混合材料法治理公路充水采空區

鄭齊銀

(1.黃土地區公路建設與養護交通行業重點實驗室;2.山西省交通科學研究院)

混合材料法治理公路充水采空區

鄭齊銀1，2

(1.黃土地區公路建設與養護交通行業重點實驗室;2.山西省交通科學研究院)

針對公路下充水采空區的特殊空洞環境，提出充填混合材料即類混凝土壓力注漿的方法，以陽泉西環充水采空區治理工程為例，通過試驗和施工實踐，提出了適宜的施工配合比和施工工藝，較經濟地完成了治理工程，取得了較好的經濟和社會效益。

充水采空區;混合材料;壓力注漿;配合比

1 問題的提出

近年來山西高速公路網通過的煤礦老采空區或多或少地存在地下水，對于充水采空區的注漿治理方法及材料選擇，目前多采用水泥粉煤灰漿液進行壓力注漿，充水情況下漿液形成設計強度的周期較長，且存在施工缺陷，交通部頒發的《采空區公路設計與施工技術細則》要求對采空區內存在大量地下水的情況應進行專題研究，并探索有效的采空區處治措施、以確定合理的設計與施工方案。因而，有必要對充水采空區注漿工藝及漿液配合比進行研究。

以陽泉西環高速采空區治理工程第五合同段K6+640～K7+130段C匝道橋下充水采空區處治為例，試驗性地采用了混合材料壓力注漿法施工，其中混合材料包括類混凝土與傳統水泥粉煤灰漿液，“類混凝土”由水泥、粉煤灰、煤矸石及砂石材料加入少量添加劑加水混合。施工實踐中提出了類混凝土在處理充水采空區的配合比及施工工藝。工程實踐表明，采用本方法與配合比有利于漿液強度的及時形成，適合于充水條件下的采空區處治實踐。

2 工作原理及優點

目前采空區治理工程中一般采用250型注漿泵，主要應用于不含骨料的流塑狀漿液，對于充水采空區的治理，鑒于其地質環境的特殊性，采用由水泥、粉煤灰、煤矸石、砂石材料及少量添加劑加水混合而成的含有骨料的粘稠膏體狀材料稱之為類混凝土，“類混凝土”的比重大，可置換出采空區內的水體，能很好地解決充水大空洞采空區問題。

本研究采用混合材料配注漿治理充水采空區，不再采用250型注漿泵，其由攪拌系統和輸送系統完成，注漿系統可以配制含有骨料的粘稠膏體狀材料，其中攪拌系統(含配料)由作為上位機的工控機與作為下位機的PLC組成，并配以稱重儀表和模擬盤;輸送系統能輸送稀漿液及水。治理公路等線性工程下伏采空區常因距離較長或治理范圍較大需要建立多個注漿站。本充水采空區注漿系統的攪拌及輸送系統均可移動，大大節省工程費用和縮短工期。

該系統的另一個優勢是能夠依據需要配制各種比例的漿液，適用于不同空洞、裂隙的工況，基于漿液材料的靈活多樣，能夠因地制宜變化漿液配比，以保證受注體處治效果，同時系統輸出壓力可達10 MPa，高壓力能有效地進行裂隙注漿并盡可能排出充水采空區水體。

3 配合比與性能評價

在采空區處治設計時，配合比的確定是一項極其重要的工序，鑒于充水采空區本身地質條件的特殊性，本研究綜合分析，采用了低污染、低成本材料，主要為5～20 mm煤矸石、中砂、普通粉煤灰、32.5礦渣硅酸鹽水泥、高效減水劑。反復試驗制作成試件，經測試，建議配合比為 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。據此配制的類混凝土流動性能滿足泵送混凝土要求，其塌落度18～22 cm，28 d平均強度大于2.0 MPa，實測強度值均滿足目前采空區治理的通用設計要求。采用本配合比形成的混合材料漿液，成本接近于2∶8水泥粉煤灰漿液材料，低于3∶7水泥粉煤灰漿液材料的成本。

4 混合材料處治充水采空區施工工藝

(1)開孔采用Φ165鉆頭，至穩定基巖以下6 m變徑，改用Φ160鋼管作套管和灌注類混凝土管下至變徑處，再改用Φ146鉆頭鉆至采空區底板以下1 m。

(2)混凝土孔成孔后，將Φ160套管(一端帶有法蘭盤)下至變徑位置，置入少量粘土以防大量滲漏漿液，而后灌入1∶1.5～1∶2素水泥漿(可加入水泥重量2%的速凝劑)，使漿液在孔內高度達4～6 m，Φ160管既是套管也是注漿管，一端法蘭用于連接控制閥，控制閥上面連接注漿管和安全閥，裝置見圖1。

圖1 鉆孔結構示意圖

(3)在類混凝土治理采空區的工藝流程中，地泵泵送混凝土、攪拌機攪拌類混凝土、HBT60C拖式混凝土泵灌注，如灌注壓力較大時應安裝安全閥，閥值10 MPa;在類混凝土充滿采空區時管道內壓力會很快升高，大于10 MPa時安全閥會自動打開，以防止壓力過大發生崩管傷及施工人員，安全閥自動打開后，應暫停5 min后繼續灌注，如安全閥呈持續打開狀態可以認為該孔的類混凝土灌注完畢。

(4)類混凝土灌注過程應保持一定的連續性，其間歇時間不宜大于30 min。灌注結束后方可進行水泥粉煤灰漿液灌注，其技術要求按《采空區公路設計與施工技術細則》執行。

5 工程實踐

5.1 工程概況

工程位于山西省陽泉西環高速公路第五合同段采空區域，在治理此處煤礦采空區過程中，發現K6+640～K7+130段C匝道橋1#墩(設計樁長15 m)范圍26 m處掉鉆3 m，橋墩樁底位于煤礦斜井上方約11 m處，斜井巷高3 m、寬4 m，呈15°坡度向下延長至800 m，目前該斜井已經關閉。井內大量充水，地表變形不明顯。

5.2 充水采空治理的方案設計

項目區斜井內大量充水且空洞較大，用常規煤礦采空區治理方法無法確保工程質量，綜合研究后確定采用泵送類混凝土灌注法及全充填壓力注漿法相結合進行治理。

治理范圍沿斜井方向取15 m，根據斜井及橋墩寬度確定治理寬度4.5 m，治理深度為采空區底板以下1 m，孔位呈梅花型布置，間距3 m。

5.3 注漿材料的選取

根據上述的試驗配合比 m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m煤矸石=11.68∶4.18∶10.75∶12.13∶61.26 選取注漿材料，建議類混凝土塌落度15～24 cm，具體配合比由實驗室和現場試灌注確定，補充漿液選用水泥粉煤灰漿，水固比1∶1.0～1∶1.2(水泥30%，粉煤灰70%)。

5.4 注漿質量檢測

注漿質量檢測于施工結束7 d后進行，鉆探取芯檢查施工效果并進行壓水實驗，檢測表明:巖芯的結石體比較完整，其長度與空洞直徑基本吻合，達到了排水結石的效果。對該取芯孔進行壓水實驗15 min，壓水量為0.68 m3，壓水量與鉆孔體積相差不大，表明治理后的采空區空腔及覆巖裂隙均被填充密實。

表1 采空區治理工程質量檢測成果表

6 結論及建議

試驗表明漿液配合比中 m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m煤矸石=11.68∶4.18∶10.75∶12.13∶61.26 時強度滿足設計需要。

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U416.1

C

1008-3383(2013)04-0022-02

2012-12-27

鄭齊銀(1975-)，男，河南商城人，工程師，研究方向:公路地質災害治理。