新建鐵路下伏采空區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)

吳振穎

(北京工電大修段，天津 300402)

1 工程概況

某新建鐵路全長60.13 km，線路在接軌站出站后與某礦山企業(yè)鐵路專用線并行，在DK1+360～DK3+700內(nèi)有長期、多層、重復(fù)開采的煤層采空區(qū)分布。線路連續(xù)跨越采空區(qū)長度達(dá)2.16 km，空間上在線下分布4～5層復(fù)雜采空區(qū)。該段采空區(qū)開采歷史久遠(yuǎn)，具有規(guī)模大、多層、開采無規(guī)律、水文地質(zhì)條件工程地質(zhì)條件復(fù)雜、開采資料不完善等特點(diǎn)。采空區(qū)變形已引起多處地面塌陷、下沉、房屋變形，勘察期間仍有新的地面塌陷坑形成，該段采空區(qū)將嚴(yán)重危及新建鐵路建設(shè)及建成運(yùn)營期間行車安全，設(shè)計(jì)采用注漿技術(shù)進(jìn)行加固治理。

2 治理范圍

目前采空區(qū)治理技術(shù)國內(nèi)還沒有專門的規(guī)范可依據(jù)，勘察、設(shè)計(jì)工作一般參照行業(yè)的勘察規(guī)范及專業(yè)手冊(cè)，如《巖土工程勘察規(guī)范》、《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》《高速公路采空區(qū)勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)》等。在近20年的研究中，我國在高速公路、鐵路等領(lǐng)域?qū)τ诓煽諈^(qū)勘察及治理技術(shù)的研究取得了較大發(fā)展，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，以下結(jié)合新建鐵路采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程特點(diǎn)，探討采空區(qū)治理寬度、治理深度、注漿參數(shù)選擇等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 治理寬度

該鐵路線下采空區(qū)多為長臂式開采，少量采用房柱式及刀柱式開采，回采率80% ～90%，局部留有保護(hù)煤柱。依據(jù)《高速公路采空區(qū)勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)》提供的公式，確定的采空區(qū)治理寬度范圍如圖1所示。

圖1 采空區(qū)治理寬度示意

式中 L——采空區(qū)治理寬度/m;

D——路基地面寬度/m;

B——路基圍護(hù)帶寬度/m，二級(jí)鐵路取15 m;h——第四系厚度/m;

H上、H下——采空區(qū)上覆基巖厚度/m;

θ——第四系松散層移動(dòng)角/(°);β、γ——下山、上山方向基巖移動(dòng)角(°)，該參數(shù)

根據(jù)礦山企業(yè)提供的地質(zhì)報(bào)告確定。

若采空區(qū)埋藏較深，根據(jù)以上公式計(jì)算出的治理寬度值往往較大，如本案例鐵路采空區(qū)最深處有五層采空區(qū)揭示，深度195 m，計(jì)算出的單側(cè)水平治理寬度達(dá)130 m，使得大型采空區(qū)的治理費(fèi)用較高。根據(jù)既有鐵路采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，由于受場(chǎng)地、投資、工期影響，既有鐵路多只治理至路基本體及圍護(hù)帶寬度范圍，且治理后一般能夠保持路基穩(wěn)定及行車安全。關(guān)于路基采空區(qū)治理寬度的確定，有專家學(xué)者也進(jìn)行了深入研究，如適當(dāng)減小移動(dòng)角等方法，在今后的新建鐵路采空區(qū)治理工作中可不斷展開研究與探討。

2.2 治理深度

采空區(qū)治理深度一般要求注漿鉆孔鉆至底層采空區(qū)底板下3.0 m處。該鐵路采空區(qū)治理范圍由于采空區(qū)層數(shù)多，采深厚，如果五層全部處理，投資較大。設(shè)計(jì)及科研過程中，利用先導(dǎo)孔提取大量巖芯采集數(shù)據(jù)，根據(jù)采空區(qū)深度分層統(tǒng)計(jì)，結(jié)合基巖破碎程度、采空區(qū)三帶劃分，對(duì)試驗(yàn)室取得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)折減，采用極限平衡分析法及FLAC3D數(shù)值模擬(圖2)計(jì)算，繪制出沉降量隨開挖深度變化曲線(圖3)。

從采空區(qū)移分布曲線可知，采空區(qū)地表沉降量為80.3 m，各煤層注漿完后，地表沉降量逐漸減少，當(dāng)17號(hào)煤層注漿完后其沉降與未開采時(shí)的沉降基本相等。在13號(hào)煤層注漿完后，曲線趨于平緩，地表沉降基本為一常數(shù)，而且地表剩余沉降量為19.3 cm，遠(yuǎn)低于采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，屬于穩(wěn)定區(qū)域。同時(shí)采空區(qū)在9號(hào)、11號(hào)、13號(hào)煤注漿完成后開采區(qū)邊緣巖土體附

圖2 試驗(yàn)段采空區(qū)FLAC3D模型

圖3 試驗(yàn)段Z方向變形曲線

近塑性破壞區(qū)范圍顯著縮小，各個(gè)煤層頂板穩(wěn)定性較好，無塑性破壞區(qū)。綜合上述分析計(jì)算，可以不考慮15號(hào)煤、17號(hào)煤注漿。

