高速公路下伏采空區(qū)工程注漿治理研究

鮑生才

（華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067000）

·隧道與建設(shè)工程·

高速公路下伏采空區(qū)工程注漿治理研究

鮑生才*

（華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067000）

由于高速公路建設(shè)的不斷增多，新建高速公路穿越礦區(qū)采空區(qū)是不可避免的，采空區(qū)對(duì)公路建設(shè)的不良地質(zhì)問題引起了各方的重視。為保障經(jīng)過老采空區(qū)上方高速公路的安全和正常使用，減少地表的移動(dòng)和變形帶來的經(jīng)濟(jì)損失，地下采空區(qū)的治理和處理方法就顯得非常重要。以某高速公路下伏采空區(qū)工程為背景，基于物探手段探明采空區(qū)分布范圍及高度，通過有限元軟件對(duì)采空區(qū)注漿處置進(jìn)行模擬分析，對(duì)采空區(qū)的治理提出了一些自己的看法。

采空區(qū)；注漿；高速公路；治理

1 工程地質(zhì)條件及開采概況

該煤礦布置有一對(duì)主副斜井在5#煤層露頭附近向西北沿煤層的傾斜方向開采。開采區(qū)域地表標(biāo)高為59～67m，地下開采5#煤層厚度變化在1.0～12.0m之間，大部分區(qū)域?yàn)?～7m。煤層向西北傾斜，傾角為24°，局部傾角變化在20°～27°之間。5#煤層以下的其余二層煤分別為十層、十二層、十四層煤，均未開采（詳見圖1）。

圖1 鉆孔布置圖

2 巖層及巖性分析

通過對(duì)鉆孔各巖層土樣進(jìn)行試驗(yàn)得出的參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)表

3 地球物探技術(shù)（圖2）

圖2 16#孔波速—孔深曲線

探測(cè)結(jié)論：

（1）高速公路中軸線南北兩側(cè)50m范圍內(nèi)，探測(cè)區(qū)的K3+580～K3+830區(qū)段，深度75～90m區(qū)間采空區(qū)廣泛分布。

（2）各采空變形區(qū)地球物理異常特征明顯。

（3）由于采空區(qū)處于充填和半充填狀態(tài)，其自身的異常特征并不明顯。根據(jù)采空區(qū)和垮落帶的相對(duì)尺度對(duì)應(yīng)關(guān)系，可推斷采空區(qū)的空間高度在3～8m之間。

4 采空區(qū)治理范圍

根據(jù)物探結(jié)果，取治理長度范圍為K3+510～K4+ 000。公路地基地面寬度50m，路基保護(hù)帶一側(cè)寬度10m，松散層厚度15m，采空區(qū)上覆基巖厚度65m，松散層移動(dòng)角40°，走向方向采空區(qū)上覆基巖移動(dòng)角57°，治理寬度根據(jù)公式(1)計(jì)算得出治理寬度190.1m，綜合考慮后，取210m。鉆孔布置成梅花形，間排距15m×20m，平均孔深80m，鉆入采空區(qū)底板以下3m。

式中：L——垂直于公路中線的水平寬度，m；

D——公路地基的地面寬度，m；

B——公路路基保護(hù)帶一側(cè)的寬度(一般為10m)；

h——松散層厚度，m；

H——采空區(qū)上覆基巖厚度，m；

φ——松散層移動(dòng)角，(°)；

δ——走向方向采空區(qū)上覆基巖移動(dòng)角。

注漿總量計(jì)算公式為：

式中：Q總——采空區(qū)總注漿量，m3；

A——注漿總量漿液損耗系數(shù)，取值在1.0～1.5之間，這里取1.3；

S——為采空區(qū)治理面積，m2，這里取19000m2；

m——采空區(qū)煤層厚度，m，這里取4m；

K——煤層回采率，這里取0.8，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料更換；

ΔV——采空區(qū)殘余空隙率，這里估計(jì)取0.5，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料更換；

