高速公路下伏采空區注漿關鍵技術研究

覃周東　趙承偉　張大斌

摘要：文章依托某高速公路工程實例，介紹在其下伏采空區注漿施工中，采用水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS）新型速凝型作為注漿材料，明確了漿液擴散半徑、注漿量及注漿壓力，并提出合理的施工工藝對其下伏采空區進行處治。通過采用大地電磁層析法對其處治效果進行檢驗，證明該高速公路下伏采空區注漿施工取得了良好的加固效果。

關鍵詞：高速公路；下伏采空區；注漿；施工技術

0引言

隨著我國經濟的迅速發展，各種礦產資源的開采不斷加大，伴隨而生的采空區也越來越多。在高速公路建設中，采空區治理成為一個不可避免的難題，直接關系到高速公路的安全運營。目前水泥和粉煤灰為主要材料的充填注漿法是最常用的采空區加固方法［1］。但是，這種方法仍存在一些問題，如傳統注漿材料靜水抗離析性和動水抗分散性不佳等。基于此，本文以某高速公路K99+620～K100+150路段下伏采空區治理工程為依托，圍繞下伏采空區注漿關鍵技術難題進行研究，形成了治理下伏采空區的成套施工技術，為該高速公路下伏采空區的治理提供技術支持，同時也為其他類似采空區的處治提供參考。

1 工程概況

某高速公路K99+620～K100+150路段經過煤礦采空區，該煤礦煤層開采深度淺，僅為20～100 m。該采空區的下部煤層已經全部被開采完畢，留下了大面積的采空空間，導致覆蓋采空區的上部巖土體的穩定性變差，使地表和頂板容易坍塌。該路段地面標高為55 m，地形以沖積平原為主，含煤底層多數已被沖洪積層所覆蓋，地表為耕地，地貌較為單一。該路段所處采空區由于隱伏空洞分布比較散亂，且地層巖土破碎程度高，不適宜采用填充粗骨料的處治方式，因此本工程采用注漿工藝對該下伏采空區進行處治。

2 高速公路下伏采空區注漿關鍵技術

2.1 注漿材料

水泥漿液在處治公路下伏采空區時是最主要的注漿材料。傳統的水泥類材料存在一些缺點，如凝膠時間長、前期注漿強度不足等問題，而化學或高分子類材料則成本高、易污染，不能長期保證加固安全［2］。為此，本工程采用一種新型速凝型注漿材料——水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS），該材料具有良好的靜水抗離析和動水抗分散性能，可以有效避免傳統水泥材料的缺點。為防止漿液流失，現場施工過程中，可實時調整漿液配合比。本工程所采用的水泥粉煤灰改性水玻璃配合比通過實驗室確定為m水∶mEG∶mAA∶ms=1∶0.02∶0.03∶2，水固比確定為1.0∶1.0，mC∶mFA=40%∶60%，V（C+FA）∶VMS=1.0∶0.4，流動性為380 mm，初凝與終凝時時間分別為48 s與9.67 min，7 d抗壓強度值為2.68 MPa。

本工程采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5級作為混凝土主要原材料，且所使用的水滿足混凝土拌制要求，pH值＞4。對于粉煤灰的選擇符合《粉煤灰混凝土應用技術規程》（DG/TJ08-230-2006）中對Ⅱ級粉煤灰的要求。此外，本項目還使用了30°～40°Be模數的水玻璃與模度為2.4～3.0的乙二酸與乙二醇。

2.2 漿液擴散半徑的確定

本工程在注漿管壁上采用梅花形鉆孔進行注漿，漿液會從注漿管中流出，呈柱狀擴散在土體中。需要計算出漿液擴散半徑r1及注漿孔孔距y，以取得合適的注漿效果。針對此需要，可以使用式（1）和式（2）計算求得。

