)頂板冒落特征主要包括煤柱失穩(wěn)型覆巖破壞、“頂板逐層跨落型”殘留空洞覆巖破壞和“頂板抽冒型”殘留空洞覆巖破壞。

首先，廢棄采空區(qū)中的殘留煤柱，在地下水侵蝕、風化和其他擾動因素作用下，其強度將隨時間產生弱化和蠕變，當作用在煤柱上的荷載達到煤柱上的強度極限時，煤柱失穩(wěn)造成上部覆巖破壞。其次，采空區(qū)上覆巖層的跨落是逐層向上發(fā)展的，頂板巖層呈懸露狀態(tài)，類似于板狀結構，可近似將其視為兩端固定的梁，若以最大拉應力作為巖層斷裂的依據，當最大拉應力達到或超過該巖層的抗拉強度極限時，巖層將斷裂跨落，產生頂板逐層跨落破壞。第三，對于淺部柱式采空區(qū)，由于埋深較淺，頂板松軟，覆巖呈層狀碎裂或散體結構，煤柱與周圍巖體之間的內聚力為零，其原有的平衡狀態(tài)極易打破，而發(fā)生頂板抽冒破壞。

3.3 治理方案的確定

根據計算結果、本地環(huán)境和經濟技術條件、材料來源、上部結構特征并考慮工程造價、工程進度等因素，結合本場地采空區(qū)埋深深度、平面分布特點及采空冒落情況，確定采空區(qū)處理平面布置圖、鉆孔深度、數量、漿液所用材料等。

1)橋墩樁基范圍內為采空區(qū)治理重點部位，采用一樁一孔施工方法，鋼筋混凝土灌注樁澆筑前，將直徑127 mm～146 mm的鋼管綁扎在鋼筋籠中，與鋼筋籠同時下入鉆孔中。灌注樁混凝土施工完畢后，從鋼管中下入直徑89 mm的鉆具施工注漿鉆孔，注漿孔成孔后下入注漿管進行注漿，在橋墩之間，根據采空巷道分布情況，增加部分樁間增強孔。

2)如果能確定礦井巷道的確切位置，注漿孔要布置在巷道上，但對于小煤窯，往往難以確定其確切位置，故此一般采用均勻布孔原則。

3)治理范圍邊緣部位布置邊緣帷幕孔，以防漿液流失。孔間距一般要小，可以采取前后交錯布置方式。

4)漿液配合比的確定。漿液材料由水、水泥、粉煤灰組成，帷幕孔采用42.5號普通硅酸鹽水泥、普通生活用水、三級粉煤灰，水泥∶粉煤灰固相比3∶7，漿液水固比為0.6∶1，同時在漿液中添加不少于水泥重量3%的速凝劑。處理區(qū)域內采用42.5號硅酸鹽水泥、普通生活用水、三級粉煤灰，水泥∶粉煤灰固相比3∶7，漿液水固比為 0.8∶1。

最佳配比要通過配合比試驗及現場可注性試驗來確定。

注漿壓力的大小決定漿液的有效擴散半徑和充填、壓密的效果，注漿壓力的選擇要以不使地層結構破壞為原則。

4 施工工藝及操作要點

4.1 施工工藝流程

施工現場準備→測量放線→注漿孔施工→澆筑孔口管→注漿→注漿質量檢查→驗收→檢測。

4.2 施工現場準備

1)施工現場的準備主要是地表鉆探所占的地面及注漿泵站。

2)采用全站儀進行鉆孔定位，其鉆孔位置偏差不大于5 cm。

4.3 注漿孔施工

1)鉆孔孔徑宜為89 mm～168 mm，根據地質情況，選用開孔鉆徑。當存在軟弱基層時，應采用變徑、下護壁套管等方法進行鉆進。為加快施工進度，可采用送水取芯鉆進。

施工順序為:確定孔位→平整場地→鉆機就位校正、安裝沖洗液系統(tǒng)→鉆進→鉆探原始記錄、巖芯編錄→終孔、驗收→物探測井→質量評定。

2)注漿孔與灌注樁同時施工，采用一樁一孔施工方法，成孔流程示意圖見圖1。

圖1 成孔流程示意圖

4.4 澆鑄孔口管施工

1)鉆孔施工完畢后應及時下入注漿管，下注漿管前應準確校核孔深、變徑、封孔管長度等。注漿管口采用絲扣連接，托盤制作要規(guī)范，一般應小于封孔端孔徑2 cm～3 cm，下管前先將托盤以下注漿管連接，下管過程中要保持注漿管垂直，防止堵塞注漿管口。

