地鐵施工區(qū)間煤炭采空區(qū)處理關(guān)鍵技術(shù)

周 欣

(江蘇國樁巖土工程有限公司，江蘇 南京 211301)

0 引言

隨著大城市發(fā)展不斷外延，為滿足人們的日常通勤需求，地鐵線路也逐漸外擴，面對的地質(zhì)情況越來越復雜，遇到煤炭采空區(qū)的概率也越來越大。盾構(gòu)法由于安全性好、適用地質(zhì)條件廣泛、對周邊環(huán)境擾動小的特點被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道建設(shè)中，對于位于煤礦采空區(qū)的地鐵隧道，由于采空區(qū)的存在，采用盾構(gòu)法施工時會出現(xiàn)“栽頭”“陷落”地表沉降過大甚至坍塌等風險。同時，對于地鐵后期運營來講，采空區(qū)是否有效處理直接影響了地鐵行車安全[1]。

本文以存在煤炭采空區(qū)的地鐵施工區(qū)間為例，總結(jié)了采空區(qū)處理的關(guān)鍵技術(shù)，保障了后續(xù)盾構(gòu)施工及后期地鐵運行的安全，供同行在類似工況時借鑒參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

某地鐵區(qū)間線路總長2 347 m，其中左線長1 175 m，右線長1 172 m，地面高程8.4 m～13.4 m，沿線地勢平坦，線路整體地勢低平，設(shè)置兩座聯(lián)絡(luò)通道，其中一座聯(lián)絡(luò)通道兼作費用泵房，線路由直線段和3段曲線半徑為R2 000 m,R800 m,R1 500 m的曲線構(gòu)成。左、右線線間距為9.5 m～17 m。隧道覆土厚度為13.51 m～23.77 m，地下水位埋深為1.50 m～6.00 m，最大坡度為28 ‰(見圖1)。

1.2 工程地質(zhì)條件

地鐵隧道范圍內(nèi)涉及的巖土層自上而下為：

人工填土層：雜色，稍濕，不均勻，為近代人工填土，主要由黏性土及碎石、碎磚等建筑垃圾組成。

沖積-洪積砂層：松散～稍密，級配良好，以石英細粒為主，部分含黏粒及中砂。

沖積-洪積土層：河湖相淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土，飽和，流塑，局部軟塑，含大量粉細砂。

殘積土層：粉質(zhì)黏土，土質(zhì)較均勻，局部含少許砂礫充填，遇水易軟化，為原巖風化殘積而成。

泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖全風化層：灰黑色、紅褐色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，巖芯呈密實土狀，浸水易軟化，局部夾有強風化。

炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖強風化層：灰黑色、紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)極軟，巖塊敲擊易碎，遇水易軟化。

粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖強風化層：灰褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖心呈堅硬土狀、半巖半土狀，巖質(zhì)較軟，巖塊敲擊易碎。

粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖中等風化層：灰褐色、紅褐色、青灰色，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育。

炭質(zhì)灰?guī)r中等風化層：灰黑色，灰白、灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎塊狀。

粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖微風化層：深灰色、青灰色、灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巖石裂隙稍發(fā)育，巖質(zhì)較硬，錘擊聲脆。

煤層：黑色，質(zhì)雜，含粉砂巖塊及風化土，較松散，條帶狀結(jié)構(gòu)，玻璃光澤，受構(gòu)造擠壓破碎成粉末狀，煤質(zhì)不純，夾泥質(zhì)粉砂巖。

采空區(qū)：未漏水～半漏水，全充填，充填紅褐色、灰褐色巖層風化物，少量殘留煤渣及木屑。

1.3 采空區(qū)情況

前期勘察反映區(qū)間有5個鉆孔見煤炭采空區(qū)，充填物以細粒黏土、碎石、煤渣和木屑為主，填充物松散堆積，具一定的壓實性，巖芯采取率70%以上，鉆速過快時有輕微漏漿，頂板以全～中風化粉質(zhì)黏土、粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖為主，裂隙發(fā)育多被壓實(見表1)[2]。

表1 揭露采空區(qū)鉆孔信息表

2 采空區(qū)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 處理原則

在勘探的基礎(chǔ)上，對采空區(qū)覆巖土層穩(wěn)定性分析和評價后，采用“探灌結(jié)合、先探后灌”的原則進行處理，處理方法應(yīng)安全可靠、經(jīng)濟合理、有利于環(huán)保、便于施工[3]。

