高速公路下采空區充填治理與穩定性探究

賈 立

(山西省交通新技術發展有限公司， 山西 太原 030002)

0 引言

目前我國公路建設發展迅速，在高速公路建設的過程中，會遇到地下資源開采過程中留下的采空區，如果繞開這些采空區又沒有更加合理的方案。這些采空區是在礦體采出后留下的，因此打破了地下原巖應力平衡，高速公路在這樣的采空區上方，就會出現扭曲、變形，甚至在某些特殊情況下，還有可能出現塌陷，這使得高速公路存在著巨大的安全隱患。因此，運用充填法進行采空區治理能夠有效地對采空區進行改善，從而減少高速公路上因工程問題留下的安全隱患。

1 高速公路下采空區的充填機理

高速公路下的采空區是因為礦體的采出而導致的，采空區內圍巖會失去平衡，開始出現各種各樣的裂紋，最終從表面擴大到圍巖內部，再進一步發展就會導致采空區中的石塊繼續位移，蔓延到地面就會形成大的塌陷，這將會對高速公路以及周邊相關的建筑來說造成巨大的危害，對于公路的行駛也是很大的安全隱患。因此，對采空區進行填充，目的并不是對已經發生的破壞進行修復，而是對以后可能造成的塌陷進行控制，避免其進一步發展，要想達到這一目的，主要就是通過填充體支撐以及地質深部自身存在的穩定母巖共同作用，防止圍巖的破壞加劇。

采空區的填充工藝到目前為止發展歷程經歷了三個階段，第一個階段是干式充填階段，干式填充相對于其他填充工藝而言，成本較低，但由于屬于干式填充材料密度較低，因此填充效率相對也不高，對于采空區的治理效果有限。第二個階段則是水砂混合充填階段，水砂混合充填對填料的強度和化學性質等要求較高，因此輸送相對方便，充填效率也比較高。第三個階段是膠結膏體充填階段，這種充填方法是效率相對最高的一種方法，但由于骨料、膠凝材料質量較好，因此相比于其他充填工藝，這種工藝成本較高。除此之外，隨著科技和工藝的迅速發展，目前也有各種新型充填膏體陸續研發，新型膏體既能夠起到相同的充填效果，又能夠相應地降低成本，因此在實際應用中也越來越受關注。

2 高速公路下采空區充填治理工藝

2.1 鉆孔工藝的應用

對高速公路的采空區進行充填治理，首先需要進行鉆孔，通過對實地進行考察，確定巷道的具體方位，并將其作為鉆孔的位置，同時，需要在保證較大的孔間距的同時，進行均勻布孔。而在設置邊緣帷幕孔時，需注意要盡量控制為較小的孔間距，防止漿液流失。在布孔的過程中一定要結合具體情況靈活安排，在不同的環境、地質和位置下，都存在著一定的差異，可以采用前后交錯布孔的方法等等。盡量避免出現漿液擴散不均勻或者吸漿量不均勻等情況的發生，因此，在時間安排上，邊緣布孔應該優先安排，能夠通過形成止漿帷幕來阻止漿液流失。

鉆孔施工也是整個工藝過程中十分重要的一環，可以使用回轉方式鉆進，但在實際操作時，需要注意操作，盡量不要對鉆孔進行沖擊，否則就有可能會導致該地區出現坍塌現象。灌漿之前，鉆孔施工都需要采用清水鉆孔的方式，防止灌漿出現其他的意外，最終效果較差；在灌漿的整個過程中，對于孔口和孔壁都要做好相應的維護，使灌漿過程能夠順利進行。對于鉆孔施工過程中出現的任何問題，比如掉鉆、漏水等，應引起足夠的重視，做好記錄，立即采取相關措施處理好可能出現的問題，鉆孔的所有步驟都需要按照規范操作進行，并與監理工程師做好溝通，把握好孔深以及相關指標的驗收。

2.2 注漿工藝的應用

高速公路采空區充填治理中，注漿填充的效果較好，目前應用也比較廣泛，其施工工藝比較簡單，與其他工藝相比成本也相對比較合理。主要采用水泥粉煤灰混合漿液為主要填充材料，比較環保，施工的過程中也不需要專門的大型器械，工藝也相對簡單，因此應用比較廣泛。

注漿工藝在對高速公路下的采空區充填中起著極為重要的作用，能夠顯著提升高速公路的建設質量，在進行注漿工藝時，首先需要計算漿液配比，保證其合理性，結合實地情況選擇水泥粉煤灰漿與水泥砂漿等作為主要注漿材料，然后適量添加水玻璃作為凝劑，注漿材料配比合理才能夠真正地保證注漿的效果較好，為注漿工藝奠定良好的基礎。

在灌漿開始之前，需要對孔壁進行簡易壓水試驗，并沖洗干凈，同時還需要對行單孔吸漿量進行確定，在一切準備工作都進行完畢并確保無誤后，才能開始灌漿工藝。灌漿時，首先采用的是稀漿灌漿，在灌入一定量的稀漿后，再使用濃漿，最后一步再使用稀漿作為結束。整個灌漿過程都需要注意嚴格把握灌漿工藝的規范，首先原材料的質量必須符合灌漿工藝的要求，要做好原材料質量的檢驗；其次，在灌漿開始之前，要確定好灌漿的數量，對漿液的縮水系數、縮水速度等都做好嚴格的試驗檢驗工作；在灌漿過程中，應當對施工工藝也進行檢查，確保施工的質量。具體工藝流程見圖1。

