既有橋梁采空區(qū)勘察及治理方法的探討

馬秋紅

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012）

煤礦開采形成采空區(qū)，地下巖體結(jié)構(gòu)被破壞，造成地面塌陷、位移，致使地面上已有的建筑物、公路、鐵路及橋涵等受到破壞，嚴重影響了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。對采空區(qū)的治理，在高速公路、鐵路等應用已久，但對既有構(gòu)筑物下新發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的處治經(jīng)驗還很少，傳統(tǒng)的處治工藝能否保證既有構(gòu)筑物的安全有待考證。為此本文通過呂環(huán)郭家溝1號大橋的處治實例介紹一種對既有橋梁采空區(qū)的治理方法供大家探討。

1 工程概況

呂梁環(huán)城高速公路于2011年4月正式開工建設，2014年9月完成交工驗收，2015年11月10日全線通車[1]。2016年初，呂環(huán)高速郭家溝1號大橋橋臺、橋墩及路面發(fā)現(xiàn)多處新裂縫，裂縫表現(xiàn)為張、拉，最大裂縫寬度30 cm，一般2 cm，未充填，較平直，方向雜亂，初步判斷裂縫產(chǎn)生直接原因與采空區(qū)有關，且屬新近開采。

2 采空區(qū)勘察

通過采空區(qū)專項調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等綜合勘察手段，查明采空區(qū)的分布規(guī)模、特征，評價采空區(qū)的穩(wěn)定性及其對郭家溝1號大橋的危害程度。

2.1 采空區(qū)調(diào)查

呂環(huán)高速郭家溝1號大橋位于聚星陶瓷黏土礦范圍內(nèi)，該礦于2003年建井，2008年投產(chǎn)，斷續(xù)生產(chǎn)，巷道式開采，采厚2.5 m，采寬2.8 m，巷道為木棚支護，井下無積水，年產(chǎn)量2萬t。郭家溝1號大橋范圍內(nèi)地表裂縫較發(fā)育，主要分布在橋梁南側(cè)，最大裂縫寬度30 cm，一般2 cm；大橋南側(cè)黃土梁也有局部坍塌現(xiàn)象。

2.2 井下測量

為取得精確的采掘資料，對方山縣聚星陶瓷黏土礦進行了井下測量工作，實測巷道長度2 500 m。巷道為木棚支護，巷道最大高度6 m，一般高度2.3 m；巷道最大寬度3.5 m，一般寬度2.8 m，運輸巷道與環(huán)城高速公路K6+438—K6+441段交叉，交叉處巷道頂板標高937 m。受井下塌方、回填等因素影響，大部分巷道無法測量，井下測量效果不佳，不足為設計提供準確的開采現(xiàn)狀。

2.3 資料收集

經(jīng)多方協(xié)調(diào)，收集到《方山縣聚星礦業(yè)有限公司陶瓷土礦井采掘現(xiàn)狀圖》，礦方技術(shù)員將郭家溝1號大橋南側(cè)最新開采巷道手繪到圖上。

2.4 物探

根據(jù)勘察任務及地下礦層開采情況，采用高密度和電測深方法進行探測，共完成高密度電法斷面4個，測線總長度1 320 m，測點440個，電測深點5個。電法勘探根據(jù)探測區(qū)內(nèi)已知地層的電性資料及水文地質(zhì)條件來劃定異常區(qū)，礦層開采后，形成空洞，未充水時一般表現(xiàn)為高阻區(qū)；上覆泥巖垮落填埋后，又會形成相對低阻區(qū)；若采礦區(qū)上方形成冒落帶，一般表現(xiàn)為高阻異常。依據(jù)分析結(jié)果，最后圈定出采空區(qū)在物探測區(qū)中的異常范圍，結(jié)果顯示異常范圍與采空區(qū)調(diào)查資料及鉆探有較好的對應關系。

2.5 鉆探

為進一步查清采空區(qū)的分布情況，查明采空巷道是否向橋梁下方延伸，為采空區(qū)處治范圍的確定提供精確的資料，在橋梁南北兩側(cè)、橋梁正下方墩臺間及橋臺路基上均布置勘察鉆孔。共完成56個鉆孔，其中橋梁南側(cè)34個，橋梁正下方墩臺間6個，橋梁北側(cè)12個，橋臺路基鉆孔4個。揭示采空區(qū)的鉆孔共20個，均分布在橋梁南側(cè)，揭示為礦柱的非采空區(qū)鉆孔共36個。采空區(qū)孔占總孔數(shù)的36%，最大掉鉆高度6.8 m，冒落最大高度8 m。采空區(qū)分布在橋梁南側(cè)，樁號為K6+552—K6+747，長度195 m，距橋梁墩臺最近約5 m。

