高速公路采空區(qū)地基注漿施工技術(shù)

羅亨俊

（貴州省銅仁公路管理局，貴州 銅仁554300）

1 工程概況

某高速公路煤礦采空區(qū)特殊路基位于正線K30+820～K31+170段，采空區(qū)路段地層屬于華北地層區(qū)。該地段已經(jīng)形成大面積的采空區(qū)，其上覆的巖層塌陷冒落，自下而上形成冒落帶、裂隙帶和整體彎曲帶，導(dǎo)致部分地表發(fā)生變形、產(chǎn)生裂縫、裂隙及地面沉陷，對(duì)擬建公路產(chǎn)生極大的破壞作用。針對(duì)此，依據(jù)注漿室內(nèi)外試驗(yàn)、注漿設(shè)計(jì)理論，決定對(duì)該公路采空區(qū)采取全注漿充填法進(jìn)行處理。

針對(duì)采空區(qū)公路注漿工程的特點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)前序孔補(bǔ)充勘察情況，調(diào)整孔數(shù)和孔距。漿材選擇，以大摻量粉煤灰漿材和粘土漿材等為主，水泥摻量在滿足要求的條件下盡可能小。施工工藝應(yīng)當(dāng)以一次成孔、一次全灌注為主。同時(shí)對(duì)注漿管盡可能地拔出重復(fù)利用并控制漿液流失。在注漿施工中還應(yīng)當(dāng)完善施工組織管理，優(yōu)化工期、減少污染、減少檢測(cè)工作量等。

2 公路地基加固施工

2.1 公路地基采空區(qū)治理范圍

計(jì)算參數(shù)為：巖層傾角α＝25°，基巖走向移動(dòng)角δ＝74°，基巖上山移動(dòng)角γ＝70°，基巖下山移動(dòng)角β＝75-0.8α＝55°，φ＝40°，第四系覆蓋層h＝15m，h上=25m，h下＝80m，l0＝180m，路堤填土高為4.7～6.4m，路基邊坡坡度為1∶1.5，路基頂寬b＝28m，兩側(cè)保護(hù)帶寬度b2＝10m。當(dāng)已知煤層沿傾向開采長度時(shí)，可根據(jù)公式計(jì)算，也可根據(jù)鉆探、物探及采礦資料確定。由勘察及預(yù)測(cè)資料知，采空區(qū)影響長度為180m，抽水巷道影響長度為86m，即治理總長度為266m。

2.2 孔位布置

對(duì)于空洞或采空巷道，漿液擴(kuò)散距離主要取決于注漿泵的規(guī)格及注漿時(shí)間，對(duì)于常用的Bw250/50 型泥漿泵，最高檔250L/min，連續(xù)灌注20h以上，漿液可運(yùn)動(dòng)到50m以外，漿液連續(xù)灌注10h，擴(kuò)散距離在25m 左右。該采空區(qū)各工作面已停采2年以上，地層中離層在基巖自重作用下，都已閉合。基巖中尚有較多采動(dòng)裂隙及巖溶裂隙，因此采空區(qū)上覆巖體以三維裂隙充填為主。根據(jù)三維裂隙擴(kuò)散半徑計(jì)算理論，在該采空區(qū)地質(zhì)條件下，采用設(shè)計(jì)漿液配比，漿液連續(xù)灌注2h，在0.5MPa 壓力下，擴(kuò)散半徑r≈14m。同時(shí)根據(jù)布孔原則，考慮到地質(zhì)條件遠(yuǎn)比理論計(jì)算要復(fù)雜得多，孔位布置如下：

（1）K30+820～K31+000 之間的采空區(qū)，均勻布孔。注漿孔沿公路軸線安排布設(shè)，排距取1.5r，約20m；沿公路橫向上在路基填土范圍內(nèi)以中軸線為中心向兩測(cè)各布設(shè)1～2 排孔，孔距設(shè)為r，約15m；路基外側(cè)保護(hù)帶至治理邊界孔距為1.5r，約20m，孔位梅花型布置。治理區(qū)最邊緣為一徘邊緣注漿孔，為適當(dāng)起到帳幕孔的作用，邊緣孔間距設(shè)為r，約15m。

（2）K30+084～K31+170 水倉部位，因考慮到控制漿液的流失、施工的便利，注漿孔主要沿抽水巷道布設(shè)，孔距取1.5r，約20m，兩側(cè)影響帶以充填巖溶及裂隙為主，孔距取單倍r，約15m。

2.3 漿液材料及配合比

根據(jù)本公路工程中該采空區(qū)富水多層的特點(diǎn)，漿材的選擇必須考慮到地下采空區(qū)還原環(huán)境、水下漿液凝固時(shí)間、結(jié)石率和強(qiáng)度、漿液水下離析、漿液穿過多層采空區(qū)性質(zhì)的改變及施工要求等。徐州礦區(qū)粉煤灰儲(chǔ)量豐富，根據(jù)“因地制宜、就地取材”的原則，設(shè)計(jì)采用高摻量粉煤灰水泥漿材。

