中交二公局第四工程有限公司 河南洛阳 471013
摘要：铜黄高速公路沿线宜君县太安镇存在大量的强风化砂岩，利用砂结合水泥粉煤灰浆填充采空区便成为一种经济环保的采空区处理方法。 通过采空区治理范围、帷幕孔施工、注浆孔的布设、成孔工艺、注浆方法、注浆顺序、注浆施工关键点、效果评估一系列施工重点的论述，归纳总结了形黄土地区注浆填充施工方法，为黄土地区采空区治理注浆的施工提供了技术参考。
关键词：砂；采空区；高速公路；注浆；施工
0前言
在黄土地区修建高速公路，对其施工方法，处治措施以及黄土的性能进行了富有成果的研究[[[]赵永国,谈应鹏,穆国兵.黄土地区公路路基下伏洞穴的探查技术[J].西部探矿工程,2002(增001):333-336.]]。而有关采空区治理研究，主要是在煤炭、冶金、军事和交通等部门进行，如波兰、前苏联、英国和中国等主要产煤国家，就对“三下”采煤技术进行了详细研究；同时，对采空区地表构筑物保护和防治技术也进行了大量试验研究，积累了宝贵的经验[[[]Chen You-qin, A fluorescent approach to the identification of grout injected into fissures and pore spaces[J].Engineering Geology,2000,56 (3/4):395-401.]]。但针对高速公路下伏采空区问题的研究报道甚少，且往往是经验介绍，尚未形成成熟的理论及工程设计体系，无规范规程可循，国际上也鲜有此类工程报道。
近年国内已建高速公路下伏采空区治理方法，主要以注浆充填法为主，注浆材料又以水泥粉煤灰浆液为主[[[]童立元,邱钰,杜广印,黄卫,刘松玉.高速公路下伏多层采空区注浆充填法治理试验研究[J].公路交通科技,19(5):19-27.]]。铜黄高速太安镇沟门村煤矿下伏采空区范围大，若采用常用的水泥粉煤灰浆液充填，其治理成本非常高。高速公路所处地区存在大量的天然强风化砂岩，机械开挖后可直接混入浆液，黄砂的利用将能大大降低采空区充填成本；同时，减少对环境的破坏。
本文针对铜黄高速太安镇沟门村煤矿采空区，在水泥浆-黄砂注浆填充处治实体工程的基础上，从采空区治理范围、帷幕孔施工、注浆孔的布设、成孔工艺、注浆方法、注浆顺序、注浆施工关键点、效果评估等方面，归纳总结形成黄土地区注浆填充施工方法，为黄土地区采空区治理注浆的施工提供技术参考。
1 工程概况
宜君县太安镇沟门村煤矿采空区分布在拟建公路K122+ 550~K122+ 720之间。采空区地层主要为上三叠系煤系地层，整体开采方向为从东向西，巷道及采空区域为东南高西北低，高速公路路基均处于影响区域。按矿山开采理论，经计算后确定：公路轴向影响路线范围120 m，横向影响路线范围60m，治理面积约7200m2。通过现场调查与理论分析，太安镇沟门村煤矿采空采空区的地面沉陷变形尚未完成，其以后的变形对拟建高速公路危害极大，为确保高速公路的安全运营，必须对该煤矿采空区采取工程措施进行治理。
帷幕孔注浆形成帷幕，之后进行一般注浆孔注浆，通过注浆泵、注浆管，将水泥—粉煤灰—黄砂浆注入采空区及其上覆岩体裂隙中，充填土体中的空隙，由于浆液的充填在压力作用下扩散前进，对周围的土体同时产生挤密效应和扩散效应，减少土体的孔隙比。浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区内的浆液形成的结石体对周边岩体支撑加固作用，保证路基的稳定。采空区在进行治理后，地基的变形应满足公路工程对地基稳定性的要求，即：经治理后的采空区在公路施工和运营过程中，地基能有效地承受公路和车辆荷载，不产生破坏和影响公路工程正常使用的变形，保证公路安全营运。
2注浆充填法的方案和工艺
2.1采空区治理范围的确定
按矿山开采理论，确定采空区治理长度和治理宽度。治理长度以采空塌陷区沿路线延伸方向的边界为起点，向路线延伸方向，按68°的煤层应力扩散角来划定的边界两边,各加10m保护带的长度；治理宽度为路基两侧各留10m保护边界，向两侧按68°的煤层应力扩散角考虑，所确定的边界宽度。
