成自瀘高速公路橋梁下伏采空區(qū)治理措施研究

郭倫波

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031）

四川成自瀘高速公路途徑省內(nèi)威遠(yuǎn)縣，該地煤炭資源豐富，煤層開(kāi)采歷史久遠(yuǎn)，小煤窯眾多，采空區(qū)范圍分布較復(fù)雜。根據(jù)地勘資料顯示，境內(nèi)蔣家灣大橋通過(guò)地層為三疊系上統(tǒng)須家河組第一段（T3xj1）上、中、下元炭采空區(qū)，以下元炭為標(biāo)志，開(kāi)采煤層高程為＋527～537m。中元炭距下元炭4m左右，上元炭距中元炭5m左右。采高一般在0.7m左右，埋深0～25m。

蔣家灣大橋橋梁全寬24.5m，左右幅分修。上部結(jié)構(gòu)采用7～25m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩、肋板式橋臺(tái)及樁基礎(chǔ)。

為了防止采空區(qū)地層的垂直移動(dòng)變形及水平移動(dòng)變形對(duì)橋梁基礎(chǔ)的影響，須對(duì)橋梁下伏采空區(qū)進(jìn)行治理。

1 采空區(qū)治理方法

采空區(qū)的處治技術(shù)首先要安全可靠，同時(shí)也要注意施工設(shè)備與施工技術(shù)的復(fù)雜程度及技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的合理性。深采空區(qū)與淺采空區(qū)的治理方法往往不同。

淺層采空區(qū)可采用開(kāi)挖回填及強(qiáng)夯法。首先將采空區(qū)全部挖除，徹底清除采空洞對(duì)橋梁基礎(chǔ)的影響，采用高密度的砂石土或碎石土進(jìn)行換填，同時(shí)輔以強(qiáng)夯處理，加速土體的橫豎向穩(wěn)定。該方法施工工藝簡(jiǎn)單、周期短、造價(jià)低，但其缺點(diǎn)是開(kāi)挖量太大，并且僅適用于淺層采空區(qū)路段。

深層采空區(qū)一般采用對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行全部充填或在地下采空區(qū)內(nèi)灌注支撐的方法，減少采空區(qū)上部巖土層因高速公路修建及運(yùn)營(yíng)而產(chǎn)生的沉降。根據(jù)其加固原理的不同，又可分為支撐式加固法和充填式加固法。

（1）支撐式加固法。其原理與煤柱支撐式開(kāi)采相同。采用支撐式加固法的前提是頂板堅(jiān)硬，完整程度高，厚度較大。符合這些條件，且具備洞內(nèi)人工施工條件的地下空洞，可用柱墩式支撐構(gòu)件支撐空洞頂板；在不具備洞內(nèi)人工施工條件的地下空洞，可通過(guò)鉆孔將混凝土用泵送入洞內(nèi)，在采空區(qū)頂?shù)装逯g形成柱墩式支撐。

（2）充填式加固法。其原理是用外來(lái)材料充填采空區(qū)，承擔(dān)起原來(lái)煤層作為受壓層的功能。在洞內(nèi)具備人工施工條件時(shí)，可采用干砌或漿砌片石充填，否則，可以通過(guò)鉆孔壓入水泥漿、水泥砂漿、水泥粉煤灰漿、水泥粘性土漿以及其他材料的拌和漿，充填采空區(qū)。在洞內(nèi)施工用干砌片石充填，工程造價(jià)較低，應(yīng)優(yōu)先采用。但對(duì)于老采區(qū)，尤其富水地區(qū)，一般不具備洞內(nèi)施工條件，只能利用鉆孔對(duì)采空區(qū)進(jìn)行灌注，所以國(guó)內(nèi)對(duì)老采空區(qū)處治用干砌或漿砌片石充填的較少，用注漿充填的居多。該治理方案已在江蘇徐州、陜西、河南等地取得了成功的工程實(shí)例，但最大的注漿深度小于300m。在205國(guó)道萊蕪至新泰高速公路萊蕪連接線煤礦采空區(qū)治理方案設(shè)計(jì)中，其煤層埋深在300～600m，也采用了注漿方案。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)不穩(wěn)定的老采空區(qū)加固一般采取灌漿法。如美國(guó)賓夕法尼亞西部城市有幾座建筑物下采空區(qū)就是采用了灌漿充填法及灌漿支撐法控制建筑物沉降。美國(guó)懷俄明州煤炭?jī)?chǔ)量豐富，采礦歷史悠久，為控制采空區(qū)大面積地表沉降，使用了灌漿法進(jìn)行處治，效果良好。前蘇聯(lián)地質(zhì)注漿專業(yè)公司也用灌漿技術(shù)成功地處理了一些礦井大樓下伏采空區(qū)。目前國(guó)內(nèi)部分有關(guān)采空區(qū)治理情況見(jiàn)表1［1］。