η——注漿充填系數(shù)，取值在0.75～0.95之間，這里取0.75；

C——漿液結(jié)石率，取值在0.7～0.95之間，一般經(jīng)驗(yàn)確定，這里取0.8。

整個(gè)系統(tǒng)分為服務(wù)器端、PC端、移動(dòng)端APP三個(gè)部分，考慮到系統(tǒng)最終會(huì)被多個(gè)單位、部門使用，為了做大限度降低用戶訪問門檻，PC端系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，PC端前臺(tái)負(fù)責(zé)與用戶交互，展現(xiàn)成果，后臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互。另外，開發(fā)手機(jī)端APP，實(shí)現(xiàn)貧困專題信息采集，如貧困戶位置、照片采集等，同時(shí)在APP上還展現(xiàn)部分重要成果，比如貧困戶信息查詢、地圖查看等。

計(jì)算得Q總=108927m3。采空區(qū)直接注漿示意圖見圖3。

5 注漿控制方法

5.1 注漿量控制標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于采空區(qū)注漿來說，要求在治理區(qū)域邊緣形成相對(duì)有效的帷幕體，工程中可以采用分序逐漸加密的原則進(jìn)行注漿。當(dāng)單孔吸漿量較大時(shí)，可采用間歇式注漿方式或孔口投砂。如果注漿孔布置合理，那么后序孔耗漿量應(yīng)較前序孔適當(dāng)遞減。采空區(qū)注漿終孔可通過注漿量來控制，在某壓力下，基巖吸漿率在5～20L/min，采空區(qū)吸漿率在20～50L/min，穩(wěn)定時(shí)間在15min以上結(jié)束該段注漿。

圖3 采空區(qū)直接注漿示意圖

5.2 注漿壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

采空區(qū)注漿，由于存在殘留空洞及大裂隙、離層，開始時(shí)不需要壓力（p=0）也能注入大量漿液，但在后序注漿時(shí)，需要有一個(gè)壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，以在該穩(wěn)定壓力下，注漿率不大于某一個(gè)限值，達(dá)到限定的時(shí)間作為終止注漿的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)注漿，在孔口注漿壓力為0.5～2MPa，當(dāng)基巖吸漿率在5～20L/min，采空區(qū)吸漿率20～50L/min，穩(wěn)定時(shí)間在15min以上或周圍有冒漿現(xiàn)象時(shí)可以結(jié)束注漿。對(duì)于分段注漿孔，各段注漿壓力與裂隙、孔洞發(fā)育程度、充填程度及充水情況有關(guān)，由于采空區(qū)的塌落裂隙，上段注漿壓力不能太大，以1MPa以內(nèi)為宜；下段注漿（尤其深層注漿）壓力可以適當(dāng)升高，可達(dá)到2.0MPa以上。

由于地質(zhì)條件復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，往往采用注漿率與注漿壓力相結(jié)合的控制方法。對(duì)于邊緣注漿孔，經(jīng)常出現(xiàn)某鉆孔注漿時(shí)間較長、耗漿量很大、注漿壓力不上升等現(xiàn)象，此時(shí)就應(yīng)該采用定量控制的方法，間歇注漿，直至起壓滿足壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為止。對(duì)于中間注漿孔，為達(dá)到設(shè)計(jì)充填程度，一般采取定壓控制方法。

5.3 注漿排水

為減小地下水在施工時(shí)可能造成的危害，采取如下措施：

（2）利用地下水作為施工用水，邊排水邊施工注漿，抽注結(jié)合；注漿時(shí)，注漿管下伸至距采空區(qū)頂板一定高度處（一般3～5m）左右。

（3）施工時(shí)應(yīng)對(duì)注漿壓力值進(jìn)行嚴(yán)格控制，為避免上覆巖層結(jié)構(gòu)的破壞，采用間歇式注漿法，多次注漿和少量注漿相結(jié)合。

（4）地下水阻力對(duì)邊緣孔注漿流失起到一定阻擋作用，要先施工邊緣孔，再中間孔，施工時(shí)抽排結(jié)合。

（5）在施工過程中要對(duì)注漿壓力的變化情況進(jìn)行嚴(yán)格地監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)壓力值突變或發(fā)現(xiàn)地表出現(xiàn)裂隙、隆起現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停止注漿。

6 注漿后采空區(qū)殘余變形預(yù)測(cè)

6.1 有限元軟件模擬預(yù)測(cè)