2.2 處理范圍

為滿足影響盾構(gòu)施工安全和列車高速運行條件下承載力要求，影響工程安全的采空區(qū)均需處理，處理范圍應(yīng)根據(jù)巖面以上土層性質(zhì)、巖體的特性、溶洞的填充情況等綜合判斷，考慮到地層水土壓力和隧道周邊建構(gòu)筑物情況，結(jié)合地面鉆孔所需作業(yè)空間確定。

結(jié)合本項目地層及路面交通情況，具體處理平面范圍為：區(qū)間左線隧道西側(cè)邊線輪廓外放5 m，區(qū)間右線東側(cè)邊線輪廓外放3 m范圍內(nèi)揭露到的淺采空區(qū)均需處理。

2.3 處理辦法

采空區(qū)處理采用地面充填注漿的方法進行處理，采空區(qū)施工階段需要進行施工加密勘察，并將施工勘察探點與采空區(qū)處理相結(jié)合進行采空區(qū)處理[4-5]。處理過程中應(yīng)注意以下幾點：

1)當采空區(qū)巖面上覆砂層或空洞洞徑較大時，探邊施工易引起地面塌陷，應(yīng)采用邊探邊注漿的處理方式。

2)充填注漿需邊注漿邊摸查采空區(qū)的規(guī)模及處理后的狀態(tài)。根據(jù)注漿量及注漿孔所檢測到的采空區(qū)、老窿洞徑，初步估算采空區(qū)、老窿的規(guī)模后再向周邊布設(shè)檢查孔。檢查孔除需注意檢查空洞的延展狀況外，尚需檢查注漿充填狀況，發(fā)現(xiàn)注漿不飽滿的需利用檢查孔繼續(xù)注漿。

3)周邊存在重要建構(gòu)筑物的敏感地段為保證安全探邊與充填處理應(yīng)同步實施。

4)空洞需采用先成孔、后埋入注漿管，并注意封閉空洞頂板及注漿管與孔壁間的間隙后才能注漿。

5)注漿材料采用雙液漿、水泥漿和水泥砂漿，空洞外圍采用雙液漿封閉，內(nèi)部根據(jù)探明的采空區(qū)情況采用水泥漿或水泥砂漿，壓密注漿采用PVC花管注漿，注漿管應(yīng)進入采空區(qū)底部以下不小于0.5 m。

3 采空區(qū)施工方法及技術(shù)措施

3.1 施工流程

采空區(qū)施工內(nèi)容主要包括探邊界、注漿充填、注漿效果檢測(見圖2)。

3.2 邊界探測

施工前應(yīng)探明管線，對管線進行必要的避讓、拆除、遷改或懸吊等處理，避免破壞正在使用的管線，結(jié)合本工程地質(zhì)情況和周邊路面交通情況，區(qū)間右線東側(cè)邊線輪廓外放3 m范圍為注漿充填處理外邊界，區(qū)間左線隧道西側(cè)為重要高速公路，為保證高速公路通車安全，左線隧道西側(cè)邊線輪廓外放5 m范圍為注漿充填處理外邊界[6-7]。其鉆孔設(shè)置原則如下：

1)為經(jīng)濟高效探明采空區(qū)邊界，在左線隧道西側(cè)邊線輪廓外5 m和區(qū)間右線東側(cè)邊線輪廓外3 m的邊界進行常規(guī)鉆孔，常規(guī)鉆孔間距取5 m。當常規(guī)鉆孔發(fā)現(xiàn)有異常時，說明該范圍可能存在采空區(qū)，進一步按2.5 m間距鉆孔，如果再發(fā)現(xiàn)有異常，按更小間距1.25 m鉆孔，從而確定采空區(qū)邊界(見圖3，圖4)。

2)雙液漿封閉利用最終確定的間距1.25 m采空區(qū)邊界鉆孔注漿。

3)中間注漿孔按照間距原則為不大于3.5 m，注漿孔間距采取2 m×2 m梅花形布置。

4)為避免采用上述措施造成部分采空區(qū)遺漏，造成風險，采用高密度電法、電測探法或電磁勘探進行輔助探測，并對采用該方法探明的采空區(qū)通過鉆探進行驗證后注漿填充處理。

