風(fēng)積沙高速公路下伏采空區(qū)注漿投沙技術(shù)研究

黃俊文,張 恒,陳壽根

(1.榆神高速公路有限公司,陜西 榆林 719000;2.西南交通大學(xué),四川 成都 610031)

1 實例工程概況

陜西省省道 204榆神高速公路位于陜西省北部地區(qū),起點為榆陽區(qū)小紀(jì)漢,終點為神木縣半切墩,路線全長約 105 km[1]。榆神高速公路是聯(lián)系晉、陜、蒙三省區(qū)的一條重要通道。高速公路沿途經(jīng)過 13個煤礦采空區(qū),其中對路線有影響的有 5個,分別為東風(fēng)煤礦、討老烏素煤礦、瑤渠煤礦、棗稍溝煤礦和前陽灣煤礦采空區(qū),采空區(qū)總空洞體積達1029422m3。采空區(qū)的存在對榆神高速公路的施工和運營構(gòu)成了潛在的威脅,如何處理好采空區(qū)問題是保證本工程成功的關(guān)鍵。經(jīng)過分析研究和專家論證,最終決定對討老烏素煤礦、瑤渠煤礦、棗稍溝煤礦三個煤礦采空區(qū)進行填充處理,需填充的空洞體積達 730000m3。而對東風(fēng)煤礦和前陽灣煤礦兩個煤礦采空區(qū)暫不處理,而是在運營過程中加強公路的維護和修補處理。

高速公路所處地區(qū)風(fēng)積沙非常豐富,采用風(fēng)積沙填充高速公路下伏采空區(qū)便成為一種潛在的具有巨大經(jīng)濟社會效益和環(huán)保效益的采空區(qū)處治方法。然而,目前采用風(fēng)積沙填充高速公路下伏采空區(qū)的實例非常少,嚴(yán)重缺乏可借鑒的經(jīng)驗,采用風(fēng)積沙充填采空區(qū)的處治技術(shù)還很不成熟,特別是采用何種方式將風(fēng)積沙輸入采空區(qū)且能保證填充質(zhì)量在國內(nèi)外研究中處于空白。

本研究以榆神高速公路下伏采空區(qū)治理為工程依托,在大量調(diào)研相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,采用現(xiàn)場試驗和現(xiàn)場測試等手段對風(fēng)積沙高速公路下伏采空區(qū)注漿投沙技術(shù)進行了研究,完善了風(fēng)積沙高速公路下伏采空區(qū)注漿投沙技術(shù)。

2 采空區(qū)治理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

采空區(qū)將引起地表連續(xù)或非連續(xù)性變形,對高速公路的危害主要有如下幾個方式:采空區(qū)的失穩(wěn)冒落,使地表劇烈變形,產(chǎn)生陷坑、臺階等;路基沉陷,造成路基、路面局部開裂,使承載力下降,使用條件降低,或造成路面低洼積水破壞;傾斜使坡度發(fā)生變化,導(dǎo)致行駛車輛重心偏移,在彎道處最易發(fā)生事故;水平變形和曲率使路面受拉伸開裂、受壓縮隆起,使路面發(fā)生波浪起伏及路面與路基間的局部離層。

有關(guān)采空區(qū)治理研究,主要是在煤炭、冶金、軍事和交通等部門進行,如波蘭、前蘇聯(lián)、英國和中國等主要產(chǎn)煤國家,從 20世紀(jì)50年代開始就對“三下”采煤技術(shù)進行了詳細研究;同時,對采空區(qū)地表構(gòu)筑物保護和防治技術(shù)也進行了大量試驗研究[2-5],積累了寶貴的經(jīng)驗。但針對高速公路下伏采空區(qū)問題的研究報道甚少,且往往是經(jīng)驗介紹,尚未形成成熟的理論及工程設(shè)計體系,無規(guī)范規(guī)程可循,國際上也鮮有此類工程報道?？偨Y(jié)起來,高速公路下伏采空區(qū)治理主要有以下 6種[6-11]:

(1)全部充填采空區(qū)支撐覆巖,以徹底消除地基沉陷隱患,采用注漿充填、水力充填和風(fēng)力充填等。其中,以注漿法應(yīng)用最廣泛、效果最好;

(2)局部支撐覆巖或地面構(gòu)筑物,減小采空區(qū)空間跨度,防止頂板的垮落。常用的方法有注漿柱、井下砌墩柱和大直徑鉆孔樁柱或直接采用樁基法等;

(3)注漿加固和強化采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu),充填覆巖斷裂帶、彎曲帶、巖土體離層和裂縫,使之形成一個剛度大、整體性好的巖板結(jié)構(gòu),有效抵抗老采空區(qū)塌陷的向上發(fā)展,使地表只產(chǎn)生相對均衡的沉陷,以保證地表構(gòu)筑物的安全;