3 注漿參數(shù)

鐵路采空區(qū)采用鉆孔注漿法進(jìn)行加固治理。施工中影響治理效果的注漿參數(shù)很多，其中主要為:鉆孔間距、注漿壓力、漿液配比等。

3.1 鉆孔間距

既有線注漿工程為了保證行車安全及局部區(qū)域的注漿充填效果，注漿壓力一般較小，注漿孔間距一般取3～6 m。新建鐵路一般遠(yuǎn)離既有線，可在保證地面附著物穩(wěn)定與安全的前提下，適當(dāng)提高注漿壓力，從而加大注漿孔間距，節(jié)約投資。該采空區(qū)治理工程鉆孔間距布置為:路基范圍內(nèi)15 m，路基坡腳外至采空區(qū)處理邊界為20 m，每層采空區(qū)最外面一排為帷幕孔，孔間距10 m。

3.2 注漿壓力

注漿壓力與鉆孔間距有直接關(guān)系，在地層結(jié)構(gòu)沒有被完全破壞以前，單孔的注漿壓力與注漿量曲線一般接近直線。利用這一特點(diǎn)可以在保證充填密實(shí)的情況下適當(dāng)加大注漿壓力，經(jīng)過試驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用終注壓力為:淺層采空區(qū)注水泥粉煤灰漿壓力0.6～0.8 MPa，深層采空區(qū)注水泥粉煤灰漿壓力0.8～1.0 MPa，帷幕孔注水泥砂漿，壓力最高可達(dá)1.5 MPa。

3.3 漿液配比

采空區(qū)治理一般選用水泥粉煤灰漿作為注漿材料，土源有條件地區(qū)還可使用水泥黏土漿以降低造價(jià)。該鐵路采空區(qū)治理工程采用水泥粉煤灰漿作為主要注漿材料，由于帷幕孔先期施工，且位于采空區(qū)下山方向，施工中注漿量較大，后來改用水泥砂漿加碎石的方法，取得良好效果。

本工程只處理淺層1～3層采空區(qū)，F(xiàn)LAC3D建模分析時(shí)采用水泥粉煤灰漿結(jié)石體強(qiáng)度不小于1.5MPa計(jì)算，通過試驗(yàn)并綜合考慮漿材凝固時(shí)間、材料可灌性，以及工程成本等因素，確定水泥粉煤灰漿固顆比一般采用2∶8，水灰比0.7∶1、水玻璃摻入量3%。粉煤灰采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的二級(jí)粉煤灰(如表1所示)。

表1 二級(jí)粉煤灰配合比試驗(yàn)成果

4 檢測(cè)技術(shù)

采空區(qū)注漿加固效果的檢測(cè)及評(píng)價(jià)一般采用物探結(jié)合施鉆檢查孔的方式完成。本工程采用了電法、淺層地震反射波法、地震波CT等多種物探檢測(cè)手段對(duì)采空區(qū)注漿前后進(jìn)行了對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn)。電法因造價(jià)相對(duì)較低、技術(shù)成熟、受場(chǎng)地干擾小等優(yōu)點(diǎn)，可作為本場(chǎng)區(qū)工點(diǎn)的物探檢測(cè)主要方法，注漿前后電性變化基本反映了注漿作用范圍和基本加固效果。地震波CT檢測(cè)效果最直觀，也最準(zhǔn)確，但其成本過高，且檢測(cè)工期慢，僅推薦在重點(diǎn)區(qū)域或質(zhì)量存疑地段使用。因場(chǎng)區(qū)行車、鉆探影響，淺層地震反射波法直接檢測(cè)注漿前后效果不佳。綜上，建議與本場(chǎng)地相類似條件的工點(diǎn)可采用電法作為主要物探檢測(cè)手段，在工程特別重要部位采用地震波CT檢測(cè)，孔間距一般不大于25 m。

第三試驗(yàn)段注漿前后視電阻率變化如圖4所示。

圖4 第三試驗(yàn)段注漿前后視電阻率變化

5 結(jié)束語

采空區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)如治理寬度、治理深度的確定等，目前各行業(yè)內(nèi)均無較權(quán)威的規(guī)范可依據(jù)，計(jì)算多采用經(jīng)驗(yàn)公式法，但計(jì)算出的結(jié)果缺乏針對(duì)性，往往偏保守，使得治理費(fèi)用較高。引入FLAC3D數(shù)值模擬分析，計(jì)算采空區(qū)沉降量隨深度變化的規(guī)律，在滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于沉降量要求的前提下，可減少治理深度，大大降低治理成本，對(duì)豐富采空區(qū)治理技術(shù)提供了借鑒。注漿材料應(yīng)盡量摻加當(dāng)?shù)貎r(jià)格低廉的粉煤灰或黏土，以降低工程造價(jià)，因粉煤灰價(jià)格受季節(jié)影響波動(dòng)范圍較大，建議注漿工作盡量避開施工黃金季節(jié)。

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