2.2注浆工艺参数
（2）注浆扩散半径
注浆扩散半径R 为：
式中：k —土的渗透系数(cm/s)；
p —注浆压力(kg /cm2)；
r0 —注浆管半径(cm)；
t —注浆时间(s)；
n —土的孔隙率；
β —损失系数，一般取0.1~0.3 。
（2）注浆材料及浆液配合比的确定
根据高速公路建设及当地取材方便的特点，现场采用黄砂掺入水泥粉煤灰作为注浆材料。浆液配合比是影响注浆质量好坏的重要因素，也是降低注浆工程造价、缩短工期的关键。水灰比很小，对提高注浆后加固区的强度有利，但浆液在压力管道中的阻力必然增大，对注浆泵要求较高，不利于浆液进一步扩散，影响注浆半径。
帷幕孔初始注浆选用配合比为（水：水泥：粉煤灰：水玻璃=636:280:420:5.6），若地下采空区空隙较大，则配合比调整为（水：水泥：粉煤灰：水玻璃=663:265:398:5.3），安装投砂漏斗，先用泥浆泵向孔内灌浆，同时采用小型挖机加人工的方法通过投砂漏斗向孔内投入黄砂，投砂比例为注浆量的15~20%。
（3）注浆量估算
根据采空区三维空间分布形态及三带分布特征，在确定治理范围后，对注浆量进行估算。计算公式为：
式中：Q —浆液总用量(L)；
v —土的体积(m3)；
n —土的孔隙率；
m —经验系数，取0.3~0.6 。
2.3施工工艺
2.3.1帷幕孔施工
帷幕孔注浆是确保整个治理工程的关键，亦是治理工程施工难度最大的环节。根据采空区物探、钻探以及采访情况等资料进行分析，确定采空区处理的边缘，布设帷幕孔。依据帷幕孔成孔过程中的岩芯破碎程度、孔内循环液的漏失量及钻进过程的掉钻、卡钻等现象，判断孔内采空区空洞、孔隙的大小。
沟门村煤矿采空区整体开采方向为从东向西，巷道及采空区域为东南高西北低。为此制定了注浆施工顺序：帷幕孔施工先进行西北部分帷幕孔施工，然后沿周边逆时针方向行进，依次完成帷幕孔注浆形成周边帷幕。帷幕施工注浆顺序如图1所示：
2.3.3成孔工艺及注浆方法
1）外层帷幕孔及一般注浆孔用Φ146mm钻头开孔，钻至完整基岩5m后，下入Φ130mm套管护壁，然后变径为Φ89mm，钻至采空区的塌陷冒落带底板或煤层底板以下1.2m终孔；内层帷幕孔用Φ146mm钻头开孔，钻至完整基岩5m后，下入Φ130mm套管护壁，然后变Φ110mm钻头，钻至采空区中的塌陷冒落带底板或煤层底板以下1.0m终孔。
2)钻孔过程未见采空、煤层等地质现象后钻至设计深度后视为终孔可提出钻杆，下注浆管，注浆管外露长度在0.5～1m左右。注浆开始前，先向孔内压水冲孔5 min。
3)浇注孔口管。将一端带有110 mm法兰盘和50 mm注浆管下入孔内变径处，孔内放少量的砾石，然后浇注1.2 m左右的浓浆, 水泥浆液中应加入水泥用量2 %的速凝剂, 快速将注浆管与孔壁固结。注浆管为花管且开口距孔底≯1.0 m。
4)注浆前压水10~15 min，注浆采用先稀后浓的原则调节不同的配合比，定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，及时调整注浆量和浆液浓度。
5)采用间歇式注浆时，间歇时间应≮12 h。间歇前，应进行适当的压水，以保证注浆管畅通。根据室内标准配合比试验浆液的初、终凝时间，上下段注浆之间的间歇时间应≮36 h。
6)若钻孔口长时间出现吸入风声，则基本判定该孔连通了采煤巷道，需加大投砂量，同时调整帷幕孔水固比为1:1.2，增加浆液稠度。注浆量达到设计注浆量2~4倍时暂停该孔注浆，先进行其他孔注浆。据此，将所有外层帷幕孔注浆完全后，重新对未注满孔进行二次注浆，循环直作业至钻孔注满。若采空区空隙较小时，直接采用注浆泵进行压力注浆。
2.3.3注浆施工关键点
1）根据设计资料和现场地形情况选取合适孔位进行试钻，验证选用机具可行性；其次，根据钻孔进度情况，及时调整设备数量和类型以满足施工需要。
2）根据设计文件和施工方案先进行空洞位置较低的孔位，在钻孔完成30-50个孔以后，便可及时开展注浆作业。
