采空區(qū)注漿地基處理方案的設(shè)計(jì)與施工

董紅霞

(山西六建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

在工程項(xiàng)目中經(jīng)常會(huì)遇到采空區(qū)的問題，對(duì)于現(xiàn)采區(qū)和未來采區(qū)，可通過井下開采措施或地面構(gòu)筑物保護(hù)措施來解決，但對(duì)老采區(qū)，特別是小煤窯，到目前為止，尚無完善的治理方法，目前以使用壓力注漿充填法為主。

1 工程概況

盂縣水神山道路工程第五合同段秀水河橋項(xiàng)目，設(shè)計(jì)橋型60 m×20 m×11 m預(yù)應(yīng)力T梁。2008年5月開工，2009年6月竣工，橋墩地基采用灌注樁處理。在灌注樁施工過程中遇到采空區(qū)，通過對(duì)歷年來采空區(qū)治理方法的調(diào)查與分析，并結(jié)合本工程實(shí)際情況，最后確定采用“一樁一孔注漿處理方法”對(duì)采空區(qū)地基進(jìn)行處理，鉆孔200個(gè)，其中帷幕孔66個(gè)，一般注漿孔100個(gè)，樁間增強(qiáng)孔34個(gè)，采空區(qū)處理平均埋深60 m，處理長(zhǎng)度240 m，寬80 m，采高3.0 m，回采率30%，漿液結(jié)石率75%，充填率75%，漿液流失系數(shù)0.1，總注漿量15 840 m3，工作中得到很好的運(yùn)用。

下面就該工程采空區(qū)地基處理方法的工藝原理、設(shè)計(jì)方案確定、施工工藝、工程質(zhì)量控制、處理效果等方面作一介紹。

2 工藝原理

1)通過注漿，能有效地填充冒落帶巖石空隙及空洞，增強(qiáng)了冒落帶巖石密實(shí)度，提高了原冒落帶巖層砌體結(jié)構(gòu)的整體剛度，阻止了頂板繼續(xù)垮落。

2)依靠漿液良好的流動(dòng)性，對(duì)節(jié)理、裂隙、層理等軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行填充膠結(jié)，提高了抗剪強(qiáng)度，增加了裂隙帶的整體性。

3)水泥、粉煤灰漿液凝固后具有一定強(qiáng)度，經(jīng)過對(duì)采空區(qū)填充加固，巖石的穩(wěn)定性增強(qiáng)，提高地基承載力。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 熟悉地質(zhì)情況

1)熟悉巖土工程勘察報(bào)告及相關(guān)地質(zhì)資料。

2)了解采空區(qū)范圍，并做好野外社會(huì)調(diào)查。

3)了解煤礦開采情況，有無越界、違規(guī)開采，以及回采率等。

3.2 煤層頂板、地基穩(wěn)定性計(jì)算

1)計(jì)算總則。采空區(qū)頂板冒落特征主要包括煤柱失穩(wěn)型覆巖破壞、“頂板逐層跨落型”殘留空洞覆巖破壞和“頂板抽冒型”殘留空洞覆巖破壞。

首先，廢棄采空區(qū)中的殘留煤柱，在地下水侵蝕、風(fēng)化和其他擾動(dòng)因素作用下，其強(qiáng)度將隨時(shí)間產(chǎn)生弱化和蠕變，當(dāng)作用在煤柱上的荷載達(dá)到煤柱上的強(qiáng)度極限時(shí)，煤柱失穩(wěn)造成上部覆巖破壞。其次，采空區(qū)上覆巖層的跨落是逐層向上發(fā)展的，頂板巖層呈懸露狀態(tài)，類似于板狀結(jié)構(gòu)，可近似將其視為兩端固定的梁，若以最大拉應(yīng)力作為巖層斷裂的依據(jù)，當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到或超過該巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，巖層將斷裂跨落，產(chǎn)生頂板逐層跨落破壞。第三，對(duì)于淺部柱式采空區(qū)，由于埋深較淺，頂板松軟，覆巖呈層狀碎裂或散體結(jié)構(gòu)，煤柱與周圍巖體之間的內(nèi)聚力為零，其原有的平衡狀態(tài)極易打破，而發(fā)生頂板抽冒破壞。

3.3 治理方案的確定

根據(jù)計(jì)算結(jié)果、本地環(huán)境和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件、材料來源、上部結(jié)構(gòu)特征并考慮工程造價(jià)、工程進(jìn)度等因素，結(jié)合本場(chǎng)地采空區(qū)埋深深度、平面分布特點(diǎn)及采空冒落情況，確定采空區(qū)處理平面布置圖、鉆孔深度、數(shù)量、漿液所用材料等。

