隧道采空區(qū)的施工處理技術(shù)

盛明

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

1 采空區(qū)概況

新建鐵路準(zhǔn)格爾至東勝線虎石至準(zhǔn)格爾召段公溝隧道洞身經(jīng)過(guò)內(nèi)蒙古滿世忽吉圖村煤礦與敖家溝煤礦的分界線處，隧道進(jìn)口及進(jìn)口端路塹大部分已經(jīng)采空，開(kāi)采的主要為3#煤，采空頂?shù)装鍢?biāo)高1316－1321m，采空區(qū)高度2.5－4m，開(kāi)采方法為房柱式開(kāi)采，留有不規(guī)則煤柱，據(jù)其特征將其歸為現(xiàn)代小煤窯采空區(qū)，其中DⅡK45+422～DⅡK45+500段地面嚴(yán)重塌陷，巖體破碎，裂縫發(fā)育，塌陷間距一般3～5m，塌陷及裂縫走向主導(dǎo)方向?yàn)镹40度。

2 采空區(qū)處理方案

該段采空區(qū)鉆孔預(yù)注漿加固采取地面鉆孔注漿相的方式，布置七排鉆孔，最外緣兩排為地面帷幕注漿孔，中間五排為地面填充注漿孔。

地面帷幕注漿孔偏離隧道中線15m，縱向間距為4m，為豎直鉆孔。填充注漿孔以隧道中線為軸按梅花型對(duì)稱布置，縱向間距均為4m，填充注漿鉆孔均改為直孔。

該方案降低了施工難度，易于作業(yè)，避免了因隧道與采空區(qū)交叉施工造成的人員、機(jī)械設(shè)備的浪費(fèi)，大大降低了成本;使注漿質(zhì)量更好的得到保證，本隧道進(jìn)口在進(jìn)洞前要進(jìn)行深路塹的開(kāi)挖成型才能進(jìn)洞，該方案使采空處理可以在路塹開(kāi)挖和隧道進(jìn)場(chǎng)前完成，使隧道開(kāi)挖的安全系數(shù)得到了很大提高，總工程進(jìn)度提前。

3 鉆孔的施工

地面帷幕注漿孔20個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺1451.57m;填充注漿孔90個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺3648.12m;檢查孔累計(jì)進(jìn)尺461.46m;合計(jì)總進(jìn)尺為5561.24m。

成孔工藝根據(jù)本采空區(qū)的特點(diǎn)，鉆探施工情況為:

(1)地面帷幕注漿孔和填充注漿孔成孔。采用地質(zhì)鉆機(jī)－300型，配Φ130mm合金鉆頭(不取心鉆頭)開(kāi)孔，鉆至完整基巖4.5m后，下入Φ121mm×6mm熱軋無(wú)縫鋼管(孔口管)，換Φ108mm合金鉆頭(不取心鉆頭)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

(2)檢查孔成孔。地面帷幕注漿孔擬采用地質(zhì)鉆機(jī)－300型，配φ91mm合金取心鉆頭或復(fù)合片取心鉆頭開(kāi)孔，取心鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深;填充注漿孔擬選用MK—5s型全液壓鉆機(jī)，配φ91mm合金取心鉆頭或復(fù)合片取心鉆頭開(kāi)孔，在隧道內(nèi)取心鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

4 注漿施工

4.1 注漿材料的配制

4.1.1 帷幕注漿原設(shè)計(jì)采用壓注配合比為1:0.6－0.8 (水:粘土)，干料中水泥摻量為20%;填充注漿采用壓注配合比為1:0.4－0.6(水固比)砂漿強(qiáng)度宜為M7.5，注漿過(guò)程發(fā)現(xiàn)空洞時(shí)，及時(shí)填灌細(xì)碎石和粗砂，邊填邊注漿，壓漿過(guò)程發(fā)現(xiàn)注漿量很大，加水玻璃和氯化鈣速凝劑，摻加量通過(guò)試驗(yàn)確定。

