南水北調(diào)中線工程穿越采空區(qū)技術(shù)應(yīng)用研究

□馮 娜 孫大為

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

南水北調(diào)中線工程穿越采空區(qū)技術(shù)應(yīng)用研究

□馮 娜 孫大為

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

采空區(qū)是地下礦藏被開(kāi)采出后留下的地下空洞區(qū)，從采空區(qū)頂板巖層向上形成垮落帶、裂隙帶和彎曲帶“三帶”破壞形式。南水北調(diào)中線工程禹州長(zhǎng)葛段穿越禹州4處煤礦采空區(qū)，該段工程采用灌漿地基處理，對(duì)灌漿材料、灌漿方式、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，全過(guò)程安全監(jiān)測(cè)等綜合措施，確保工程安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)類似采空區(qū)處理和采空區(qū)水利工程建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

南水北調(diào)；采空區(qū)；灌漿；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程總干渠禹州長(zhǎng)葛段穿越4處禹州煤礦采空區(qū)，累計(jì)長(zhǎng)度3.11 km，總的采空區(qū)面積達(dá)212萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)流量314 m3/s。穿越采空區(qū)渠道分為全挖方、半挖半填和全填方三類斷面形式，渠底寬為24.50～19.50 m，渠道一、二級(jí)邊坡坡比分別為1∶2 和1∶1.50，外坡坡比1:2，渠道縱比降1/26 000。

沿線所分布的采空區(qū)既有20世紀(jì)60年代、90年代開(kāi)采的老采空區(qū)，也有5年內(nèi)新近開(kāi)采的采空區(qū)，所采的煤層有六2、六4煤，每層采深平均約1m，采空區(qū)地下埋深從90～290m不等。必須對(duì)穿越采空區(qū)渠段從基礎(chǔ)處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全監(jiān)測(cè)等進(jìn)行全面優(yōu)化處理，確保南水北調(diào)總干渠輸水及沿線群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 渠道采空區(qū)灌漿處理

2.1 采空區(qū)處理原理

埋藏于地下的煤層被開(kāi)采后，上覆巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，即產(chǎn)生冒落、斷裂和彎曲等一系列變形與破壞，影響到地表出現(xiàn)下沉、裂縫、傾斜、水平位移等地表塌陷變形現(xiàn)象，隨著采空區(qū)面積的擴(kuò)大，地表發(fā)展成凹陷盆地（洼地），即形成地表移動(dòng)盆地。

禹州煤礦采空區(qū)覆巖為軟質(zhì)巖夾硬質(zhì)巖層，走向近東西，傾向南，傾角12～19°采空區(qū)上方巖體的變形，總的過(guò)程是自下而上逐漸發(fā)展的漏斗狀沉落，“三帶型”是其開(kāi)采水平緩傾煤層最普遍的覆巖破壞形式。

由于禹州礦區(qū)段主要受已形成采空區(qū)的影響，煤層頂板覆巖已經(jīng)破壞，地面沉陷盆地已經(jīng)或正在形成，井下工作面巷道受到破壞，采場(chǎng)上部覆巖已經(jīng)垮落，冒落帶業(yè)已形成，無(wú)法采用井下充填法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，只能采用地面充填處理措施。結(jié)合禹州礦區(qū)的實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)采用注漿法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行加固處理，向采空區(qū)的垮落帶和裂隙帶里注入具有充填、膠結(jié)性能的漿液材料，以便硬化后增加其強(qiáng)度和降低滲透性，改善巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到加固地基的目的。

2.2 采空區(qū)注漿處理

2.2.1 注漿孔的布置、注漿順序

采空區(qū)注漿處理采用充填灌漿和帷幕灌漿相結(jié)合的方法進(jìn)行。注漿順序?yàn)槭紫葘?duì)下山及邊界實(shí)施帷幕灌漿，以減少和阻止注入漿液的流失和浪費(fèi)，然后對(duì)渠道影響范圍內(nèi)的采空區(qū)進(jìn)行充填灌漿。

帷幕灌漿孔采用單排孔，間距2 m。充填灌漿注漿孔采用梅花狀布孔均勻布設(shè)，根據(jù)禹州采空區(qū)的情況，設(shè)計(jì)采用排距18 m，孔距18 m，在施工時(shí)根據(jù)灌漿試驗(yàn)的注漿效果，調(diào)整布孔間距。孔深鉆至采空區(qū)冒落帶煤層底板下1.50 m處。

2.2.2 灌漿材料和灌漿工藝

根據(jù)多種材料和配比實(shí)驗(yàn)研究，最終確定灌漿材料采用PO42.50級(jí)普通硅酸鹽水泥和粉煤灰按水∶固＝1∶1，其中水泥∶粉煤灰＝0.15∶0.85，密度為1.32～1.34，結(jié)石率86%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度0.20～0.30 MPa，每立方米漿液中水、水泥粉煤灰的干料用量分別為667，100和567 kg。后期根據(jù)灌漿效果對(duì)漿液配比進(jìn)一步優(yōu)化，水固比由1∶1調(diào)整為0.80∶1。

灌漿壓力采用1.00～1.50 MPa，可滿足采空區(qū)處理要求。當(dāng)孔口壓力在1.00～1.50 MPa，泵量＜10 l/min，穩(wěn)定10 min，結(jié)束該孔注漿。

2.2.3 灌漿處理效果檢測(cè)