表1 下伏采空區(qū)治理情況一覽表

2 蔣家灣大橋下伏采空區(qū)治理措施

選擇治理方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)上述條件，結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。蔣家灣大橋段為上、中、下元炭煤層采空區(qū)，煤層頂板及覆巖為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖地層，煤層傾角較小，開(kāi)采方法為巷柱式采煤法。各煤層采高在0.7m左右。為20世紀(jì)60～90年代開(kāi)采的老窯范圍，停產(chǎn)至少10年以上，據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，絕大部分急劇變形已完成，但部分采空區(qū)仍存在凈空。

根據(jù)上述情況，很明顯開(kāi)挖夯實(shí)方法不適用，經(jīng)過(guò)綜合考慮，擬對(duì)本橋下伏采空區(qū)進(jìn)行注漿處理。

2.1 治理范圍的確定

采空區(qū)治理范圍應(yīng)包括治理的路幅寬度（垂直公路中線方向）加圍護(hù)帶寬度20m（保護(hù)等級(jí)為I級(jí)），再加按覆巖移動(dòng)角（取60°）影響范圍和治理的橋梁長(zhǎng)度按橋梁長(zhǎng)度加20m圍護(hù)帶，再加覆巖移動(dòng)角（取60°）影響范圍進(jìn)行計(jì)算。參照國(guó)家煤炭工業(yè)局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（煤行管字［2000］第81號(hào)）進(jìn)行計(jì)算后確定［2］。

采空區(qū)的治理深度為鉆孔鉆至煤層底板以下3m處。

2.2 注漿材料

（1）注漿材料及其技術(shù)指標(biāo)。水，應(yīng)符合拌制混凝土用水要求，pH值大于4；水泥，水泥標(biāo)號(hào)不應(yīng)低于425號(hào)，應(yīng)優(yōu)先選用礦渣水泥。

（2）外加劑技術(shù)指標(biāo)要求。水玻璃，模數(shù)宜為2.4～2.8，濃度宜為30～45波美度。在注漿前應(yīng)做水泥水玻璃漿液的凝結(jié)配比試驗(yàn)。

2.3 注漿設(shè)備及機(jī)具

（1）鉆機(jī)。鉆機(jī)應(yīng)根據(jù)采空區(qū)的巖層結(jié)構(gòu)、巖性、注漿孔或帷幕孔的結(jié)構(gòu)、止?jié){技術(shù)等要求進(jìn)行選擇。

（2）攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速和制漿能力應(yīng)與工程量、漿液類型和注漿泵的性能相適應(yīng)。

（3）每個(gè)注漿站的注漿泵不應(yīng)少于2臺(tái)，其最大排漿量應(yīng)滿足采空區(qū)注漿和施工進(jìn)度的需要；其最大泵壓宜不小于4MPa。

（4）注漿管路及其連接部位，必須能承受最大注漿壓力的1.5～2倍。

（5）注漿泵、注漿孔（或帷幕孔）孔口處必須安裝壓力表。

（6）水泵宜選用潛水泵。

2.4 注漿鉆孔

（1）鉆孔布置。注漿孔（或帷幕孔）的孔距應(yīng)根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑來(lái)確定。本橋惟幕按10m間距，注漿孔按15m間距進(jìn)行設(shè)計(jì)。①帷幕孔。帷幕孔為采空區(qū)四周最外的一圈孔，在注漿時(shí)應(yīng)加水玻璃，水泥與水玻璃用量的體積比一般為1∶（0.6～1），使其漿液快速凝固形成惟幕，在注漿孔注漿時(shí)，漿液不致流走；②注漿孔。除去帷幕孔后的其他注漿孔。其他注漿孔所注漿液不加入速凝劑。

（2）鉆孔結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求。①孔深。注漿孔或帷幕孔應(yīng)鉆至采空區(qū)（或煤層）底板以下3m處；②孔徑。鉆孔開(kāi)孔孔徑為150mm，經(jīng)1次或2次變徑后，終孔孔徑不應(yīng)小于90mm；③變徑位置。注漿孔和帷幕孔均應(yīng)鉆至中風(fēng)化巖層3m以下后變徑；④取心孔。取心孔的數(shù)量應(yīng)為注漿孔和帷幕孔總數(shù)的3%～5%，采空區(qū)部位巖心采取率不應(yīng)小于30%；⑤注漿管徑。應(yīng)選用直徑不小于50或127mm的鋼管。

（3）注漿。建議采用間歇式注漿法。本橋治理多層采空區(qū)，宜采用自上而下（簡(jiǎn)稱下行式）的分段注漿法。

（4）注漿及其相關(guān)參數(shù)。①漿液配比。漿液的濃度使用應(yīng)由稀到濃，逐級(jí)采用5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.7∶1，0.6∶1等7個(gè)濃度比級(jí)，可選用其中3個(gè)或4個(gè)濃度比級(jí)；②注漿壓力。孔口壓力在2～3MPa，穩(wěn)定10～15min；③結(jié)束吸漿量。當(dāng)泵量小于30L／min時(shí)，可結(jié)束該鉆孔的注漿施工；④漿液結(jié)石體強(qiáng)度。對(duì)于高速公路、橋梁、涵洞等構(gòu)造物，漿液結(jié)石體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于0.3MPa；⑤注漿量。注漿總量可按下式計(jì)算