4.1.2 壓注前應(yīng)我們先通過(guò)模擬試驗(yàn)，對(duì)配比進(jìn)行合理的調(diào)整，將壓注配合比為0.8:0.4:0.5(水:水泥:粘土)，這樣確保了灌注質(zhì)量。28天結(jié)石強(qiáng)度應(yīng)≥440kpa。注漿過(guò)程發(fā)現(xiàn)空洞時(shí)，填灌細(xì)碎石和粗砂，邊填邊注漿，壓注漿液應(yīng)加3%速凝劑，試驗(yàn)是用架子管搭起架子到一定高度，下方用與鉆孔孔徑相同的鋼管，地面做一個(gè)與采空巷道類似的木箱，按設(shè)計(jì)配比注入漿液看其最終塌落、密實(shí)度和流動(dòng)性，丈量其形成的回填體，計(jì)算鉆孔間距和巷道大小，看其是否能填充完全，兩個(gè)鉆孔是否純?cè)陂g隙，理論見(jiàn)(3)。下位模擬圖:

4.2 注漿參數(shù)

4.2.1 注漿壓力

注漿壓力提供漿液在巖體裂隙擴(kuò)散、流動(dòng)、滲透、擠壓、劈裂等作用所需要的能量。實(shí)踐表明，注漿壓力愈大，漿液擴(kuò)散范圍愈大，結(jié)石體強(qiáng)度愈高，固結(jié)的巖體強(qiáng)度提高幅度愈大，注漿加固破碎巖體的效果愈好。但對(duì)于局部注漿加固的工程，過(guò)大的壓力可能導(dǎo)致漿液擴(kuò)散很遠(yuǎn)，造成漿液的大量浪費(fèi)。注漿壓力的選取沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，工程中一般根據(jù)工程性質(zhì)憑經(jīng)驗(yàn)選取注漿壓力。影響注漿壓力選取的主要因素有地層深度、靜水壓力、巖體結(jié)構(gòu)特性、裂隙和結(jié)構(gòu)面大小、注漿材料及其性能、注漿方法和注漿工藝等。對(duì)于采動(dòng)斷裂帶注漿加固，在注漿初期一般為孔口無(wú)壓力注漿;在后期可施加一定的孔口壓力以保證有效裂隙的充分充填、滲透，施加的孔口壓力p

可按下式計(jì)算:

45p=0.02H(MPa)(4—3)

式中H為注漿段到地表的深度，m。

4.2.2 漿液擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑是本論文研究的重點(diǎn)。漿液擴(kuò)散半徑影響注漿加固范圍內(nèi)巖體的密實(shí)性，在給定注漿孔間距條件下，漿液擴(kuò)散半徑越大，各注漿孔漿液擴(kuò)散圈重疊范圍越大，則巖體裂隙的充填密實(shí)度越好，注漿效果越好。擴(kuò)散半徑影響注漿孔布置和鉆孔工程量，擴(kuò)散半徑大，注漿孔間距可增大，從而節(jié)省鉆孔工程量及其工程費(fèi)用;但注漿孔間距過(guò)大有時(shí)可能難以保證注漿質(zhì)量，漿液擴(kuò)散半徑受巖體結(jié)構(gòu)特性、裂隙方向、漿液粘度、注漿壓力、注漿量、注漿孔直徑、巖體非均勻性和各向異性等因素的影響。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，影響漿液擴(kuò)散半徑最大的因素是注漿壓力，其次是地層特征，漿液的性能對(duì)擴(kuò)散半徑影響相對(duì)較小。

4.2.3 注漿量

為了獲得良好的注漿加固效果，必須注入足夠的漿液量，確保漿液的有效擴(kuò)散半徑。

4.3 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1)在每個(gè)注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當(dāng)孔口壓力在0.5～1.0PMa，注漿泵吸漿量小于70L/min穩(wěn)定繼續(xù)注漿10～15分鐘的情況下，方可結(jié)束單孔注漿。

(2)當(dāng)注入一定漿量，孔口壓力＜0.3MPa，若出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿時(shí)，即可結(jié)束該孔的注漿施工。