(4)采取措施釋放老采空區(qū)的沉降潛力法,在采空區(qū)地表未利用前,采取強制措施加速老采空區(qū)活化和覆巖沉陷過程,消除對地表安全有較大威脅的地下空洞,在沉陷基本穩(wěn)定后再開發(fā)利用地表土地。常用方法有堆載預(yù)壓法、高能級強夯法和水誘導(dǎo)沉降法等;

(5)對于跨度較小的采空區(qū)可采用修建橋梁跨越采空區(qū);

(6)對公路,也可采取繞避方案或修筑過渡路段或營運后的維護維修方案。

表1為近年國內(nèi)已建高速公路下伏采空區(qū)治理方法[12～14],可以看出,目前高速公路下伏采空區(qū)治理主要以注漿充填法為主,注漿材料以水泥粉煤灰漿液為主。

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榆神高速公路下伏采空區(qū)治理范圍大,需填充的空洞體積達 730000m3,若采用常用的水泥粉煤灰漿液充填,其治理成本非常高。高速公路所處地區(qū)存在大量的天然風(fēng)積沙,風(fēng)積沙的利用將能大大降低采空區(qū)充填成本,同時,減少對環(huán)境的破壞。

3 注漿投沙工藝

由于采空區(qū)已廢置多年,不能進入采空區(qū),只能采用地表鉆孔注漿的方式充填采空區(qū)。采空區(qū)治理范圍周邊先施工帷幕孔形成漿液阻隔墻,孔距 15m;漿液阻隔墻內(nèi)施工注漿孔,采用梅花型布置,孔距 20m。填充材料以風(fēng)積沙為主,采用以水泥粉煤灰漿液帶動風(fēng)積沙的方式將風(fēng)積沙輸送到采空區(qū)。施工步驟包括地表鉆孔、制漿、注漿投沙、壓漿、封孔等。

3.1 鉆孔

鉆孔首先按設(shè)計對鉆孔進行定點,鉆孔使用全站儀按設(shè)計孔位進行實地放樣,然后進行鉆孔取芯。鉆孔采用146mm復(fù)合鉆頭開孔,鉆至穩(wěn)定基巖下 3～5m處時下130mm套管,然后變徑89mm,繼續(xù)鉆至采空區(qū)中的塌陷冒落帶或采空區(qū)頂板。上覆土層為細沙、粘土或粉質(zhì)黏土等,其自穩(wěn)性差,需安裝護壁管進行護孔,防止鉆孔塌陷。鉆桿與鉆桿之間用絲扣聯(lián)接。鉆孔過程中,如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆等現(xiàn)象,需詳細記錄深度、層位和耗水量等,并根據(jù)巖芯質(zhì)量判斷冒落帶、裂隙帶等。

3.2 制漿

制漿在制漿站完成,為提高制漿質(zhì)量,采用兩級攪拌池進行注漿。一級攪拌池為兩個攪拌池,分別對水和水泥、水和粉煤灰進行攪拌,然后將一級攪拌池的漿液輸入到二級攪拌中進行再攪拌。在一級攪拌過程中,由于粉煤灰存在雜質(zhì)多、顆粒大(粒徑 0.5～3cm含量約為 30%,最大粒徑達 30cm以上),達不到設(shè)計要求,采取了兩方面措施進行處理:①利用鏟車壓碎較大粉煤灰塊。②利用 LSY-200螺旋輸送機漏斗上方的金屬格柵進行篩分,使大顆粒粉煤灰不能進入攪拌池。

漿液的材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑及粗骨料(風(fēng)積沙)等組成。水/水泥粉煤灰配合比為:1∶1～1∶1.2,水泥/粉煤灰配合比為:帷幕孔 4∶6,注漿孔 2∶8。風(fēng)積沙占總漿量的 50%。

3.3 注漿投砂

圖1 投沙器

注漿投沙是整個施工中的最重要環(huán)節(jié),其關(guān)鍵是投沙器的設(shè)計和投沙方法。

3.3.1 投沙器的設(shè)計

為了使注漿投沙具有可操作性,設(shè)計了用于投沙的投沙器,見圖 1所示。投沙器由投沙漏斗、出氣口、注漿管接口、注漿孔接口四部分組成,投沙漏斗是便于風(fēng)積沙的順利投入。投沙器上部口徑為 110mm,下部深入基巖孔內(nèi),口徑為 76mm,比注漿孔基巖下部孔徑 89mm小。

3.3.2 注漿投沙步驟

安裝好投沙器,準(zhǔn)備投沙。先把注漿管與投沙器的注漿管接口連接好,鋼管與注漿管口之間采用高壓鋼絲管進行連接。先通漿,待漿液穩(wěn)定后,用鏟車將風(fēng)積沙堆積在投沙口上方進行投沙,風(fēng)積沙隨著漿液并靠自重及孔內(nèi)的負壓投入采空區(qū)中。當(dāng)風(fēng)積沙顯堵塞狀時,采用木棒在孔口通沙,風(fēng)積沙在孔內(nèi)負壓作用下繼續(xù)投入。

