模袋帷幕注漿技術(shù)在采空區(qū)加固治理中的應(yīng)用

李懷劍 程俊偉 申 壘 袁 偉

(1.山東高速集團(tuán)有限公司建設(shè)管理分公司，山東 濟(jì)南 250099; 2.山東高速嵐臨高速公路有限公司，山東 臨沂 276713)

1 概述

我國煤炭等礦產(chǎn)資源豐富且分布廣泛，長期開采形成了大量的地下采空區(qū)。隨著路網(wǎng)的不斷延伸和加密，道路建設(shè)不可避免地要穿越一些采空區(qū)，其建設(shè)和運(yùn)營期的施工擾動(dòng)和附加荷載易加速采空區(qū)上覆巖土體的冒落塌陷，進(jìn)而對道路長期服役性能和安全穩(wěn)定造成嚴(yán)重威脅。采空塌陷區(qū)具有典型的隱伏性和時(shí)空變異性，其加固處治極具挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)外常見的采空區(qū)治理方法主要包括封閉、崩落、加固、充填四大類[1-5]。其中，封閉法適用于范圍較小、自穩(wěn)定性良好且易于填封的采空區(qū)；崩落法成本較低，一般用于埋深淺、自穩(wěn)定性差、分布集中的淺埋采空區(qū)；加固法一般用于采空區(qū)頂板較為堅(jiān)固且巷道保持良好、穩(wěn)定性較好的采空區(qū)；充填法根據(jù)充填材料的差別分為干類與濕類兩種，以漿液充填為主，適用于地下情況較為復(fù)雜的采空區(qū)的治理[6]。

高速公路屬于典型的線形條帶狀工程，相對于集中開采形成的采空區(qū)，路域范圍狹長。采用傳統(tǒng)的注漿加固或全充填技術(shù)對高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行治理時(shí)容易造成巨大的工程浪費(fèi)，并伴隨著治理質(zhì)量不可控等工程隱患。帷幕注漿是解決該問題的有效手段，其主要通過在采空區(qū)外側(cè)打設(shè)帷幕孔并向其中注入速凝漿液，形成一道止水帷幕墻，然后于內(nèi)部進(jìn)行充填注漿[7-10]。但傳統(tǒng)帷幕注漿方法對注漿材料與施工工藝要求較高，且對于內(nèi)部富水量大且巷道連通性強(qiáng)的采空區(qū)，漿液極易被稀釋或流動(dòng)擴(kuò)散速度過快，不易保證帷幕墻形成質(zhì)量，進(jìn)而影響后續(xù)充填。為解決該問題，本文提出采用注漿模袋構(gòu)建帷幕，結(jié)合充填灌漿實(shí)現(xiàn)富水地下采空區(qū)注漿范圍與質(zhì)量可控的加固治理。以山東省嵐臨高速公路部分路段采空區(qū)治理為例，本文系統(tǒng)介紹了模袋帷幕注漿技術(shù)的設(shè)計(jì)和施工方法，可為類似工程問題的解決提供有益的參考和技術(shù)指導(dǎo)。

2 模袋帷幕注漿技術(shù)及方案設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

模袋帷幕注漿技術(shù)可以總結(jié)為“先探、再堵、后灌”三步。首先，采用物探、鉆探等技術(shù)探明采空區(qū)的位置、形狀等空間分布信息；根據(jù)采空區(qū)的分布及其與道路的空間交互特征，設(shè)計(jì)帷幕孔及注漿孔位置、間距和模袋尺寸；結(jié)合鉆孔反饋和物探資料，確認(rèn)每個(gè)帷幕孔所穿越采空區(qū)的埋深和開采厚度等信息，進(jìn)而制作注漿鋼管和模袋；在帷幕孔安置模袋并固定，通過向模袋內(nèi)注漿形成一道類似帷幕的混凝土防滲墻；最后，在帷幕墻范圍內(nèi)打設(shè)注漿孔，并進(jìn)行充填灌漿，實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)的可控式充填治理，如圖1所示。

2.2 采空區(qū)加固方案設(shè)計(jì)

新建嵐臨高速公路K92+960～K93+020路段需穿越五寺莊煤礦采空區(qū)。采空區(qū)段地質(zhì)條件較差，地表曾發(fā)生大面積塌陷并伴有地裂縫，場區(qū)地層自上而下一般為粉質(zhì)黏土層、砂土層、風(fēng)化砂巖與頁巖組成的基巖層以及采空區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造受當(dāng)?shù)財(cái)嗔训貛б约皫r漿巖侵入影響較為復(fù)雜。物探及鉆探結(jié)果顯示，該路段下伏采空區(qū)整體埋深約45 m～63 m，高度1.2 m～2.5 m，且深度方向略有傾斜的矩形巷道。巷道連通性強(qiáng)，全注漿充填處治會(huì)造成巨大的工程浪費(fèi)，治理質(zhì)量難以控制。因此，設(shè)計(jì)采用了模袋帷幕注漿技術(shù)。如圖2所示，首先，布設(shè)物探測線對采空區(qū)分布狀況進(jìn)行詳細(xì)勘察；根據(jù)物探及鉆探結(jié)果，在路域范圍布置并打設(shè)帷幕孔(圖中孔號(hào)為3，4，5，6，8，15，18，19，20，21，25，28，29，30)，向內(nèi)置入模袋并固定，隨后低壓向模袋內(nèi)注漿形成帷幕，而后在帷幕孔內(nèi)部打設(shè)充填孔，其間記錄帷幕孔與充填孔掉鉆信息與前期電法勘測結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，向所有出現(xiàn)掉鉆的充填孔注入漿液，并最終采用高密度電阻法與鉆孔取芯法進(jìn)行質(zhì)量檢測(圖中檢1、檢2、檢3孔為最終檢測鉆孔)。