1)橋墩樁基范圍內(nèi)為采空區(qū)治理重點(diǎn)部位，采用一樁一孔施工方法，鋼筋混凝土灌注樁澆筑前，將直徑127 mm～146 mm的鋼管綁扎在鋼筋籠中，與鋼筋籠同時(shí)下入鉆孔中。灌注樁混凝土施工完畢后，從鋼管中下入直徑89 mm的鉆具施工注漿鉆孔，注漿孔成孔后下入注漿管進(jìn)行注漿，在橋墩之間，根據(jù)采空巷道分布情況，增加部分樁間增強(qiáng)孔。

2)如果能確定礦井巷道的確切位置，注漿孔要布置在巷道上，但對(duì)于小煤窯，往往難以確定其確切位置，故此一般采用均勻布孔原則。

3)治理范圍邊緣部位布置邊緣帷幕孔，以防漿液流失?？组g距一般要小，可以采取前后交錯(cuò)布置方式。

4)漿液配合比的確定。漿液材料由水、水泥、粉煤灰組成，帷幕孔采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥、普通生活用水、三級(jí)粉煤灰，水泥∶粉煤灰固相比3∶7，漿液水固比為0.6∶1，同時(shí)在漿液中添加不少于水泥重量3%的速凝劑。處理區(qū)域內(nèi)采用42.5號(hào)硅酸鹽水泥、普通生活用水、三級(jí)粉煤灰，水泥∶粉煤灰固相比3∶7，漿液水固比為 0.8∶1。

最佳配比要通過配合比試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)可注性試驗(yàn)來確定。

注漿壓力的大小決定漿液的有效擴(kuò)散半徑和充填、壓密的效果，注漿壓力的選擇要以不使地層結(jié)構(gòu)破壞為原則。

4 施工工藝及操作要點(diǎn)

4.1 施工工藝流程

施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備→測(cè)量放線→注漿孔施工→澆筑孔口管→注漿→注漿質(zhì)量檢查→驗(yàn)收→檢測(cè)。

4.2 施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

1)施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備主要是地表鉆探所占的地面及注漿泵站。

2)采用全站儀進(jìn)行鉆孔定位，其鉆孔位置偏差不大于5 cm。

4.3 注漿孔施工

1)鉆孔孔徑宜為89 mm～168 mm，根據(jù)地質(zhì)情況，選用開孔鉆徑。當(dāng)存在軟弱基層時(shí)，應(yīng)采用變徑、下護(hù)壁套管等方法進(jìn)行鉆進(jìn)。為加快施工進(jìn)度，可采用送水取芯鉆進(jìn)。

施工順序?yàn)?確定孔位→平整場(chǎng)地→鉆機(jī)就位校正、安裝沖洗液系統(tǒng)→鉆進(jìn)→鉆探原始記錄、巖芯編錄→終孔、驗(yàn)收→物探測(cè)井→質(zhì)量評(píng)定。

2)注漿孔與灌注樁同時(shí)施工，采用一樁一孔施工方法，成孔流程示意圖見圖1。

圖1 成孔流程示意圖

4.4 澆鑄孔口管施工

1)鉆孔施工完畢后應(yīng)及時(shí)下入注漿管，下注漿管前應(yīng)準(zhǔn)確校核孔深、變徑、封孔管長(zhǎng)度等。注漿管口采用絲扣連接，托盤制作要規(guī)范，一般應(yīng)小于封孔端孔徑2 cm～3 cm，下管前先將托盤以下注漿管連接，下管過程中要保持注漿管垂直，防止堵塞注漿管口。

2)澆鑄孔口管施工順序?yàn)?加工注漿管→焊接法蘭托盤→下注漿管→沿孔壁向孔內(nèi)投少量礫石→加入適量粘土→加入水泥、水、粉煤灰，用純水泥漿封孔→管口保護(hù)→驗(yàn)收。

3)止?jié){段深度宜為2 m～3 m，托盤以上注漿管外壁與鉆孔內(nèi)壁之間間隙投入20 cm厚礫石和中粗砂，而后采用純水泥或水泥粉煤灰封孔，水灰比控制在0.5∶1～0.7∶1，確保封孔質(zhì)量。地表以上注漿管不宜過長(zhǎng)，一般0.6 m～1.0 m為宜。

