南水北調(diào)中線工程穿越采空區(qū)技術應用研究

□馮 娜 孫大為

（河南省水利勘測設計研究有限公司）

南水北調(diào)中線工程穿越采空區(qū)技術應用研究

□馮 娜 孫大為

（河南省水利勘測設計研究有限公司）

采空區(qū)是地下礦藏被開采出后留下的地下空洞區(qū)，從采空區(qū)頂板巖層向上形成垮落帶、裂隙帶和彎曲帶“三帶”破壞形式。南水北調(diào)中線工程禹州長葛段穿越禹州4處煤礦采空區(qū)，該段工程采用灌漿地基處理，對灌漿材料、灌漿方式、驗收標準進行了研究，結合結構設計優(yōu)化，全過程安全監(jiān)測等綜合措施，確保工程安全穩(wěn)定運行，對類似采空區(qū)處理和采空區(qū)水利工程建設具有一定的參考價值。

南水北調(diào)；采空區(qū)；灌漿；優(yōu)化設計

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程總干渠禹州長葛段穿越4處禹州煤礦采空區(qū)，累計長度3.11 km，總的采空區(qū)面積達212萬m2，設計流量314 m3/s。穿越采空區(qū)渠道分為全挖方、半挖半填和全填方三類斷面形式，渠底寬為24.50～19.50 m，渠道一、二級邊坡坡比分別為1∶2 和1∶1.50，外坡坡比1:2，渠道縱比降1/26 000。

沿線所分布的采空區(qū)既有20世紀60年代、90年代開采的老采空區(qū)，也有5年內(nèi)新近開采的采空區(qū)，所采的煤層有六2、六4煤，每層采深平均約1m，采空區(qū)地下埋深從90～290m不等。必須對穿越采空區(qū)渠段從基礎處理、結構設計、安全監(jiān)測等進行全面優(yōu)化處理，確保南水北調(diào)總干渠輸水及沿線群眾的生命財產(chǎn)安全。

2 渠道采空區(qū)灌漿處理

2.1 采空區(qū)處理原理

埋藏于地下的煤層被開采后，上覆巖層原有的應力平衡狀態(tài)被破壞，即產(chǎn)生冒落、斷裂和彎曲等一系列變形與破壞，影響到地表出現(xiàn)下沉、裂縫、傾斜、水平位移等地表塌陷變形現(xiàn)象，隨著采空區(qū)面積的擴大，地表發(fā)展成凹陷盆地（洼地），即形成地表移動盆地。

禹州煤礦采空區(qū)覆巖為軟質巖夾硬質巖層，走向近東西，傾向南，傾角12～19°采空區(qū)上方巖體的變形，總的過程是自下而上逐漸發(fā)展的漏斗狀沉落，“三帶型”是其開采水平緩傾煤層最普遍的覆巖破壞形式。

由于禹州礦區(qū)段主要受已形成采空區(qū)的影響，煤層頂板覆巖已經(jīng)破壞，地面沉陷盆地已經(jīng)或正在形成，井下工作面巷道受到破壞，采場上部覆巖已經(jīng)垮落，冒落帶業(yè)已形成，無法采用井下充填法對采空區(qū)進行充填，只能采用地面充填處理措施。結合禹州礦區(qū)的實際情況，本次設計采用注漿法對采空區(qū)進行加固處理，向采空區(qū)的垮落帶和裂隙帶里注入具有充填、膠結性能的漿液材料，以便硬化后增加其強度和降低滲透性，改善巖土層的物理力學性質，達到加固地基的目的。

2.2 采空區(qū)注漿處理

2.2.1 注漿孔的布置、注漿順序

采空區(qū)注漿處理采用充填灌漿和帷幕灌漿相結合的方法進行。注漿順序為首先對下山及邊界實施帷幕灌漿，以減少和阻止注入漿液的流失和浪費，然后對渠道影響范圍內(nèi)的采空區(qū)進行充填灌漿。

帷幕灌漿孔采用單排孔，間距2 m。充填灌漿注漿孔采用梅花狀布孔均勻布設，根據(jù)禹州采空區(qū)的情況，設計采用排距18 m，孔距18 m，在施工時根據(jù)灌漿試驗的注漿效果，調(diào)整布孔間距。孔深鉆至采空區(qū)冒落帶煤層底板下1.50 m處。

2.2.2 灌漿材料和灌漿工藝

根據(jù)多種材料和配比實驗研究，最終確定灌漿材料采用PO42.50級普通硅酸鹽水泥和粉煤灰按水∶固＝1∶1，其中水泥∶粉煤灰＝0.15∶0.85，密度為1.32～1.34，結石率86%，無側限抗壓強度0.20～0.30 MPa，每立方米漿液中水、水泥粉煤灰的干料用量分別為667，100和567 kg。后期根據(jù)灌漿效果對漿液配比進一步優(yōu)化，水固比由1∶1調(diào)整為0.80∶1。

灌漿壓力采用1.00～1.50 MPa，可滿足采空區(qū)處理要求。當孔口壓力在1.00～1.50 MPa，泵量＜10 l/min，穩(wěn)定10 min，結束該孔注漿。