3 采空區(qū)現(xiàn)場加固治理

3.1 注漿材料與配合比

本工程中帷幕孔注漿漿液配合比為水∶水泥∶粉煤灰=0.8∶0.5∶0.5；充填孔采用注漿漿液配合比為水∶水泥∶粉煤灰=0.8∶0.4∶0.6。模袋材料選用細(xì)紡麻布，厚度1 mm，每平方米質(zhì)量332 g，價(jià)格為3.5元/m2；水泥為淄博某水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，密度為3 580 kg/m3；粉煤灰為河南某公司生產(chǎn)的一級粉煤灰，密度為2 500 kg/m3。

3.2 注漿材料與配合比

現(xiàn)場注漿加固施工工藝可以概括為：選取適宜的試驗(yàn)場地，進(jìn)行施工前準(zhǔn)備工作；采用物探與施工鉆孔探明采空區(qū)方位、長度、寬度、埋深后準(zhǔn)備材料縫制模袋，置入模袋；灌注水泥；鉆孔；灌注注漿材料；封堵注漿孔；注漿質(zhì)量檢查，具體工藝和流程如下：

地質(zhì)勘察→鉆孔→模袋施工→注漿→施工檢測。

具體加固處治方案如下所示：

1)聯(lián)合物探和鉆探，探明采空區(qū)具體方位、長度、寬度、埋深；結(jié)合路線和現(xiàn)場工程條件，確定現(xiàn)場帷幕孔及注漿孔具體孔位；

2)在處治區(qū)域邊緣設(shè)計(jì)并打設(shè)帷幕孔，帷幕孔深度應(yīng)進(jìn)入基巖1 m～3 m，間距應(yīng)盡量固定，建議為2 m～4 m，當(dāng)采空區(qū)區(qū)域過大時(shí)，可設(shè)置雙排帷幕孔；

3)綁扎模袋并下放至帷幕孔孔底，將鋼管嵌入基巖固定，下放完成后以鋼管為注漿管向內(nèi)注漿，漿液壓力充填后模袋打開形成帷幕墻，穩(wěn)壓后停止注漿；

4)依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際物探結(jié)果在采空區(qū)空洞區(qū)域布設(shè)注漿孔鉆孔點(diǎn)，若處治區(qū)域地層在軟弱層應(yīng)適當(dāng)設(shè)置護(hù)筒，以防止之后出現(xiàn)縮孔、塌孔現(xiàn)象。施工過程中通過掉鉆信息對現(xiàn)場物探結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，并適當(dāng)調(diào)整和加設(shè)注漿孔鉆孔孔位，兩鉆孔間距建議為5 m～10 m；

5)待帷幕孔注漿并凝固成帷幕墻后，向所有掉鉆的注漿孔灌漿，灌漿前觀察漿液和易性，當(dāng)流動(dòng)度過小時(shí)，應(yīng)加水并充分?jǐn)嚢瑁乐钩霈F(xiàn)堵孔現(xiàn)象。根據(jù)掉鉆深度、打孔位置及施工經(jīng)驗(yàn)估測注漿量，相鄰兩鉆孔注漿量皆遠(yuǎn)小于注漿量估計(jì)值時(shí)，于兩孔間酌情增加鉆孔，灌漿漿液推薦使用水泥砂漿或粉煤灰漿液。注漿完成后使用濃水泥漿進(jìn)行封孔。

4 治理效果評價(jià)

采空區(qū)現(xiàn)場加固完成后，采用物探與鉆孔勘測結(jié)合的方法對注漿加固效果進(jìn)行質(zhì)量檢測，檢測孔位置見圖2。

4.1 物探檢測結(jié)果

圖3為物探得到的加固后采空區(qū)電阻率測深曲線，根據(jù)圖3物探檢測結(jié)果，將圖中得到數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，可以得到加固前后點(diǎn)位差變化表格，如表1所示。

表1 采空區(qū)加固前后電位差變化

根據(jù)加固前后物探結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

從檢測曲線圖與數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)中可以看出：1)加固前電阻率、電位差變化較大、數(shù)值離散性大，加固后電阻率、電位差變化較小、數(shù)值離散性小；2)加固前電位差最大20.023，最小0.094，平均1.61；加固后電位差最大13.006，最小2.0，平均4.59，治理后較治理前各剖面電位差增大2.52倍～3.97倍。可見，加固后巖體的整體強(qiáng)度得到了提高，巖體的完整性、均勻性改善明顯。

4.2 鉆孔取芯檢測結(jié)果

注漿結(jié)束后21 d，對注漿加固區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場鉆孔取芯檢測。取芯結(jié)果表明，原采空區(qū)位置水泥砂漿芯樣完整，充填效果較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文結(jié)合嵐臨高速公路K92+960～K93+020路段采空區(qū)治理工程，系統(tǒng)介紹了模袋帷幕注漿技術(shù)的設(shè)計(jì)及施工方法，并對其治理效果進(jìn)行了檢測評價(jià)。工程應(yīng)用證明，采用模袋帷幕注漿技術(shù)對于富水、深埋采空區(qū)進(jìn)行治理時(shí)，加固范圍可控，質(zhì)量可靠，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可為類似工程問題的解決提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒和技術(shù)指導(dǎo)。