工業(yè)固廢CFB 灰渣注漿充填采空區(qū)施工技術(shù)研究

吳志勇

山西路橋第四工程有限公司 山西大同 037046

1 項(xiàng)目概況

國道209 呂梁改線工程施工項(xiàng)目位于呂梁新城區(qū)（方山縣至中陽縣金羅鎮(zhèn)），該項(xiàng)目作為省級重點(diǎn)工程項(xiàng)目，是工業(yè)固廢CFB灰渣材料循環(huán)利用示范工程之一；改線工程總里程74.65km，全線地處呂梁山區(qū)，地質(zhì)地形條件復(fù)雜，橋隧比高達(dá)40%，標(biāo)段內(nèi)橋梁總計(jì)16.43km/48 座，橋梁平均跨徑超過300m，大橋占比較高，標(biāo)段內(nèi)隧道總計(jì)14.38km/10 座，隧道平均長度超過1.4km，大部分屬于中長隧道；由于線路需穿越大面積的煤礦采空區(qū)，經(jīng)工程勘察統(tǒng)計(jì)，線路穿越采空區(qū)面積超過40 萬m3，工程面臨較大的采空區(qū)充填加固需求；本改線施工項(xiàng)目已于2019 年開工建設(shè)，預(yù)計(jì)工期3 年，工程總投資規(guī)模超過70 億元。

2 工業(yè)固廢CFB 灰渣混凝土材料概述

經(jīng)工程勘察發(fā)現(xiàn)，改線工程沿線需穿越大面積的煤礦采空區(qū)，采空區(qū)面積超過40 萬m3，為了保證公路路基、橋梁樁基礎(chǔ)及隧道開挖斷面的穩(wěn)定性，必須提前對沿線采空區(qū)進(jìn)行充填注漿加固處治；龐大的充填方量無疑會加劇項(xiàng)目成本，采用傳統(tǒng)的水泥混凝土注漿充填工藝，將消耗大量的水泥和粉煤灰材料，對于粉煤灰不易得地區(qū)，必然加重采空區(qū)處治成本；經(jīng)工程勘察實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目沿線工礦企業(yè)聚集，沿線CFB 灰渣資源極其豐富，且尚未找到高效、綠色的循環(huán)處理途徑，且經(jīng)試驗(yàn)證明，CFB 灰渣混凝土的施工和易性較粉煤灰混凝土更高，為了實(shí)現(xiàn)廢物循環(huán)利用和采空區(qū)低成本充填加固處治的雙贏，本項(xiàng)目最終擬采用CFB灰渣混凝土對沿線采空區(qū)進(jìn)行充填加固[1]。

CFB 灰渣是經(jīng)由燃煤發(fā)電廠循環(huán)流化床鍋爐后產(chǎn)生的底渣，CFB 灰渣材料中的硫化物含量較高，在堿性環(huán)境下，易與水泥等膠凝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生AFT 產(chǎn)物，致使CFB 混凝土體積膨脹，進(jìn)而形成致密的填充物；根據(jù)脫硫工藝的不同，煤經(jīng)鍋爐在不同溫度下燃燒后，產(chǎn)生的產(chǎn)物略有差別，對于濕法脫硫工藝而言，煤炭的燃燒溫度介于1100℃-1600℃之間，產(chǎn)生的底渣約占煤炭總質(zhì)量的9%，產(chǎn)生大量細(xì)度更高的飛灰，對于干法脫硫工藝而言，煤炭的燃燒溫度較低，介于730℃-930℃之間，產(chǎn)生的低渣約占煤炭總質(zhì)量的45%，在拌和CFB 灰渣混凝土?xí)r，需要使用大量的水，以滿足與膠凝材料反應(yīng)的基本條件。

3 采空區(qū)注漿充填施工工藝研究

為了滿足改線工程施工項(xiàng)目采空區(qū)填充的現(xiàn)實(shí)需求，同時控制施工總體成本，最終制定了CFB 灰渣混凝土充填加固采空區(qū)的施工方案，本文就該項(xiàng)目加固施工過程中涉及到注漿填充工藝進(jìn)行深入分析，希望為后續(xù)同類采空區(qū)處治項(xiàng)目提供標(biāo)準(zhǔn)化的施工方案參考。

