高速公路下采空區(qū)充填治理與穩(wěn)定性探究

賈 立

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司， 山西 太原 030002)

0 引言

目前我國公路建設(shè)發(fā)展迅速，在高速公路建設(shè)的過程中，會(huì)遇到地下資源開采過程中留下的采空區(qū)，如果繞開這些采空區(qū)又沒有更加合理的方案。這些采空區(qū)是在礦體采出后留下的，因此打破了地下原巖應(yīng)力平衡，高速公路在這樣的采空區(qū)上方，就會(huì)出現(xiàn)扭曲、變形，甚至在某些特殊情況下，還有可能出現(xiàn)塌陷，這使得高速公路存在著巨大的安全隱患。因此，運(yùn)用充填法進(jìn)行采空區(qū)治理能夠有效地對采空區(qū)進(jìn)行改善，從而減少高速公路上因工程問題留下的安全隱患。

1 高速公路下采空區(qū)的充填機(jī)理

高速公路下的采空區(qū)是因?yàn)榈V體的采出而導(dǎo)致的，采空區(qū)內(nèi)圍巖會(huì)失去平衡，開始出現(xiàn)各種各樣的裂紋，最終從表面擴(kuò)大到圍巖內(nèi)部，再進(jìn)一步發(fā)展就會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)中的石塊繼續(xù)位移，蔓延到地面就會(huì)形成大的塌陷，這將會(huì)對高速公路以及周邊相關(guān)的建筑來說造成巨大的危害，對于公路的行駛也是很大的安全隱患。因此，對采空區(qū)進(jìn)行填充，目的并不是對已經(jīng)發(fā)生的破壞進(jìn)行修復(fù)，而是對以后可能造成的塌陷進(jìn)行控制，避免其進(jìn)一步發(fā)展，要想達(dá)到這一目的，主要就是通過填充體支撐以及地質(zhì)深部自身存在的穩(wěn)定母巖共同作用，防止圍巖的破壞加劇。

采空區(qū)的填充工藝到目前為止發(fā)展歷程經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一個(gè)階段是干式充填階段，干式填充相對于其他填充工藝而言，成本較低，但由于屬于干式填充材料密度較低，因此填充效率相對也不高，對于采空區(qū)的治理效果有限。第二個(gè)階段則是水砂混合充填階段，水砂混合充填對填料的強(qiáng)度和化學(xué)性質(zhì)等要求較高，因此輸送相對方便，充填效率也比較高。第三個(gè)階段是膠結(jié)膏體充填階段，這種充填方法是效率相對最高的一種方法，但由于骨料、膠凝材料質(zhì)量較好，因此相比于其他充填工藝，這種工藝成本較高。除此之外，隨著科技和工藝的迅速發(fā)展，目前也有各種新型充填膏體陸續(xù)研發(fā)，新型膏體既能夠起到相同的充填效果，又能夠相應(yīng)地降低成本，因此在實(shí)際應(yīng)用中也越來越受關(guān)注。

2 高速公路下采空區(qū)充填治理工藝

2.1 鉆孔工藝的應(yīng)用

對高速公路的采空區(qū)進(jìn)行充填治理，首先需要進(jìn)行鉆孔，通過對實(shí)地進(jìn)行考察，確定巷道的具體方位，并將其作為鉆孔的位置，同時(shí)，需要在保證較大的孔間距的同時(shí)，進(jìn)行均勻布孔。而在設(shè)置邊緣帷幕孔時(shí)，需注意要盡量控制為較小的孔間距，防止?jié){液流失。在布孔的過程中一定要結(jié)合具體情況靈活安排，在不同的環(huán)境、地質(zhì)和位置下，都存在著一定的差異，可以采用前后交錯(cuò)布孔的方法等等。盡量避免出現(xiàn)漿液擴(kuò)散不均勻或者吸漿量不均勻等情況的發(fā)生，因此，在時(shí)間安排上，邊緣布孔應(yīng)該優(yōu)先安排，能夠通過形成止?jié){帷幕來阻止?jié){液流失。

鉆孔施工也是整個(gè)工藝過程中十分重要的一環(huán)，可以使用回轉(zhuǎn)方式鉆進(jìn)，但在實(shí)際操作時(shí)，需要注意操作，盡量不要對鉆孔進(jìn)行沖擊，否則就有可能會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。灌漿之前，鉆孔施工都需要采用清水鉆孔的方式，防止灌漿出現(xiàn)其他的意外，最終效果較差；在灌漿的整個(gè)過程中，對于孔口和孔壁都要做好相應(yīng)的維護(hù)，使灌漿過程能夠順利進(jìn)行。對于鉆孔施工過程中出現(xiàn)的任何問題，比如掉鉆、漏水等，應(yīng)引起足夠的重視，做好記錄，立即采取相關(guān)措施處理好可能出現(xiàn)的問題，鉆孔的所有步驟都需要按照規(guī)范操作進(jìn)行，并與監(jiān)理工程師做好溝通，把握好孔深以及相關(guān)指標(biāo)的驗(yàn)收。