3)注浆作业从孔洞位置较低的孔位开始，先进行帷幕孔注浆后进行一般孔注浆。预到孔内地下水丰富甚至有地下河流的情况可采取投砂和注浆间隔施工作业的方案，先在注浆孔内投入干砂，然后再进行注浆作业，避免同时作业浆液被稀释冲淡。
5)注浆有出现浆液串孔现象时，需采取对互相串联的孔洞进行间隔注浆，即每个孔先注入一定方量浆液，以串联孔有冒浆现象为准，而后封口对其他孔进行注浆，直至相互串联的孔内都已将空气排完，则浆液饱满。
6)单孔注浆前，必须进行压力水清洗孔道，以保证各种空洞裂隙贯通；判断单孔孔洞大小，估计注浆量和确定初始浆液配合比。
7)为了有效地控制浆液凝固时间，第一盘浆液搅拌时浆液原材料应按类型分批加入，先在搅拌池放入定量水后开启搅拌机，然后加入水泥搅拌、再加入粉煤灰搅拌，浆液搅拌完成后，在开启注浆泵前加入水玻璃速凝剂以防止服加入混合池中后，产生浆液提前凝固的失控现象。
8)因注浆孔位孔洞情况大小不一，在整个注浆过程需采取多种配合比，要求现场技术人员每盘记录所用材料数量，试验检测人员随时检测浆液质量。
9)注浆时发生孔口管漏浆时应立即停止注浆，重新浇筑孔口管后再次注浆；因地面裂隙发育而引起的注浆孔周围的冒浆现象，宜先采用低压小流量间歇灌注，若仍继续冒浆则应采取间歇式注浆法，先停止该孔注浆，换做其他孔，最后再回头对该孔进行注浆。
2.4效果评估
注浆施工结束后即进行路基填筑施工，在原地面整平碾压完成后按照路基填筑区域面积分别埋设纵向3列横向3排，共9处沉降板，进行沉降观测，同时进行路基填方施工。随着路基填筑厚度增加，采空区上部荷载逐渐加大，采空区影响范围内，不同时段内实际变形沉降结果如图3所示：
图3 地表沉降
从图3中可以看出：随着固结时间的增加，地表沉降量呈现出逐渐变小的趋势。在0~30d内，各个观测点的日地表沉降量处于2mm以上，但逐步减小；当注浆完成30d后，观测点的地表沉降量趋于稳定，基本处于零沉降状态。这是因为，水泥粉煤灰砂浆强度随时间的增加而提高，当超过30d后，填充黄砂—水泥砂浆形成强度形成稳定，地基强度提高，从而保证了地表沉降量极小，甚至不变。
因此，可以认为采用黄砂—水泥砂浆填充方法比较纯水泥、水玻璃双液注浆而言，由于参入了细骨料，其施工前期便具有良好的填充稳定空洞的能力，后期具有更强稳定性能，对于减小水泥浆用量，达到工程的经济效果是一项很有效的措施。故在黄土地区，可以采用黄砂—水泥砂浆填充采空区，保证道路路基的稳定性能。
3结语
通过铜黄高速宜君县太安镇沟门村煤矿采空区处治的工程实例，针对该黄土地区风化砂储量大的特点，提出黄土地区公路下伏采空区注浆法处治的关键技术，包括根据钻探情况判别下伏采空区影响区域、帷幕孔注浆施工技术、注浆孔注浆施工技术、黄砂—水泥浆填充技术；并应遵循采空区注浆处治质量检测要求和路基的变形控制标准，以保证工程质量。开发的黄土地区高速公路下伏采空区注浆投黄砂技术，平均投沙率为18 %左右，大大降低了采空区整治成本，减少了对环境的破坏，具有显著的社会经济和环境效益。
参考文献:
[]赵永国,谈应鹏,穆国兵.黄土地区公路路基下伏洞穴的探查技术[J].西部探矿工程,2002(增001):333-336.
[]Chen You-qin, A fluorescent approach to the identification of grout injected into fissures and pore spaces[J].Engineering Geology,2000,56 (3/4):395-401.
[]童立元,邱钰,杜广印,黄卫,刘松玉.高速公路下伏多层采空区注浆充填法治理试验研究[J].公路交通科技,19(5):19-27.
论文作者:岳祁
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/30
标签：采空区论文; 注浆论文; 浆液论文; 帷幕论文; 路基论文; 黄土论文; 水泥论文; 《防护工程》2019年8期论文;