2.2.3 灌漿處理效果檢測

為檢測灌漿效果，灌漿完成后應打檢查孔取樣試驗，同時采用地質CT，檢查孔注漿檢測灌漿效果。對基巖段進行取芯，取芯結石體的抗壓強度≥1 Mpa，且各檢查孔的巖芯采取率與附近取芯孔的采取率相比明顯提高。對孔底以上40 m范圍內(nèi)進行彈性波檢測，95%以上的檢測區(qū)域檢測波速應達到2 500 m/s以上。檢查孔注漿的單位注入干料量小于該單元的平均單位注入干料量的25%，即滿足灌漿要求。

3 采空區(qū)段渠道結構設計

3.1 土方填筑

填方段渠道為避免因采空區(qū)沉降引起拉裂，渠堤土方填筑過程中增加土工格柵分層填筑，層距為50 cm。利用土工格柵特殊的網(wǎng)眼結構與粘性土形成咬合作用，起到增加土體抗拉、抗剪的作用，且土工格柵為柔性材料，能較好地適應土體變形，從而提高填方渠道適應不均勻沉降變形的能力。

挖方段為改善地基條件，提高地基抗變形、抗?jié)B穩(wěn)定性，一級邊坡全斷面超挖2 m，然后回填粘性合格土料并加設土工格柵，層距為50 cm。同時，增設20 cm厚砂石排水墊層，結合直徑為30 cm的強滲軟透水管，以加強排水，提高渠道堤防的整體穩(wěn)定性。

3.2 襯砌結構

對于渠道防滲、減糙襯砌結構較為常用的有水泥土、砌石結構及混凝土襯砌結構，考慮南水北調(diào)全線統(tǒng)一的要求及結構的耐久性、適應地基的變形能力的要求。在煤礦采空區(qū)段襯砌采用現(xiàn)澆混凝土襯砌型式，渠坡厚度為12 cm，渠底厚度為 10 cm。為適應采空區(qū)地基的變形需求，縱橫伸縮縫間距均為 2 m，縫寬1 cm，均為通縫?？p上部臨水側2 cm采用密封膠封閉，下部均采用閉孔塑料泡沫板充填。

防滲設計選用強度高、均勻性好的加厚機織布復合土工膜作為防滲材料，規(guī)格為700 g/m2的兩布一膜，膜厚為0.30 mm。

4 采空區(qū)監(jiān)測

采空區(qū)監(jiān)測包括采空區(qū)變形監(jiān)測和工程監(jiān)測。前者從宏觀上監(jiān)測采空區(qū)的變形，后者重點監(jiān)測去南水北調(diào)工程安全穩(wěn)定。兩者相輔相成，共同監(jiān)測工程的運行狀況。

4.1 采空區(qū)變形監(jiān)測

采空區(qū)地表變形監(jiān)測線綜合礦層走向、開采方法及上覆地層產(chǎn)狀，平行和垂直煤礦層走向成直線布置，長度覆蓋地表移動變形范圍。

同時，考慮到禹州礦區(qū)部分采空區(qū)埋藏較深、上覆巖層較厚，因此，采空區(qū)布置多點位移計監(jiān)測采空區(qū)變形，監(jiān)測深度測至采空區(qū)底板以下。在采空區(qū)頂板以上不同高程設置多點位移計測點，觀測深部巖體的位移，評價上覆巖體“三帶”的分布范圍及發(fā)展趨勢，預測對工程的影響。

4.2 工程監(jiān)測

針對主體工程渠道和建筑物工程，進行渠道堤防沉降、滲流、邊坡變形監(jiān)測。建筑物的垂直位移、水平位移，倒虹吸管身不均勻沉降，穿堤建筑物與堤防的接觸滲流監(jiān)測。

應用系統(tǒng)工程理論方法，綜合利用所搜集的各種信息資料，在各單項監(jiān)測成果的整理、分析和反饋的基礎上，對各項資料和成果進行綜合比較和推理分析，評判工程的安全狀態(tài)，制定防范措施和處理方案。

5 結論

采空區(qū)上大型水利工程建設在國內(nèi)尚屬首次，為了確保工程的安全穩(wěn)定運行，本工程對采空區(qū)進行灌漿處理，對灌漿材料、灌漿方式和灌漿質量驗收標準等方面進行研究和應用。結合水利工程的特殊性，對渠道土方填筑、結構設計進行優(yōu)化等多項綜合措施，提高渠道適應不均勻變形的能力和抗?jié)B、抗滑穩(wěn)定性。為以后采空區(qū)處理及采空區(qū)上水利工程建設積累了經(jīng)驗。同時，應進一步加強工程后期采空區(qū)處理渠段的安全監(jiān)測，確保工程監(jiān)測資料的連續(xù)性，對監(jiān)測成果應及時加以分析、整理和保存，為工程的運行管理和維護提供依據(jù)。

［1］劉吉永，杜艷珍，馮瑞軍. 煤礦采空區(qū)對南水北調(diào)中線工程的影響分析［J］.河南水利與南水北調(diào)，2008（4）：3-4.

［2］白文博，周兵。高填方渠堤土工格柵加筋技術研究［J］.人民長江，2014，45（10）：73-75.

TV68

A

1673-8853（2017）10-0033-02

馮娜（1985-），女，工程師，主要從事水利工程設計工作。

2017-7-21

編輯：劉長垠