2.2 注漿工藝的應(yīng)用

高速公路采空區(qū)充填治理中，注漿填充的效果較好，目前應(yīng)用也比較廣泛，其施工工藝比較簡單，與其他工藝相比成本也相對比較合理。主要采用水泥粉煤灰混合漿液為主要填充材料，比較環(huán)保，施工的過程中也不需要專門的大型器械，工藝也相對簡單，因此應(yīng)用比較廣泛。

注漿工藝在對高速公路下的采空區(qū)充填中起著極為重要的作用，能夠顯著提升高速公路的建設(shè)質(zhì)量，在進(jìn)行注漿工藝時(shí)，首先需要計(jì)算漿液配比，保證其合理性，結(jié)合實(shí)地情況選擇水泥粉煤灰漿與水泥砂漿等作為主要注漿材料，然后適量添加水玻璃作為凝劑，注漿材料配比合理才能夠真正地保證注漿的效果較好，為注漿工藝奠定良好的基礎(chǔ)。

在灌漿開始之前，需要對孔壁進(jìn)行簡易壓水試驗(yàn)，并沖洗干凈，同時(shí)還需要對行單孔吸漿量進(jìn)行確定，在一切準(zhǔn)備工作都進(jìn)行完畢并確保無誤后，才能開始灌漿工藝。灌漿時(shí)，首先采用的是稀漿灌漿，在灌入一定量的稀漿后，再使用濃漿，最后一步再使用稀漿作為結(jié)束。整個(gè)灌漿過程都需要注意嚴(yán)格把握灌漿工藝的規(guī)范，首先原材料的質(zhì)量必須符合灌漿工藝的要求，要做好原材料質(zhì)量的檢驗(yàn)；其次，在灌漿開始之前，要確定好灌漿的數(shù)量，對漿液的縮水系數(shù)、縮水速度等都做好嚴(yán)格的試驗(yàn)檢驗(yàn)工作；在灌漿過程中，應(yīng)當(dāng)對施工工藝也進(jìn)行檢查，確保施工的質(zhì)量。具體工藝流程見圖1。

圖1 鉆孔注漿充填工藝流程圖

3 高速公路下采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素

3.1 地質(zhì)因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響

地質(zhì)構(gòu)造對于高速公路下采空區(qū)的形成以及穩(wěn)定性有十分重要的影響，有的采空區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，因此進(jìn)行治理和重新充填難度較小，但是有的地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，其采空區(qū)穩(wěn)定性就會(huì)差很多，在充填的時(shí)候，工藝的選擇也比較復(fù)雜。地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜往往表現(xiàn)在巖體結(jié)構(gòu)不完整、強(qiáng)度較差等方面，采空區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差就很有可能會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)的坍塌，因此復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的區(qū)域需要格外注意及時(shí)進(jìn)行充填。除了地區(qū)本身地質(zhì)因素對采空區(qū)的影響，采空區(qū)附近的巖石構(gòu)成也與穩(wěn)定性之間聯(lián)系密切，巖石的密度越高，就能夠說明其剛性較大，就意味著巖石本身的強(qiáng)度越強(qiáng)，質(zhì)量相對就越好。

3.2 水文因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響

水文因素也對高速公路下的采空區(qū)穩(wěn)定性影響較大，地下水對采空區(qū)的影響，仍然主要表現(xiàn)在對于圍巖和地質(zhì)穩(wěn)定性的影響。地下水的存在，無論多少都會(huì)使采空區(qū)圍巖的強(qiáng)度降低，對巖體中的裂隙等產(chǎn)生不利影響，水壓力也會(huì)直接對巖體造成損害，同時(shí)減少圍巖與圍巖之間的摩擦阻力，最終對巖層的強(qiáng)度造成較大的影響。除此之外，水體中會(huì)因當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、氣候因素，含有各種各樣的離子，并具有一定的酸堿度，這會(huì)對巖體本身造成侵蝕，從而使巖體的結(jié)構(gòu)和密度改變，影響巖層的強(qiáng)度。

3.3 環(huán)境因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響

采空區(qū)穩(wěn)定性還會(huì)受到環(huán)境因素的影響，比如離高速公路較近的作業(yè)場，就會(huì)對采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，而且對于構(gòu)造比較發(fā)達(dá)的地區(qū)而言，構(gòu)造應(yīng)力也會(huì)對圍巖的穩(wěn)定性形成破壞。