式中：h1——注漿壓力水頭（m）；

t——注漿時間（min）；

k——滲透系數，取值為6.2×10-2～1.8×10-1 cm/s；

n——孔隙率，取值為0.4～0.5；

β——漿液黏度與水黏度之比，取值為0.48～0.64；

r0——灌漿管半徑，本工程為7.5 cm；

b——相鄰注漿孔內漿液擴散相交厚度，為b=r1；

y——注漿孔孔距。

本工程各參數取值為h1=110 m，t=200 min=12 000 s，k=2.25×10-2 cm/s，n=0.45，β=0.56，r0=7.5 cm，根據式（1）和式（2）計算得出注漿孔孔距y為12.5 m，漿液擴散半徑r1為7.2 m，邊緣孔間距為7.14 m。本工程下伏采空區左右最外側邊緣孔，注漿孔以高速公路軸線為中心，從兩側呈梅花型分布，具體如圖1所示。

2.3 注漿量與注漿壓力的確定

注漿量的確定與巖土體孔隙率、注漿滲透半徑及注漿方式等多種因素相關，注漿滲透半徑內加固區域的孔隙充填程度越高，則代表注漿效果越好［3］。單位時間內注漿總用量Q的確定可以通過式（3）求得。

Q=π²₁L·n·λ（3）

式中：λ——漿體損失系數，取值為1.1～1.2；

n——孔隙率，取值為0.4～0.5；

L——柱狀注漿長度，取值為6 m。

通過式（3）計算得出本工程單孔注漿總用量為5.05 m3，具體可根據下伏采空區地下情況及深度進行動態調整。

注漿壓力和漿液特性、下伏采空區地質結構等相關，一般取值為1.0～1.5 MPa，可以采用試注來確定。該工程所采用的漿液結石體7 d抗壓強度＞0.8 MPa，其填充率需達到80%～85%，計劃采用20 min間隔內單位時間注漿量＜50 L/min，其注漿壓力＜2.0 MPa，穩定15 min即可終止注漿。

2.4 施工工藝

選擇注漿方法需要考慮漿液凝膠時間與巖土體類型等因素［4］。在雙液化學注漿中，漿液凝膠時間＞5 min時可選單槍注漿；凝膠時間為2～5 min時可選1.5槍注漿；凝膠時間＜2 min時，采用雙槍注漿。由于本工程凝膠時間較短，采用雙槍注漿方式，即將水泥－粉煤灰漿液A和改性水玻璃B液一起泵入孔底混合。具體注漿流程參見圖2。

在注漿過程中，為確保注漿質量，必須遵循“少量多次”的原則?；旌纤唷⒎勖夯液透男运ＡВ–-FA-MS）后，應立即進行注漿工作，以避免空氣進入漿液中，對注漿質量產生負面影響。同時，需要密切觀察漿液的填充效果和擴散半徑，并隨時根據情況調整注漿壓力和方法。在注漿前，必須進行清理，可使用稀釋的水泥漿進行沖洗。但清理時間不應過長，一般在5～10 min完成，同時需注意防止漏水情況。注漿泵和攪拌池的具體數值需在注漿前進行測量，并隔一段時間進行重復測量以保證漿液精準度。配合采空區特點、施工現場情況和工程目的等，注漿漿液的配比需要通過現場試驗確定，如水固比取1∶1～1∶1.3，水泥占固相的15%～30%。除了在注漿前對具體數值進行監測外，隔段時間需進行復測，以確保注漿液質量，保障加固效果。

施工人員在注漿作業期間，應密切觀察注漿泵的吸漿量，并記錄所施加的泵壓力，以及注意觀測注漿過程中出現的各種現象，并及時調整注漿濃度。如果吸漿量變化明顯，則需要及時調整漿液濃度。為保證注入的漿液能夠充分沉淀并固結，間歇式注漿法的施工方式更為理想，最好待漿液水化及過濾后再進行第二次注漿，以確保注漿的固結質量。在注漿過程中，需要適時調整漿液濃度，遵循“先稀后濃”的原則，以有效控制注漿過程并根據吸漿量的變化進行濃度調整。若吸漿量未明顯變化，一般可按2 h為界限增加漿液濃度。

如果鉆孔所在的空洞較大或是周圍與空隙相連通，那么注漿應該采用雙液注漿方式，而不是加入速凝劑來制作單液漿。使用雙液漿能夠快速形成初次凝固物質，在鉆孔周圍形成堅實的固結體，以阻止漿液的流失。此外，注入多孔性速凝漿料可以形成持久的、連續的阻擋漿液滲漏的物質屏障，真正實現迅速密封的目的。