在投沙過程中,嚴(yán)禁較大石塊進入投沙器以及在未注漿情況下進行投沙;可用鏟車把風(fēng)積沙直接堆在孔口上方,方便人工投沙,減少人工勞動量;采用間歇式注漿方法,注漿量和投沙總量一般達到兩百方左右的時候間歇一次,當(dāng)停止注漿時要通清水進行洗管,避免漿液在管內(nèi)凝固;注漿投沙孔的順序為先邊界孔(形成帷幕)后中間孔,并結(jié)合鉆孔資料,從低水位孔到高水位孔進行注漿。

3.4 壓漿和封孔

結(jié)合單孔注漿量設(shè)計要求和現(xiàn)場其他周邊孔注漿量的結(jié)果,一般當(dāng)漿液從孔口開始冒漿時作為投沙結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn),投沙結(jié)束后取下投沙器、拔出護壁導(dǎo)管、下法蘭盤、安裝壓漿管進行壓漿。

(1)焊接法蘭盤。壓漿管為76mm的鋼管,下端 1m左右處焊接130mm法蘭盤,法蘭盤的作用主要是將法蘭盤卡在變徑處,同時防止?jié){液上串。

(2)安裝壓漿管。將帶有130mm法蘭盤的注漿管插入孔內(nèi)變徑處,孔內(nèi)放入少量黃土(圖 2),防止?jié){液大量滲出。灌入水灰比為 1∶1.5的水泥砂漿,水泥砂漿液中加入水泥重量2%速凝劑,澆筑長度約8m。

(3)壓漿。當(dāng)周邊孔投沙完成后才進行壓漿,防止壓漿漿液跑到其他未投沙注漿的孔洞。

(4)壓漿管安裝好后,一般要隔 1～2 d,壓漿管凝結(jié)好后才開始壓漿。在孔口上方安裝壓力表進行注漿監(jiān)控。當(dāng)注漿壓力達到 1.2MPa左右(根據(jù)埋深、空隙等實際情況壓力可在1～3MPa之間),同時泵量70～100 L/min和維持時間10～15 min時,結(jié)束壓漿。壓漿結(jié)束要通清水進行洗管,避免漿液在管內(nèi)凝固。

壓漿時應(yīng)注意:(1)漿液應(yīng)從稀漿(1∶1～1∶1.2)、低流量(≤90 L/min)開始,當(dāng)漿液孔口壓力≤0.6MPa時,可逐漸加大流量;(2)當(dāng)孔口壓力 >1.0MPa時,要降低流量,并用稠漿(1∶1.3～ 1∶1.4);(3)當(dāng)單孔注漿量較大,需要加速凝劑(1% ～5%)。當(dāng)孔口壓力≤0.6MPa、注漿量≥90 L/min時,采用間歇式注漿,間歇時間≥12 h;(4)間歇后的注漿,不得采用稀漿;(5)對于地面冒漿孔,間歇次數(shù)不得超過三次,當(dāng)?shù)谌巫{又發(fā)生冒漿時,終止壓漿。

圖2 投沙后壓漿

為防止地表水隨著注漿孔流入到采空區(qū)內(nèi),當(dāng)壓漿完成后,拔出壓漿管,對注漿孔用混凝土進行封孔。

4 注漿投沙結(jié)果分析及質(zhì)量評定

以上注漿投沙工藝被應(yīng)用到榆神高速公路下伏采空區(qū)的現(xiàn)場試驗中,其注漿投沙技術(shù)和工藝得到不斷改進和完善,取得了較好的注漿投沙效果。在討老烏素煤礦采空區(qū)投沙注漿推廣應(yīng)用,結(jié)果最高投沙率達 75%,最低投沙率為31%,平均投沙率為 50.2%左右。

本采空區(qū)風(fēng)積沙填充質(zhì)量評定與檢測工作主要參照《京福高速公路徐州繞城西段煤礦采空區(qū)處治工程質(zhì)量檢驗評定辦法和標(biāo)準(zhǔn)》(試行)進行,檢測項目和標(biāo)準(zhǔn)列于表2中。本研究采用表2中的標(biāo)準(zhǔn)對三個采空區(qū)進行了詳細的質(zhì)量檢測和評定,三個采空區(qū)質(zhì)量處理評定結(jié)果均合格。

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5 結(jié) 論

本研究結(jié)合榆神高速公路下伏采空區(qū)治理為工程背景,采用現(xiàn)場試驗,開發(fā)了風(fēng)積沙高速公路下伏采空區(qū)注漿投沙技術(shù),填補了本領(lǐng)域的國內(nèi)外研究空白。通過現(xiàn)場推廣應(yīng)用,其應(yīng)用效果非常顯著,平均投沙率為 50.2%左右,大大降低了采空區(qū)整治成本,減少了對環(huán)境的破壞,具有顯著的社會經(jīng)濟和環(huán)境效益。

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