圖1 鉆孔注漿充填工藝流程圖

3 高速公路下采空區穩定性影響因素

3.1 地質因素對采空區穩定性的影響

地質構造對于高速公路下采空區的形成以及穩定性有十分重要的影響，有的采空區地質構造相對簡單，因此進行治理和重新充填難度較小，但是有的地區地質構造比較復雜，其采空區穩定性就會差很多，在充填的時候，工藝的選擇也比較復雜。地質結構的復雜往往表現在巖體結構不完整、強度較差等方面，采空區結構強度差就很有可能會導致采空區的坍塌，因此復雜地質結構的區域需要格外注意及時進行充填。除了地區本身地質因素對采空區的影響，采空區附近的巖石構成也與穩定性之間聯系密切，巖石的密度越高，就能夠說明其剛性較大，就意味著巖石本身的強度越強，質量相對就越好。

3.2 水文因素對采空區穩定性的影響

水文因素也對高速公路下的采空區穩定性影響較大，地下水對采空區的影響，仍然主要表現在對于圍巖和地質穩定性的影響。地下水的存在，無論多少都會使采空區圍巖的強度降低，對巖體中的裂隙等產生不利影響，水壓力也會直接對巖體造成損害，同時減少圍巖與圍巖之間的摩擦阻力，最終對巖層的強度造成較大的影響。除此之外，水體中會因當地的環境、氣候因素，含有各種各樣的離子，并具有一定的酸堿度，這會對巖體本身造成侵蝕，從而使巖體的結構和密度改變，影響巖層的強度。

3.3 環境因素對采空區穩定性的影響

采空區穩定性還會受到環境因素的影響，比如離高速公路較近的作業場，就會對采空區圍巖的穩定性產生較大的影響，而且對于構造比較發達的地區而言，構造應力也會對圍巖的穩定性形成破壞。

4 高速公路下采空區穩定性評價方法

4.1 開采條件判別法

開采條件判別法是通過對采空區現場進行勘探，并結合其地質特征、圍巖性質、開采方式等特點，對采空區進行綜合評定的評價方法。由于這種方法需要大量資料，因此適用于資料比較完備的高速公路采空區評定，這種評定方式比較簡單，適用范圍也比較廣泛。但是由于其評定主要是依靠現有資料進行評價的，而每一個采空區以及地質特點都各不相同，并且都在不斷變化，所以評價結果有時與實際情況差距較大，應用性相對較差，還需要進行補充勘察才能夠得出較為準確的結論，因此，這種方法在實際評定時往往與其他方法一同進行。

4.2 地表移動變形預計法

地表移動變形預計法能夠選用一定的預計方法，通過分析地質條件，對高速公路采空區上方的地表移動變形值進行計算的方法。這種方法一般適用于條帶式、長壁式開采的評價，能夠對老采空區、新采空區都進行評定。這種方法由于經過大量運算，因此理論依據十分清晰，對于各種地質情況的適應性也比較強，因此，應用范圍較廣。地表移動變形預計法最常用的就是概率積分法，這種方法的基本影響函數是正態分布函數，根據具體的地質條件建立數學模型，在選取合適的參數的基礎上，有較高的準確度和精度。

4.3 數值模擬法

能夠對數值模擬法造成影響的因素較多，地質模型的合理性、參數的選擇等都可能會影響到對于采空區穩定性的評價。目前在實際應用過程中，這方面的經驗還不夠充足，因此對于數值模擬法中初始條件的設定、采動巖體物理力學參數的取值等、計算模型范圍的設定應用仍然較少，所以這種方法在相對簡單的工程中應用較多，但對于工況復雜的大型工程，這種方法大多還是作為參考來使用。數值模擬法首先需要對當地的地質進行實地勘察，建立相應的地質模型，然后分三步分別計算礦層開采前的原始應力和位移、開采后的應力和位移以及在外荷載作用下的應力和位移，通過觀察圍巖中塑形和變形情況，來對采空區的穩定性進行計算和評價。

5 空洞型采空區穩定性驗算

對高速公路下采空區進行驗算主要有兩種方式，一種是對頂板強度進行驗算（見圖2），另一種則是對煤柱與底板強度進行驗算。進行頂板強度的驗算考慮頂板的抗拉強度和最大抗拉力，能夠計算出頂板的安全系數，從而對頂板的安全性進行評價。而煤柱和底板強度的驗算，則是驗算煤柱和底板能否承擔作用在其上的荷載，這也是安全性評定的一個十分重要的方面。

圖2 頂板安全驗算模型

6 結束語

綜上所述，隨著社會的迅速發展，公路的建設也在持續進行中，高速公路作為最便捷的交通建設，也正在通往中國大地的每一個角落，因此保障高速公路的安全是公路建設過程中最重要的事情之一。而由于經濟的發展，我國對煤礦等資源的開采也逐漸增多，因此在高速公路的建設過程中難免會遇到采空區，從而造成一定的安全隱患。對于采空區的處理，大多是采用充填的方式來進行治理，首先對采空區進行鉆孔，然后再進行注漿。除此之外，還需要對高速公路下的采空區穩定性進行評定，主要結合其地質、水文以及環境因素，通過開采條件判別法、地表移動變形預計法、數值模擬法進行全面的評定，最后對空洞型采空區的穩定性進行驗算，確保其安全和穩定。