如路基下發現較大范圍的采空區，可以利用注入骨料和采用旋噴固結技術的方法來充填空隙［5］。通過這種特殊的工藝，可以在采空區內形成堅固的柱狀支撐體，從而有效提高對覆巖層的支撐能力，保持路基的長期穩定性。在多個支撐體形成后，可以使用混合漿液來填充剩余的空間。在施工之前，需經過相關設計、監理和建設單位的同意，且鉆孔孔徑相對于普通注漿孔要增加兩級。

3 加固效果評價

3.1 現場檢測方案

根據地質條件和探測目的，采用了大地電磁層析法進行探測。在大地電磁探測中，共有305個電分量點，每個測點均有20個頻點，分布在5條電分量剖面上，編號依次為1～5，水平距離依次為12.3 m、13.3 m、13.1 m、12.8 m，探測區域的寬度約為51 m。所有剖面的點距均為5 m。5條電分量剖面分布在路基中間隔離帶、路基上方兩側邊沿及路基兩側底部。

3.2 檢測結果分析

大地電磁探測剖面的編號為1～5號剖面，按照由北向南的順序排列。在剖面探測中，記錄了電磁場的電分量數據，并通過軟件處理轉化為層析圖。剖面1、2探測情況具體如圖3～6所示。

對圖3剖面1曲線進行分析可以看出，在不同頻率探測下，曲線形態相似，與淺層探測曲線接近，沒有明顯的異常情況。從圖4剖面1層析圖中可以看出，0號～20號測點電阻率數值由西向東呈現變小的趨勢，這是由于該方向在探測時仍在施工，導致電場干擾所致。在具體測點處電阻率橫向與縱向均未發生異常情況。綜合判斷，在探測剖面1中未發現明顯異常低值的情況，100 m深度未見大型空洞，證明此次注漿效果較好。

對圖5剖面2曲線進行分析可看出，在不同的探測頻率下，各點曲線形態接近，與淺部探測曲線也相似，沒有明顯的異常情況。15號測點處曲線較為松散，這說明該測點處存在底層漸變的情況，但是曲線向下有較大的延伸，因此并不屬于空洞情形。從圖6剖面2層析圖可以看到，剖面2與剖面1的圖像特征、形態基本一致，在具體測點處電阻率橫向與縱向均未發生異常情況。綜合判斷，在探測剖面2中未發現明顯異常低值的情況，100 m深度未見大型空洞，證明此次注漿效果較好。

[JP1]對余下的剖面3、剖面4、剖面5的電分量曲線圖與電分量層析圖進行分析，可以發現各探測頻率的曲線形態基本相近，與淺部探測曲線也非常相似，且并未出現顯著的低值異常?；谂c剖面1、剖面2一致，具體測點處電阻率橫向與縱向均未發生異常情況。綜合判斷，在探測剖面3、剖面4、剖面5中未發現明顯異常低值的情況，100 m深度未見大型空洞，證明此次注漿效果較好。

4 結語

本文依托工程實踐對高速公路下伏采空區注漿關鍵技術進行分析與研究，采用水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS）新型速凝型作為注漿材料，明確漿液擴散半徑、注漿量及注漿壓力，通過科學、合理的施工工藝對該采空區進行加固處治。待加固處治完畢后，為檢驗加固效果，利用大地電磁層析法對其進行探測，其探測結果表明地下100 m深度內未出現采空區形成的空洞異常，表明注漿方式填充效果較好，達到預期加固目的。

參考文獻：

［1］萬戰勝，董清志，邊俊鵬，等.鄭洛高速采空區注漿處治施工管理策略研討［J］.工程技術研究，2023，8（1）：121-123.

［2］張 磊，李其銳.采空區注漿材料配合比試驗研究［J］.電力勘測設計，2022（12）：69-73.

［3］馮興亮，曹小亮.某高速公路采空區穩定性綜合評價及治理方案研究［J］.公路，2022，67（10）：126-130.

［4］魏家俊.我國現有公路下伏采空區治理技術研究［J］.建筑技術，2021，52（1）：115-119.

［5］劉小平，李 姍，劉新星，等.煤礦采空區注漿治理工后質量檢測技術與實踐［J］.煤田地質與勘探，2020，48（5）：113-122.

作者簡介：覃周東（1985—），工程師，主要從事高速路監理工作。