3.3 注漿充填

注漿先大后小、先外后里、先砂漿后水泥漿的原則執(zhí)行按照注漿填充要點如下：

1)外圍封邊采用雙液漿封閉，壓力控制在0.6 MPa～0.8 MPa，注漿次數(shù)為3 次～4 次；配比(質(zhì)量比)為水泥∶水∶水玻璃=1∶1.38∶0.3，采用42.5級普通硅酸鹽水泥注漿；水玻璃模數(shù)m=2.4～3.4(濃度Be=30 Be′～40 Be′)；漿管應(yīng)進入采空區(qū)底部以下不小于0.5 m。

2)對于全充填和半充填及無充填洞高小于3 m的采空區(qū)中央孔采用水泥漿壓注，對于半充填及無充填洞高不小于3 m的采空區(qū)中央孔采用水泥砂漿壓注，壓漿3次，設(shè)計參數(shù)為：

a.注漿壓力為0 MPa～1.0 MPa，逐步提高，達到注漿終壓后繼續(xù)注漿10 min以上。

b.水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥,水灰比(質(zhì)量比)取1.0～1.5。

c.水泥砂漿配比(質(zhì)量比)為：水∶水泥∶中砂=1∶1∶4。

d.注漿速度為30 L/min～150 L/min。

3)配合比和參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗及時調(diào)整。

4)注漿預估量按以下公式計算：

采空區(qū)處理注漿預估量=采空區(qū)底面積×采空區(qū)洞高×漿液擴散系數(shù)×注漿填充系數(shù)。

注漿擴散系數(shù)取1.5～2.5，普通地段取1.5，復雜特殊地段取2.5，注漿填充系數(shù)取1.1。

3.4 無封邊注漿法

本工程地質(zhì)條件復雜，采空區(qū)受交通、管線、建構(gòu)筑物的影響，較難全面探明采空區(qū)邊界情況，對于交通疏解及地下管線繁多的局部位置注漿孔出現(xiàn)為單排、單孔或無孔的現(xiàn)象，無法進行先探邊后封邊再中間注漿的施工流程，由于此時未進行封邊，漿液會沿著邊線外滲，可能導致漿液流失，采用無封邊注漿方式進行施工，為確保安全采取隨鉆隨灌，即采用單液漿及雙液漿交替灌注，使?jié){液快速凝固，保證漿液在填充區(qū)域內(nèi)大范圍擴散的同時防止?jié){液滲漏擴散過遠過深[8-9]。

1)由下而上分段注漿，分段長度根據(jù)探明的采空區(qū)情況取0.5 m～1 m。

2)加大底部灌注量使洞底部連成一個整體，防止?jié){液向下滲漏。

3)灌漿過程中發(fā)現(xiàn)冒漿，立刻停止注漿并查明原因，待6 h～10 h后再重新灌漿。

4)當出現(xiàn)漏漿等情況導致漿液注入量大且無法結(jié)束時，為避免漿液浪費，采用低壓濃漿、限流限量、間歇注漿等方法進行處理。

3.5 注漿效果檢測及驗收

注漿效果檢測包括充填注漿效果檢查、密實程度檢查、注漿加固效果檢查等。

1)充填注漿效果檢查主要是檢查填充率及密實程度，采用“二次壓漿”方法檢查。

2)密實程度檢查采用標貫法測定，標貫值應(yīng)達到“硬塑”以上。

3)注漿加固效果檢查，檢驗性鉆孔不應(yīng)少于注漿孔總數(shù)的5%，且不少于3個孔，每個采空區(qū)均要檢測一次。

4 結(jié)論

1)針對由于煤炭采空區(qū)存在區(qū)間盾構(gòu)法施工時出現(xiàn)的“栽頭”“陷落”坍塌等風險，按邊界探測→注漿充填→無封邊注漿法→注漿效果檢測及驗收的順序?qū)γ禾坎煽諈^(qū)進行注漿處理。

2)邊界探測采用階梯性鉆孔探測，最初鉆孔間距取5 m，可能存在采空區(qū)時逐步減小為2.5 m和1.25 m。

3)對于因交通疏解及地下管線繁多等導致的封邊情況，采用無封邊注漿方式進行施工，即采用單液漿及雙液漿交替灌注，使?jié){液快速凝固。同時，無封邊注漿方式宜由下而上分段注漿，分段長度根據(jù)探明的采空區(qū)情況取0.5 m～1 m[10-12]。

4)采用該工藝對采空區(qū)進行處理后的地層經(jīng)檢查注漿效果和注漿加固效果均符合要求，后續(xù)該區(qū)間盾構(gòu)施工安全施工，后期通車平穩(wěn)無事故，可為類似工程施工提供參考。