4 高速公路下采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)方法

4.1 開采條件判別法

開采條件判別法是通過對采空區(qū)現(xiàn)場進(jìn)行勘探，并結(jié)合其地質(zhì)特征、圍巖性質(zhì)、開采方式等特點(diǎn)，對采空區(qū)進(jìn)行綜合評定的評價(jià)方法。由于這種方法需要大量資料，因此適用于資料比較完備的高速公路采空區(qū)評定，這種評定方式比較簡單，適用范圍也比較廣泛。但是由于其評定主要是依靠現(xiàn)有資料進(jìn)行評價(jià)的，而每一個(gè)采空區(qū)以及地質(zhì)特點(diǎn)都各不相同，并且都在不斷變化，所以評價(jià)結(jié)果有時(shí)與實(shí)際情況差距較大，應(yīng)用性相對較差，還需要進(jìn)行補(bǔ)充勘察才能夠得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論，因此，這種方法在實(shí)際評定時(shí)往往與其他方法一同進(jìn)行。

4.2 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)法

地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)法能夠選用一定的預(yù)計(jì)方法，通過分析地質(zhì)條件，對高速公路采空區(qū)上方的地表移動(dòng)變形值進(jìn)行計(jì)算的方法。這種方法一般適用于條帶式、長壁式開采的評價(jià)，能夠?qū)喜煽諈^(qū)、新采空區(qū)都進(jìn)行評定。這種方法由于經(jīng)過大量運(yùn)算，因此理論依據(jù)十分清晰，對于各種地質(zhì)情況的適應(yīng)性也比較強(qiáng)，因此，應(yīng)用范圍較廣。地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)法最常用的就是概率積分法，這種方法的基本影響函數(shù)是正態(tài)分布函數(shù)，根據(jù)具體的地質(zhì)條件建立數(shù)學(xué)模型，在選取合適的參數(shù)的基礎(chǔ)上，有較高的準(zhǔn)確度和精度。

4.3 數(shù)值模擬法

能夠?qū)?shù)值模擬法造成影響的因素較多，地質(zhì)模型的合理性、參數(shù)的選擇等都可能會(huì)影響到對于采空區(qū)穩(wěn)定性的評價(jià)。目前在實(shí)際應(yīng)用過程中，這方面的經(jīng)驗(yàn)還不夠充足，因此對于數(shù)值模擬法中初始條件的設(shè)定、采動(dòng)巖體物理力學(xué)參數(shù)的取值等、計(jì)算模型范圍的設(shè)定應(yīng)用仍然較少，所以這種方法在相對簡單的工程中應(yīng)用較多，但對于工況復(fù)雜的大型工程，這種方法大多還是作為參考來使用。數(shù)值模擬法首先需要對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)進(jìn)行實(shí)地勘察，建立相應(yīng)的地質(zhì)模型，然后分三步分別計(jì)算礦層開采前的原始應(yīng)力和位移、開采后的應(yīng)力和位移以及在外荷載作用下的應(yīng)力和位移，通過觀察圍巖中塑形和變形情況，來對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和評價(jià)。

5 空洞型采空區(qū)穩(wěn)定性驗(yàn)算

對高速公路下采空區(qū)進(jìn)行驗(yàn)算主要有兩種方式，一種是對頂板強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（見圖2），另一種則是對煤柱與底板強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。進(jìn)行頂板強(qiáng)度的驗(yàn)算考慮頂板的抗拉強(qiáng)度和最大抗拉力，能夠計(jì)算出頂板的安全系數(shù)，從而對頂板的安全性進(jìn)行評價(jià)。而煤柱和底板強(qiáng)度的驗(yàn)算，則是驗(yàn)算煤柱和底板能否承擔(dān)作用在其上的荷載，這也是安全性評定的一個(gè)十分重要的方面。

圖2 頂板安全驗(yàn)算模型

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，公路的建設(shè)也在持續(xù)進(jìn)行中，高速公路作為最便捷的交通建設(shè)，也正在通往中國大地的每一個(gè)角落，因此保障高速公路的安全是公路建設(shè)過程中最重要的事情之一。而由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對煤礦等資源的開采也逐漸增多，因此在高速公路的建設(shè)過程中難免會(huì)遇到采空區(qū)，從而造成一定的安全隱患。對于采空區(qū)的處理，大多是采用充填的方式來進(jìn)行治理，首先對采空區(qū)進(jìn)行鉆孔，然后再進(jìn)行注漿。除此之外，還需要對高速公路下的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評定，主要結(jié)合其地質(zhì)、水文以及環(huán)境因素，通過開采條件判別法、地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)法、數(shù)值模擬法進(jìn)行全面的評定，最后對空洞型采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，確保其安全和穩(wěn)定。