式中：Q總為采空區(qū)總注漿量，m3；A為采空區(qū)治理面積，其值為采空區(qū)治理長(zhǎng)度與采空區(qū)治理寬度的乘積，m2；S為采空區(qū)煤層厚度，m，取0.7；m為注漿總量漿液損耗系數(shù)，取值在1.0～1.5之間，取1.3；η為注漿充填系數(shù)，取值在0.75～0.95之間，該值宜根據(jù)公路工程的性質(zhì)確定，對(duì)于路基范圍內(nèi)的采空區(qū)取值在0.75～0.85之間，取0.80；C為漿液結(jié)石率，取值在0.7～0.95之間，取0.9。

硬炭采空區(qū)面積：3 457m2。

注漿量：1.3×3457×0.7×0.80／0.9＝2 796m3。

中元炭采空區(qū)面積：4 486m2。

注漿量：1.3×4 486×0.7×0.80／0.9＝3 628m3。

下元炭采空區(qū)面積：9 686m2。

注漿量：1.3×9 686×0.7×0.80／0.9＝7 834m3。

全橋總注漿量：14 258m3。

單孔注漿量可按下式計(jì)算

式中：Q單為采空區(qū)單孔注漿量，m3；A為單孔注漿量漿液損耗系數(shù)，取值在1.2～2.0之間；R為漿液有效擴(kuò)散半徑，按孔距的一半計(jì)算，m；其他符號(hào)意義同上式。

3 注漿效果的檢查

公路行業(yè)的礦床采空區(qū)注漿治理工程屬隱蔽工程，對(duì)它的質(zhì)量控制一直是個(gè)難題。目前用于工程質(zhì)量檢驗(yàn)的技術(shù)和方法主要有物探、鉆探取心及室內(nèi)試驗(yàn)、鉆孔壓水試驗(yàn)、地表變形觀測(cè)等。

3.1 物探

物探檢測(cè)技術(shù)是采空區(qū)治理工程施工完成后對(duì)工程質(zhì)量檢驗(yàn)的重要方法。常用的方法有孔內(nèi)波速測(cè)井法、瑞雷波法、瞬變電磁法、高密度電法等。

3.2 鉆探取心與室內(nèi)試驗(yàn)

鉆探取心是采空區(qū)治理工程質(zhì)量檢測(cè)工作中的主要技術(shù)和方法［3］，并能為孔內(nèi)物探檢測(cè)和壓水試驗(yàn)提供工作平臺(tái)。

鉆孔檢測(cè)還應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，以注漿前后單位時(shí)間內(nèi)單位長(zhǎng)度消耗的水量評(píng)價(jià)漿液對(duì)巖石裂隙的充填膠結(jié)程度。當(dāng)水的消耗量超過(guò)單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的吸漿量時(shí)，必須進(jìn)行補(bǔ)充注漿，確保工程質(zhì)量。

3.3 檢測(cè)結(jié)論

（1）對(duì)檢查孔中取出的漿液結(jié)石體巖心進(jìn)行彈性波測(cè)試，波速大于160m／s時(shí)為合格。

（2）檢查孔取心進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，大于0.2 MPa為合格。凡檢查不合格者均應(yīng)重新補(bǔ)孔注漿。

（3）蔣家灣大橋采空區(qū)處理注漿效果經(jīng)檢驗(yàn)，大部分是合格的，其處理效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）公路下伏采空區(qū)處理屬隱蔽工程，由于其施工控制較難、隨機(jī)性太大，實(shí)際效果不一定能夠完全達(dá)到預(yù)期，并且其治理措施費(fèi)用很高，所以一般情況下，高速公路盡量選擇調(diào)線繞避采空區(qū)方案，無(wú)條件繞避時(shí)，應(yīng)采取有效措施對(duì)其下伏采空區(qū)進(jìn)行處理。

（2）公路下伏采空區(qū)處理方式多樣，應(yīng)綜合考慮場(chǎng)地情況、施工方法、工程造價(jià)等選擇合理的處理措施。蔣家灣大橋采用鉆孔注漿法加固，據(jù)該橋現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)情況表明，該加固處理方法效果較好，樁基未出現(xiàn)任何沉降現(xiàn)象。

（3）采空區(qū)地段的橋梁設(shè)計(jì)，應(yīng)特別重視采空區(qū)地基注漿加固，加強(qiáng)注漿過(guò)程中探灌結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)注漿質(zhì)量的檢測(cè)，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

［1］郭文兵，柴華彬.煤礦開(kāi)采損害與保護(hù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

［2］耿玉玲，賈學(xué)民.高等級(jí)公路下伏采空區(qū)治理優(yōu)化和治理效果評(píng)價(jià)研究［M］.北京：地震出版社，2007.

［3］渾鐵鏈，張蓮娜.采空區(qū)鐵路橋梁地基加固及強(qiáng)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009（19）：19－21.