3.1 注漿成孔

注漿孔的現(xiàn)場布置方式應(yīng)結(jié)合工程勘察資料并配合現(xiàn)場試驗(yàn)確定，注漿孔道布置應(yīng)首先保證注漿的可行性和便捷性，在滿足上述前提下，盡量選用梅花形布置形式，孔道間距維持在15m-20m 范圍內(nèi)，排間距也維持在15m-20m 范圍內(nèi)，排間應(yīng)交叉布設(shè)，以提高注漿的均勻性和協(xié)調(diào)性；鉆孔結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括孔深、孔徑量大要素，孔深應(yīng)根據(jù)采空區(qū)埋設(shè)深度確定，孔道應(yīng)深入到原煤層底板以上1m 范圍內(nèi)，孔道應(yīng)采用變截面形式設(shè)計(jì)，鉆進(jìn)至基巖后應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大孔徑，孔道內(nèi)應(yīng)下鋼護(hù)壁套管，以保證注漿通道的順暢性[1]。

3.2 注漿材料拌和

注漿選用CFB 灰渣混凝土材料，選材堅(jiān)持“因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理”的基本原則，灰渣混凝土拌和用膠凝材料選用P.O.32.5 普通硅酸鹽水泥[2]，同時添加一定比例的粉煤灰和粘土，粉煤灰的細(xì)度等級應(yīng)達(dá)到2、3 級，灰渣混凝土的水膠體比應(yīng)控制在較高水平，以保證灰渣混凝土的施工和易性和流塑性滿足充填作業(yè)要求，拌和后的CFB 灰渣混凝土的強(qiáng)度不能低于0.6MPa，為了減少拌和用水量，提高混凝土凝結(jié)硬化速率，應(yīng)添加適當(dāng)比例的減水劑和速凝劑，速凝劑的模數(shù)應(yīng)控制在2.4-3.4 之間；在拌和前，應(yīng)現(xiàn)場檢測CFB 灰渣的各項(xiàng)指標(biāo)，保證灰渣的燒失量補(bǔ)償10%，硫化物分?jǐn)?shù)不能超過7%，游離性氧化劑分?jǐn)?shù)不能超過40%，灰渣中的重金屬浸出濃度及放射性等級均應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求；拌和同步應(yīng)澆筑試驗(yàn)試件，凝固后對其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，保證充填物的強(qiáng)度滿足加固處治要求。

3.3 注漿壓力控制

在正式填充過程中，必須重點(diǎn)控制好注漿壓力指標(biāo)，確保注漿的均勻性及漿液凝固后的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，通過工程試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)充填壓力與漿液的可達(dá)半徑呈正相關(guān)關(guān)系，因此，在采空區(qū)圍巖沖擊強(qiáng)度允許的前提下，建議盡量增加充填強(qiáng)度，以保證漿液的可達(dá)性和凝結(jié)強(qiáng)度更高，但無需過分提高壓力指標(biāo)，以避免不必要的材料浪費(fèi)[2]；注漿停止標(biāo)準(zhǔn)以注漿泵壓力為準(zhǔn)，當(dāng)注漿泵流量表下降到30L/min 且維持該流量指標(biāo)30min 以上時，認(rèn)為注漿作業(yè)臨近尾聲，待注漿口壓力超過2.5MPa 后，應(yīng)隨時做好停止注漿準(zhǔn)備。

3.4“跑漿”現(xiàn)場控制

在采空區(qū)注漿過程中，由于采空區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨時可能出現(xiàn)“跑漿”等事故，為了確保注漿現(xiàn)場的安全、可控，必須針對可能出現(xiàn)的“跑漿”問題做好現(xiàn)場控制。經(jīng)工程地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)局部存在開裂和坍塌風(fēng)險，經(jīng)高壓注漿后，漿液沖破頂部開裂裂縫，出現(xiàn)了不同程度的“跑漿”問題；為了控制“跑漿”，避免影響采空區(qū)的填充質(zhì)量和效率，首先應(yīng)在平面圖上圈定出“跑漿”路徑和主要“跑漿”位置，通過分析位置及路徑信息獲取完整的“跑漿”路線圖[3]，在注漿過程中，應(yīng)根據(jù)路線圖隨時調(diào)整注漿壓力，當(dāng)遇到“跑漿”點(diǎn)時，應(yīng)適當(dāng)降低注漿壓力，削減單位時間的注漿量，采用緩慢注漿，均勻滲透的方式一方面完成薄弱區(qū)域的注漿填充，另一方面可以依靠注漿漿液密實(shí)“跑漿”縫隙。

4 結(jié)語

綜上，本文以國道209 呂梁改線工程采空區(qū)充填注漿加固施工項(xiàng)目為研究背景，在闡述工業(yè)固廢CFB 灰渣混凝土材料的特性及生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上；重點(diǎn)對CFB 灰渣混凝土材料在采空區(qū)的充填注漿施工工藝進(jìn)行深入分析，初步明確了標(biāo)準(zhǔn)的充填注漿加固工藝流程，希望能對其它同類采空區(qū)處治項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。