4.5 注漿加固施工

1)注漿加固施工順序?yàn)?施工準(zhǔn)備→原材料檢驗(yàn)、修建泵站備料→沖洗孔壁、安裝攪拌機(jī)→安裝注漿管→配置注漿液→開泵注漿→停泵驗(yàn)收→沖洗注漿泵及管道→整理資料、驗(yàn)收。2)注漿施工時(shí)，先施工帷幕孔，以形成有效的止?jié){帷幕，阻擋漿液的外流，后施工中間注漿孔;鉆孔分序次間隔進(jìn)行，一般分二到三序次成孔;一序孔對(duì)采空區(qū)可以起到補(bǔ)勘的作用，根據(jù)實(shí)際地層及采空區(qū)情況對(duì)后序孔的孔位、孔距、孔數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以彌補(bǔ)均勻布孔設(shè)計(jì)的不足;注漿工作也應(yīng)間隔式分序次進(jìn)行，一序次孔漿液可能擴(kuò)散范圍較大，二、三序次孔注漿將使前序次未充填的空洞得到再次充填，從而提高充填率。3)注漿漿液材料主要為水泥，根據(jù)需要可加入外加劑及摻合料。水采用普通生活用水，水泥宜采用42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，摻合料為粉煤灰，宜采用三級(jí)以上。外加劑和摻合料的用量，應(yīng)通過試驗(yàn)確定。4)漿液采用二次攪拌，攪拌機(jī)一次加水到位后，添加水泥和粉煤灰的摻合料，添加過程中隨添隨攪，添加完畢后攪拌時(shí)間不少于5 min，注漿過程中每間隔5 min，需攪拌一次，攪拌時(shí)間不少于2 min。5)由外向內(nèi)施工，帷幕孔注漿采用間歇式注漿，單孔注漿量達(dá)50 m3時(shí)，停注12 h，而后繼續(xù)灌注，如此循環(huán)，單孔注漿量達(dá)200 m3而未注滿時(shí)，在孔口加一漏斗狀的投砂器，用漿液將砂或粒徑不大于0.5 cm的礦渣投入孔中，同時(shí)按以上方法進(jìn)行循環(huán)灌注。6)注漿孔注漿施工采用一次止?jié){一次注漿的施工方案，所有鉆孔均下管注漿，第一序次施工注漿鉆孔宜大間隔進(jìn)行，以進(jìn)一步探明采空區(qū)分布范圍，第一序次注漿結(jié)束后對(duì)剩余鉆孔施工注漿，并檢驗(yàn)第一序次注漿效果。7)注漿停止標(biāo)準(zhǔn):a.孔口管壓力升至1.5 MPa以上，穩(wěn)定15 min。b.孔口管壓力未升至1.5 MPa，但吃漿量小于75 L/min，且持續(xù)15 min。c.地表溢漿、鉆孔串漿。以上條件均可作為停注的標(biāo)準(zhǔn)，停止注漿4 h后，對(duì)所用鉆孔進(jìn)行復(fù)注。

4.6 注漿效果檢查

1)注漿質(zhì)量室內(nèi)做漿液結(jié)石體強(qiáng)度試驗(yàn)，要求漿液結(jié)石28 d強(qiáng)度達(dá)到2.0 MPa。2)注漿結(jié)束6個(gè)月后，檢查孔取芯檢查冒落巖石中漿液充填情況，取芯率應(yīng)大于80%以上。3)采用彈性波測(cè)井對(duì)注漿情況進(jìn)行檢驗(yàn)，注漿層平均剪切波速應(yīng)不小于160 m/s。檢測(cè)數(shù)量不少于3個(gè)鉆孔。4)設(shè)地面沉降觀測(cè)網(wǎng)，觀測(cè)期不少于注漿后1年。

5 安全環(huán)保措施

1)注漿過程中應(yīng)避免高壓噴嘴接頭斷開或軟管破裂導(dǎo)致漿液噴射、軟管甩出引發(fā)安全事故。2)施工中鉆機(jī)應(yīng)置于平整堅(jiān)實(shí)的地面上，鉆機(jī)移位時(shí)應(yīng)平穩(wěn)并保持挺桿垂直，防止傾斜倒塌。3)水泥和粉煤灰等細(xì)顆粒散體材料，應(yīng)遮蓋存放，運(yùn)輸時(shí)防止遺撒、飛揚(yáng)。4)注漿時(shí)應(yīng)避免漿液對(duì)地下水源及周圍環(huán)境的污染。

6 結(jié)語

一樁一孔注漿法處理采空區(qū)提高了地基承載力，減少了地基的整體沉降和不均勻沉降。從治理的效果來看，壓力注漿治理由采空區(qū)引起的路基塌陷是非常成功的。

[1] 竇隨兵.隧道下煤礦采空區(qū)處治方案及支護(hù)[J].山西建筑，2005，31(4):53-54.

[2] 邢繼亮.注漿法在采空區(qū)地基處理中的應(yīng)用[J].山西焦煤科技，2010(11):31-33.