(3)對(duì)于單孔注漿量按該孔鉆探資料預(yù)計(jì)注漿量小很多或注漿過(guò)程中突然起壓的鉆孔，應(yīng)進(jìn)行待機(jī)掃孔反復(fù)注漿的方式進(jìn)行注漿，一直達(dá)到預(yù)計(jì)注漿量和單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后方可終止該孔注漿。

4.4 注漿技術(shù)要求

(1)每個(gè)孔在注漿前根據(jù)鉆孔揭示的資料分析該孔可能遇到的注漿情況，如果是遇到煤柱，則適宜采用稀漿灌注，掉鉆時(shí)則應(yīng)準(zhǔn)備好骨料(砂)，在注漿中若注漿量較大時(shí)應(yīng)提高漿液濃度同時(shí)適當(dāng)加入速凝劑并做好投放骨料(砂)的準(zhǔn)備，或者采用間歇式注漿的方式進(jìn)行注漿。

(2)對(duì)于一次連續(xù)注漿量超過(guò)1500m3的鉆孔，宜采用間歇式注漿法進(jìn)行注漿，間歇時(shí)間不小于8小時(shí)。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每孔注漿采用先稀后稠的漿液配比方法，注漿開(kāi)始后，要定時(shí)觀測(cè)泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過(guò)程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度

(4)注漿過(guò)程中若出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿時(shí)，應(yīng)采用間歇式注漿，或減小泵量及采取地表充填裂隙的措施，阻止?jié){液從地面大量流失。

(5)同一排上的注漿孔采用間隔跳躍或分三個(gè)次序注漿。同一次序的孔可以同時(shí)施工，不同次序的孔應(yīng)按照規(guī)定的次序進(jìn)行。

(6)注漿工作結(jié)束后，拆除孔口套管及止?jié){裝置，用注漿的漿液將孔內(nèi)的殘漿全部置換或新鮮漿液，直至孔口地面進(jìn)行封孔。

(7)做好注漿全部技術(shù)資料和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的記錄，包括漿孔深度、注漿壓力、每段注漿導(dǎo)管的孔內(nèi)長(zhǎng)度及每段的注入漿量、終止壓力、各段注漿或輔助工作起、止時(shí)間、漿液配比、單孔注漿量、間歇式重復(fù)注漿次數(shù)、終止注漿壓力、泵量等，確保漿液質(zhì)量和單孔注漿量的準(zhǔn)確性。

(8)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行注漿間歇，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖、達(dá)到預(yù)期的注漿效果。

5 質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查分三期進(jìn)行。

I期:全部漿液結(jié)石體28天后，鉆質(zhì)量檢查孔取巖芯，評(píng)價(jià)空洞的填充是否達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的填充率不得小于75%，填充物28天的結(jié)石抗壓強(qiáng)度≥0.44MPa，結(jié)實(shí)率 ＞90%。經(jīng)檢查注漿質(zhì)量需達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

Ⅱ期:采用注水試驗(yàn)，檢查空洞填充率是否達(dá)到要求，經(jīng)檢查需達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

Ⅲ期:主要進(jìn)行沉降觀測(cè)，在隧道內(nèi)布置沉降觀測(cè)樁，對(duì)運(yùn)營(yíng)前后進(jìn)行觀測(cè)，運(yùn)營(yíng)一年后的總沉降量為5mm，小于設(shè)計(jì)要求的10mm，符合要求。

6 總結(jié)

在此次隧道采空區(qū)施工中，進(jìn)場(chǎng)前進(jìn)行了施工方案的詳細(xì)論證，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，考慮到施工難度、工程質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)、工程經(jīng)濟(jì)、工程進(jìn)度等多方面因素，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過(guò)施工證實(shí)該方案經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠，具有一定的推廣價(jià)值。

［1］李銳.東都至平邑鐵路下伏大型采空區(qū)處理整治技術(shù).城市建設(shè)理論研究，2012(4)

［2］崔玖江，郭建國(guó).鐵山隧道采空區(qū)處理.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(S1)

［3］張高青.大運(yùn)公路介休至霍州段靈石隧道采空區(qū)處理技術(shù)研究.長(zhǎng)安大學(xué)，2011(5)