建立三維模型進(jìn)行注漿模擬，注漿充填材料為水泥粉煤灰漿，充填體有限元參數(shù)取值為：彈性模量E= 15MPa，泊松比為μ=0.25，內(nèi)摩擦角φ=34.6°，粘聚力C=100kPa，飽和密度D=1700kg/m3。高速公路中心線移動(dòng)曲線見圖4，高速公路中心線變形曲線見圖5。

圖4 高速公路中心線移動(dòng)曲線

圖5 高速公路中心線變形曲線

由對(duì)比知注漿后殘余變形量減沉76.7%，但注漿參數(shù)為根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)選取，減沉效果只能做可行性分析，要想預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確必須經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)提取材料力學(xué)參數(shù)。注漿前后三維模擬采空區(qū)地表殘余最大變形值預(yù)測(cè)見表2。

6.2 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)

首先引入注漿減沉率的概念，所謂注漿減沉率，是指在某一具體地質(zhì)開采條件下，注漿減少的地表最大下沉量與不注漿時(shí)地表最大下沉量之比。

表2 注漿前后三維模擬采空區(qū)地表殘余最大變形值預(yù)測(cè)表

根據(jù)高廷法[1]教授提出的減沉公式為：

式中：r——減沉率；

Φ——減沉體積系數(shù)，中硬巖層一般取1.2～1.4，這里取1.3；

K塌陷——塌陷體積系數(shù)，應(yīng)充分采動(dòng)時(shí)，取0.7～0.8，這里取0.75；

Kv——注采比。

注采比是離層內(nèi)壓實(shí)濕灰體體積與對(duì)應(yīng)井下采出空間體積之比，由于涉及到注漿試驗(yàn)和井下采出空間的體積，這些均無可靠依據(jù)和具體數(shù)值，所以為借鑒其它實(shí)際相關(guān)工程和估算值。本工程分析為老采空區(qū)沉陷，所以井下采出空間體積換為現(xiàn)有空洞體積。當(dāng)漿液在注漿密度1.12t/m3，注漿壓力在1～3MPa時(shí)分別預(yù)測(cè)控制爆破與充填注漿和離層充填注漿后的沉陷變形。注入干灰=注漿量×0.3，壓實(shí)濕灰體=注入干灰× 0.695，以上所取系數(shù)均取自相關(guān)工程開灤集團(tuán)公司已完成的唐山礦3696綜放面、3694綜放面的注漿減沉工程的經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算得出如下結(jié)果：注漿量108927m3，空洞體積64800m3，注入干灰40847.6m3，壓實(shí)濕灰體28389.1m3，Kv=0.438，計(jì)算得r=76%。

由開灤集團(tuán)公司已完成的唐山礦3696綜放面、3694綜放面的注漿減沉工程的經(jīng)驗(yàn)來看，該預(yù)測(cè)方法是相當(dāng)較保守的。

綜合經(jīng)驗(yàn)公式與有限元軟件模擬結(jié)果，取二者平均值，即減沉76.4%。運(yùn)用前述分析結(jié)果得出的最大殘余沉陷為344mm，則注漿后還有344×(1-76.4%)= 81.2（mm）的殘余變形，與三維數(shù)值模擬結(jié)果接近。

7 結(jié)論

（1）依據(jù)《采空區(qū)（空洞）勘查設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)》確定工程治理范圍、布置規(guī)則，以及總注漿量，并給出了注漿控制標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)。

（2）利用三維有限元模擬注漿前后結(jié)果，發(fā)現(xiàn)注漿后殘余變形量減沉76.7%，但注漿參數(shù)為根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)選取，減沉效果只能做可行性分析，若要預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確必須經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)提取材料力學(xué)參數(shù)。

（3）利用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果為減沉76%大于有限元模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果，考慮可靠性，取二者殘余變形減沉平均值76.4%，運(yùn)用前述模擬結(jié)果最大殘余沉陷為344mm，經(jīng)過注漿處理后還會(huì)有81.2mm的殘余變形，這些變形會(huì)由采空區(qū)向地表逐漸衰減，且不會(huì)引起突變?？稍诠仿返痰目棺冃卧O(shè)計(jì)中考慮消除這種影響。

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[3]劉特洪，邵中勇，等.巖土工程技術(shù)與實(shí)例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

P642.2

A

1004-5716(2015)03-0171-04

2014-04-02

2014-04-02

鮑生才（1982-），男（土族），青海民和人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察和地質(zhì)災(zāi)害治理工作。