為檢測(cè)灌漿效果，灌漿完成后應(yīng)打檢查孔取樣試驗(yàn)，同時(shí)采用地質(zhì)CT，檢查孔注漿檢測(cè)灌漿效果。對(duì)基巖段進(jìn)行取芯，取芯結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度≥1 Mpa，且各檢查孔的巖芯采取率與附近取芯孔的采取率相比明顯提高。對(duì)孔底以上40 m范圍內(nèi)進(jìn)行彈性波檢測(cè)，95%以上的檢測(cè)區(qū)域檢測(cè)波速應(yīng)達(dá)到2 500 m/s以上。檢查孔注漿的單位注入干料量小于該單元的平均單位注入干料量的25%，即滿足灌漿要求。

3 采空區(qū)段渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 土方填筑

填方段渠道為避免因采空區(qū)沉降引起拉裂，渠堤土方填筑過(guò)程中增加土工格柵分層填筑，層距為50 cm。利用土工格柵特殊的網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)與粘性土形成咬合作用，起到增加土體抗拉、抗剪的作用，且土工格柵為柔性材料，能較好地適應(yīng)土體變形，從而提高填方渠道適應(yīng)不均勻沉降變形的能力。

挖方段為改善地基條件，提高地基抗變形、抗?jié)B穩(wěn)定性，一級(jí)邊坡全斷面超挖2 m，然后回填粘性合格土料并加設(shè)土工格柵，層距為50 cm。同時(shí)，增設(shè)20 cm厚砂石排水墊層，結(jié)合直徑為30 cm的強(qiáng)滲軟透水管，以加強(qiáng)排水，提高渠道堤防的整體穩(wěn)定性。

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)

對(duì)于渠道防滲、減糙襯砌結(jié)構(gòu)較為常用的有水泥土、砌石結(jié)構(gòu)及混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，考慮南水北調(diào)全線統(tǒng)一的要求及結(jié)構(gòu)的耐久性、適應(yīng)地基的變形能力的要求。在煤礦采空區(qū)段襯砌采用現(xiàn)澆混凝土襯砌型式，渠坡厚度為12 cm，渠底厚度為 10 cm。為適應(yīng)采空區(qū)地基的變形需求，縱橫伸縮縫間距均為 2 m，縫寬1 cm，均為通縫。縫上部臨水側(cè)2 cm采用密封膠封閉，下部均采用閉孔塑料泡沫板充填。

防滲設(shè)計(jì)選用強(qiáng)度高、均勻性好的加厚機(jī)織布復(fù)合土工膜作為防滲材料，規(guī)格為700 g/m2的兩布一膜，膜厚為0.30 mm。

4 采空區(qū)監(jiān)測(cè)

采空區(qū)監(jiān)測(cè)包括采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)和工程監(jiān)測(cè)。前者從宏觀上監(jiān)測(cè)采空區(qū)的變形，后者重點(diǎn)監(jiān)測(cè)去南水北調(diào)工程安全穩(wěn)定。兩者相輔相成，共同監(jiān)測(cè)工程的運(yùn)行狀況。

4.1 采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)

采空區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)線綜合礦層走向、開(kāi)采方法及上覆地層產(chǎn)狀，平行和垂直煤礦層走向成直線布置，長(zhǎng)度覆蓋地表移動(dòng)變形范圍。

同時(shí)，考慮到禹州礦區(qū)部分采空區(qū)埋藏較深、上覆巖層較厚，因此，采空區(qū)布置多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)采空區(qū)變形，監(jiān)測(cè)深度測(cè)至采空區(qū)底板以下。在采空區(qū)頂板以上不同高程設(shè)置多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)深部巖體的位移，評(píng)價(jià)上覆巖體“三帶”的分布范圍及發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)對(duì)工程的影響。

4.2 工程監(jiān)測(cè)

針對(duì)主體工程渠道和建筑物工程，進(jìn)行渠道堤防沉降、滲流、邊坡變形監(jiān)測(cè)。建筑物的垂直位移、水平位移，倒虹吸管身不均勻沉降，穿堤建筑物與堤防的接觸滲流監(jiān)測(cè)。

應(yīng)用系統(tǒng)工程理論方法，綜合利用所搜集的各種信息資料，在各單項(xiàng)監(jiān)測(cè)成果的整理、分析和反饋的基礎(chǔ)上，對(duì)各項(xiàng)資料和成果進(jìn)行綜合比較和推理分析，評(píng)判工程的安全狀態(tài)，制定防范措施和處理方案。

5 結(jié)論

采空區(qū)上大型水利工程建設(shè)在國(guó)內(nèi)尚屬首次，為了確保工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本工程對(duì)采空區(qū)進(jìn)行灌漿處理，對(duì)灌漿材料、灌漿方式和灌漿質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行研究和應(yīng)用。結(jié)合水利工程的特殊性，對(duì)渠道土方填筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化等多項(xiàng)綜合措施，提高渠道適應(yīng)不均勻變形的能力和抗?jié)B、抗滑穩(wěn)定性。為以后采空區(qū)處理及采空區(qū)上水利工程建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)工程后期采空區(qū)處理渠段的安全監(jiān)測(cè)，確保工程監(jiān)測(cè)資料的連續(xù)性，對(duì)監(jiān)測(cè)成果應(yīng)及時(shí)加以分析、整理和保存，為工程的運(yùn)行管理和維護(hù)提供依據(jù)。

［1］劉吉永，杜艷珍，馮瑞軍. 煤礦采空區(qū)對(duì)南水北調(diào)中線工程的影響分析［J］.河南水利與南水北調(diào)，2008（4）：3-4.

［2］白文博，周兵。高填方渠堤土工格柵加筋技術(shù)研究［J］.人民長(zhǎng)江，2014，45（10）：73-75.

TV68

A

1673-8853（2017）10-0033-02

馮娜（1985-），女，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。

2017-7-21

編輯：劉長(zhǎng)垠