2)澆鑄孔口管施工順序為:加工注漿管→焊接法蘭托盤→下注漿管→沿孔壁向孔內投少量礫石→加入適量粘土→加入水泥、水、粉煤灰，用純水泥漿封孔→管口保護→驗收。

3)止?jié){段深度宜為2 m～3 m，托盤以上注漿管外壁與鉆孔內壁之間間隙投入20 cm厚礫石和中粗砂，而后采用純水泥或水泥粉煤灰封孔，水灰比控制在0.5∶1～0.7∶1，確保封孔質量。地表以上注漿管不宜過長，一般0.6 m～1.0 m為宜。

4.5 注漿加固施工

1)注漿加固施工順序為:施工準備→原材料檢驗、修建泵站備料→沖洗孔壁、安裝攪拌機→安裝注漿管→配置注漿液→開泵注漿→停泵驗收→沖洗注漿泵及管道→整理資料、驗收。2)注漿施工時，先施工帷幕孔，以形成有效的止?jié){帷幕，阻擋漿液的外流，后施工中間注漿孔;鉆孔分序次間隔進行，一般分二到三序次成孔;一序孔對采空區(qū)可以起到補勘的作用，根據實際地層及采空區(qū)情況對后序孔的孔位、孔距、孔數進行適當調整，以彌補均勻布孔設計的不足;注漿工作也應間隔式分序次進行，一序次孔漿液可能擴散范圍較大，二、三序次孔注漿將使前序次未充填的空洞得到再次充填，從而提高充填率。3)注漿漿液材料主要為水泥，根據需要可加入外加劑及摻合料。水采用普通生活用水，水泥宜采用42.5級的普通硅酸鹽水泥，摻合料為粉煤灰，宜采用三級以上。外加劑和摻合料的用量，應通過試驗確定。4)漿液采用二次攪拌，攪拌機一次加水到位后，添加水泥和粉煤灰的摻合料，添加過程中隨添隨攪，添加完畢后攪拌時間不少于5 min，注漿過程中每間隔5 min，需攪拌一次，攪拌時間不少于2 min。5)由外向內施工，帷幕孔注漿采用間歇式注漿，單孔注漿量達50 m3時，停注12 h，而后繼續(xù)灌注，如此循環(huán)，單孔注漿量達200 m3而未注滿時，在孔口加一漏斗狀的投砂器，用漿液將砂或粒徑不大于0.5 cm的礦渣投入孔中，同時按以上方法進行循環(huán)灌注。6)注漿孔注漿施工采用一次止?jié){一次注漿的施工方案，所有鉆孔均下管注漿，第一序次施工注漿鉆孔宜大間隔進行，以進一步探明采空區(qū)分布范圍，第一序次注漿結束后對剩余鉆孔施工注漿，并檢驗第一序次注漿效果。7)注漿停止標準:a.孔口管壓力升至1.5 MPa以上，穩(wěn)定15 min。b.孔口管壓力未升至1.5 MPa，但吃漿量小于75 L/min，且持續(xù)15 min。c.地表溢漿、鉆孔串漿。以上條件均可作為停注的標準，停止注漿4 h后，對所用鉆孔進行復注。

4.6 注漿效果檢查

1)注漿質量室內做漿液結石體強度試驗，要求漿液結石28 d強度達到2.0 MPa。2)注漿結束6個月后，檢查孔取芯檢查冒落巖石中漿液充填情況，取芯率應大于80%以上。3)采用彈性波測井對注漿情況進行檢驗，注漿層平均剪切波速應不小于160 m/s。檢測數量不少于3個鉆孔。4)設地面沉降觀測網，觀測期不少于注漿后1年。

5 安全環(huán)保措施

1)注漿過程中應避免高壓噴嘴接頭斷開或軟管破裂導致漿液噴射、軟管甩出引發(fā)安全事故。2)施工中鉆機應置于平整堅實的地面上，鉆機移位時應平穩(wěn)并保持挺桿垂直，防止傾斜倒塌。3)水泥和粉煤灰等細顆粒散體材料，應遮蓋存放，運輸時防止遺撒、飛揚。4)注漿時應避免漿液對地下水源及周圍環(huán)境的污染。

6 結語

一樁一孔注漿法處理采空區(qū)提高了地基承載力，減少了地基的整體沉降和不均勻沉降。從治理的效果來看，壓力注漿治理由采空區(qū)引起的路基塌陷是非常成功的。

[1] 竇隨兵.隧道下煤礦采空區(qū)處治方案及支護[J].山西建筑，2005，31(4):53-54.

[2] 邢繼亮.注漿法在采空區(qū)地基處理中的應用[J].山西焦煤科技，2010(11):31-33.