根據(jù)采空區(qū)注漿材料有關(guān)試驗(yàn)研究，無或低水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)（小于5%）的粉煤灰漿液在水下無法凝固，而水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20%的漿液，其在水下運(yùn)動(dòng)、離析、擴(kuò)散后，強(qiáng)度難以保證（硬化體28d 抗壓強(qiáng)度一般小于0.5MPa），因此推薦水泥摻量以20%以上為宜（硬化體28d抗壓強(qiáng)度大于1MPa）。考慮到裂隙及空洞充填的要求（大于75%），漿液水灰比以0.8∶1 為主，其凝結(jié)時(shí)間也滿足注漿施工的技術(shù)要求（12h＜t＜36h）。當(dāng)遇到大空洞時(shí)可使用濃漿，初始注漿可使用稀漿，水灰比變化范圍為0.5∶1～1∶1.0。路基處理范圍最外側(cè)邊緣注漿孔，為控制漿液的流失，應(yīng)加入速凝劑水玻璃，摻量為水泥質(zhì)量的3%左右。

2.4 注漿施工工藝及控制

注漿孔的成孔、制漿和注漿均按相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于鉆孔可以采用兩種方式：一次成孔至20#煤底板；分段成孔，第一段終扎至16～17#煤或18～19#煤底板，二次終扎至20#煤底板。中間注漿扎孔和孔深小于50m 的多層采空層，采用孔口封閉一次全灌注的注漿工藝。邊緣注漿孔和孔深大于50m多層采空區(qū)的中間注漿孔采用自上而下分段注漿工藝，單層采空區(qū)以20#煤上部5～10m 處的頂板灰?guī)r為界限，分2段注漿。多層采空區(qū)，分別以16～17#煤和20#煤上部5～10m 處的頂板灰?guī)r為界限，分3 段注漿。具體如圖1所示。

圖1 全孔一次注漿法注漿示意圖（單位：mm）

結(jié)合本工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)出對(duì)于公路采空區(qū)地基采取的具體注漿方法如下：

（1）注漿開始前，先向孔內(nèi)用水沖扎5min。

（2）注漿先用水灰比為1.0∶1的稀漿，后用0.8∶1的濃漿。

（3）采用間歇式注漿時(shí)，間歇時(shí)間應(yīng)不短于12h。間歇前，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲核员ＷC注漿管暢通。根據(jù)室內(nèi)且標(biāo)配合比試驗(yàn)漿液的初、終凝時(shí)間，上下段注漿之間的間歇時(shí)間應(yīng)不短于36h。

（4）中間注漿孔的第一序次孔，采用間歇式定量注漿方式，其單孔設(shè)計(jì)注漿量按平均注漿量225m3的1.3～1.5 倍控制，并在注漿過程中注漿量分別為單孔設(shè)計(jì)量的1/2、3/4時(shí)進(jìn)行間歇。當(dāng)完成該孔的設(shè)計(jì)注漿體積流量后結(jié)束注漿。中間注漿孔的第二序次孔，采取定壓注漿方式，即只有滿足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，才能結(jié)束注漿。

（5）邊緣注漿孔采取間歇式定量注漿方式，平均注漿量為300m3。第一序次邊緣孔，其單孔設(shè)計(jì)注漿量按平均注漿體積流量的1.3～1.5 倍控制；第二序次邊緣孔，其單孔設(shè)計(jì)注漿的體積流量按平均注漿量的0.7～1.0倍控制。對(duì)于分段注漿的邊緣孔，其上段注漿量按單孔設(shè)計(jì)注漿的體積流量的1/3 控制。注漿時(shí)，原則上100m3左右間歇一次。注完單孔設(shè)計(jì)注漿量后結(jié)束注漿。

2.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

（1）中間注漿孔：當(dāng)注漿壓力p＞0.6MPa，注漿的體積流量qV吸穩(wěn)定在50～70L/min、穩(wěn)定時(shí)間在15min以上或周圍有冒漿現(xiàn)象時(shí)，注漿結(jié)束。

（2）邊緣注漿孔：當(dāng)注漿壓力為0.5～2.0MPa，基巖吸漿的體積流量qV吸為5～20L/min，采空區(qū)吸漿的體積流量為20～50L/min，且穩(wěn)定時(shí)間在15min以上或周圍有冒漿現(xiàn)象時(shí)，邊緣注漿孔注漿結(jié)束。

3 工程實(shí)施效果

本公路地基采空區(qū)在注漿施工后1個(gè)月和6個(gè)月后都進(jìn)行了鉆探質(zhì)量檢測(cè)，并利用部分鉆孔進(jìn)行了彈性波CT及壓水試驗(yàn)。注漿治理工程在施工前、施工中和施工后分三個(gè)階段進(jìn)行了沉降觀測(cè)。從沉降曲線可看出，采空區(qū)注漿后地面沉陷趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過對(duì)公路采空區(qū)處治后，地基的承載力與穩(wěn)定性均和其他無采空區(qū)路段一樣，完全滿足公路工程施工的要求，同時(shí)有效地確保了在公路設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，不發(fā)生超過高速公路規(guī)定的允許地基變形界限值的變形和破壞。

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