勘探孔中揭示采空區(qū)的鉆孔中，2個孔為掉鉆，空洞高度3.6～6.7 m，未發(fā)生冒落；11個孔為掉鉆與少量冒落；7個孔為冒落孔，冒落高度3.7～9.5 m。地表出現(xiàn)大量不規(guī)則裂縫，在橋梁南側(cè)小土臺上有明顯下錯，表明巖體以張裂為主，采空區(qū)上覆巖體主沉降未發(fā)生。采空區(qū)具有突發(fā)性和隱蔽性，隨時可能發(fā)生沉降或垮塌，嚴重威脅著郭家溝1號大橋的結(jié)構(gòu)安全，須盡早處治。

3 采空區(qū)處治設計

采空區(qū)處治方法主要有充填加固法和支撐加固法，鑒于呂環(huán)高速郭家溝1號大橋已正式通車，采空區(qū)嚴重威脅著橋梁的運營安全，而常規(guī)的注漿充填法，漿液結(jié)石效果差、固結(jié)周期長，難以保證現(xiàn)有橋梁的安全，而支撐加固法地下施工條件不具備，故采用“混凝土墩柱式支撐[2]”與砂漿全充填灌注相結(jié)合來進行治理。

3.1 設計原則

采空區(qū)處治設計采用邊治理、邊排查、邊完善的動態(tài)設計和施工的原則，確保采空區(qū)處治后，在橋梁運營過程中，不產(chǎn)生破壞和影響橋梁正常使用的變形，保證橋梁安全營運。

3.2 處治方案

本項目采空區(qū)處治以地面灌注細石混凝土和水泥砂漿相結(jié)合的方法進行[3]。對掉鉆孔空洞部位，充填C20細石混凝土（以下簡稱混凝土）；對于采空區(qū)塌陷冒落部位及礦柱孔灌注M10水泥砂漿。根據(jù)勘察期間掉鉆孔與冒落孔的比例，確定灌注細石混凝土與水泥砂漿的量。

3.3 全充填灌注

在地表施工鉆孔，鉆孔深度達到采空區(qū)底板，對掉鉆孔將導管下到采空區(qū)底板，灌注混凝土，導管不能高于混凝土面，邊灌注邊提升導管至采空區(qū)頂板處，然后抽出導管，下放注漿管，將注漿管密封在采空區(qū)上覆巖層中，將水泥砂漿注入采空冒落區(qū)和其上覆的巖層裂隙帶中，結(jié)石體阻止上覆巖層及地表的進一步變形，從而達到治理采空區(qū)之目的。對冒落孔和礦柱孔，灌注水泥砂漿。

施工前，應在離地表4～5 m高度范圍內(nèi)進行C20細石混凝土灌注試驗，觀察混凝土在未經(jīng)振搗情況下的形狀，確定在有側(cè)限局部空間和無限空間不同邊界條件下，灌注體高度、坍落度與導管提升速度、混凝土輸送泵壓力及泵量的關系，調(diào)整和優(yōu)化灌注參數(shù)。

該工程施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

4 施工

采空區(qū)處治施工過程中，大部分鉆孔揭示為采空區(qū)冒落帶，采空區(qū)頂板坍塌嚴重，混凝土和砂漿灌注效果較差，根據(jù)對施工資料的綜合分析，本著安全第一、確保質(zhì)量的原則進行補充設計，掉鉆孔仍按原設計方案進行灌注即灌注細石混凝土，冒落部位及礦柱孔灌注水泥漿，對冒落部位及裂隙進行補強注漿，采用擴大處治范圍及加密注漿孔方法，并進一步核查橋下的開采情況，確保橋梁處治的安全。

5 工程質(zhì)量檢測與監(jiān)測

采空區(qū)處治結(jié)束后，采用鉆孔取芯、孔內(nèi)波速測試、室內(nèi)力學試驗、孔內(nèi)電視、地面物探及采空區(qū)監(jiān)測等方法對采空區(qū)處治效果進行檢驗[3]。通過對檢測數(shù)據(jù)的分析評價，各項檢測指標均達到設計要求，檢測孔巖芯采取率較高，全孔循環(huán)液未漏失或正常損耗，孔壁完整穩(wěn)定，漿液結(jié)石體無側(cè)限抗壓強度為10.2～27.1 MPa，孔內(nèi)剪切波速為 352～685 m/s，均滿足設計要求，采空區(qū)處治工程質(zhì)量為合格。通過布設觀測網(wǎng)，對路基和橋墩進行沉降觀測，根據(jù)數(shù)據(jù)分析主要為橋臺路基土沉降固結(jié)引起路面變形，橋墩觀測點無明顯變化，橋墩整體情況較穩(wěn)定。

6 結(jié)語

本文以工程實例為依據(jù)，詳細介紹了既有高速公路橋梁采空區(qū)的勘察、設計、施工、檢測與監(jiān)測，形成了一套“混凝土墩柱式支撐”與水泥砂漿、水泥漿液全充填灌注相結(jié)合的采空區(qū)綜合治理方法，為今后治理類似采空區(qū)提供參考。