煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑施工技術(shù)

苗春雨

（中交路橋華北工程有限公司，北京）

前言

我國(guó)煤炭資源較為豐富，越來(lái)越多地區(qū)憑借煤炭資源的開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)化、利用實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)水平的快速增長(zhǎng)。但是，煤炭開(kāi)采遺留采空區(qū)極易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，如地表沉降、地面裂縫、采空塌陷等，影響了交通設(shè)施基礎(chǔ)穩(wěn)定性。高速公路橫穿煤礦采空區(qū)情況并不鮮見(jiàn)，采用科學(xué)手段進(jìn)行高速公路路基填筑，是降低采空區(qū)高速公路安全隱患的有效途徑之一。因此，探究煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑施工技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑作業(yè)項(xiàng)目

一高速公路擬建線路穿越區(qū)域兩煤礦采礦權(quán)范圍，其中一煤礦尚未開(kāi)采，未形成采空區(qū)；另外一煤礦在高速公路K41+800～K42+400 范圍內(nèi)存在采空區(qū)。采空區(qū)煤礦開(kāi)采方式為地下開(kāi)采，開(kāi)采期間已出現(xiàn)伴生地裂縫、采空塌陷、地面沉降等問(wèn)題。煤礦挖掘后余留地表空洞對(duì)高速公路路基沿軸方向的干擾范圍如圖1 所示。

圖1 煤礦采空區(qū)對(duì)高速公路路基沿軸方向的影響范圍

圖1 中，1 為東側(cè)影響帶；2 為煤礦采空區(qū)范圍；3為西側(cè)影響帶；4 為覆巖，強(qiáng)風(fēng)化層，厚度不均；5 為煤礦采空區(qū)；6 為煤礦采空區(qū)影響寬度；7 為高速公路路基。

2 煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑作業(yè)方案

因煤礦采空區(qū)已出現(xiàn)伴生地裂縫、采空塌陷、地面沉降等問(wèn)題，擬選擇綜合注漿法處理。區(qū)域邊界優(yōu)選帷幕注漿鉆孔（相鄰孔之間距離相等），沿著高速公路中心線兩側(cè)，圍繞采空區(qū)治理區(qū)域邊界，均勻布置[1]。注漿（水泥－粉煤灰漿液）填筑寬度需結(jié)合高速公路路基范圍內(nèi)向外側(cè)應(yīng)力擴(kuò)散角、兩側(cè)邊坡保護(hù)帶寬度（見(jiàn)圖2）。

圖2 煤礦采空區(qū)高速公路路基注漿填筑寬度確定

圖2 中，b 為高速公路一側(cè)邊坡及保護(hù)帶寬度，m；B 為高速公路路基寬度，m；H 為煤礦采空區(qū)埋設(shè)深度，m；β 為高速公路路基填筑范圍內(nèi)向外側(cè)應(yīng)力擴(kuò)散角，°。根據(jù)圖2，可計(jì)算煤礦采空區(qū)高速公路路基注漿填筑寬度如下：

式中，L 為煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑寬度，m。K41+800～K42+400 采空區(qū)左側(cè)路基底寬度為15 m，右側(cè)路基底寬度為15 m，保護(hù)帶寬度為6 m，覆蓋巖石厚度為40 m，移動(dòng)角為75°，根據(jù)已有數(shù)值代入后計(jì)算，得出左側(cè)路基采空區(qū)處理寬度為34.35 m，右側(cè)路基采空區(qū)處理寬度為34.35 m。

塌陷、沉降、伴生地裂縫區(qū)域?yàn)樽{鉆孔處理方式，借鑒一般高速公路路基段、路橋過(guò)渡段規(guī)劃思路，圍繞區(qū)段內(nèi)煤礦采空區(qū)分布，以高速公路中心線為依據(jù)，考慮路基原設(shè)計(jì)填筑點(diǎn)位，科學(xué)規(guī)劃相鄰注漿孔，促使其距離以及距離每排垂向長(zhǎng)度相同。在圍巖塌陷沉落位置確定后，可以根據(jù)煤礦采空區(qū)頂板巖石穩(wěn)定性，確定注漿填筑深度，具體如下：

式中，H0為臨界深度；B 為高速公路路基寬度，m；γ 為巖石比重，t/m3；φ 為巖石內(nèi)摩擦角，°；P0為基底單位壓力，kN/m3。

煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑操作期間，單孔注漿量與擴(kuò)散半徑、水泥-粉煤灰漿液充填系數(shù)、開(kāi)采厚度具有較大關(guān)系。具體如下：

式中，Q 為煤礦采空區(qū)高速公路路基單孔注入水泥-粉煤灰漿液量，m3；R 為擴(kuò)散半徑，m；h 為開(kāi)采厚度，m；α 為漿液的充填系數(shù)。在單孔注漿量一定的情況下，控制采空區(qū)邊界帷幕注漿為設(shè)計(jì)總量的15%，采空區(qū)上覆地層沉陷帶及伴生地裂隙內(nèi)注漿量為設(shè)計(jì)總量的85%。

3 煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑作業(yè)步驟

3.1 漿料準(zhǔn)備

煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑用漿液擬選擇流動(dòng)性佳、基本不脫水、制備工藝簡(jiǎn)單、原材料來(lái)源充沛、成本低、凝結(jié)速度快且可形成一定強(qiáng)度固態(tài)充填體的水泥-粉煤灰漿液。水泥-粉煤灰漿液用原材料包括水泥、粉煤灰、水、粗骨料、速凝劑等[2]。其中水泥為32.5#及以上礦渣水泥（或普通硅酸鹽水泥），若確定煤礦采空區(qū)水對(duì)漿液結(jié)石體具有中等強(qiáng)度腐蝕性，需選擇符合國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《抗硫酸鹽硅酸鹽水泥》（GB/T748-2023）的抗硫酸水泥；粉煤灰應(yīng)達(dá)到國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)到三級(jí)要求；水應(yīng)符合《混凝土攪拌用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63-89）中拌和混凝土用水要求，pH 值大于4；粗骨料最大粒徑應(yīng)小于1.0 cm，有機(jī)物含量小于3；細(xì)骨料應(yīng)為質(zhì)地堅(jiān)硬的人工砂或天然砂，粒徑小于2.5 mm；速凝劑應(yīng)符合《混凝土外加劑》（GB8075-87）的相關(guān)要求，若選擇水玻璃作為速凝劑，應(yīng)確保水玻璃模數(shù)超出2.4 但小于3.0，濃度小于45 波美度但不小于30 波美度[3]。

采空區(qū)高速公路路基漿料配比見(jiàn)表1。

表1 煤礦采空區(qū)高速公路路基漿料配比（重量比）

由表1 可知，粗骨料占水泥重量比為40%，水與漿料配比為1:1，水泥用量為127 kg/m3。根據(jù)表1，技術(shù)人員可以先將水泥投入一級(jí)攪拌機(jī)內(nèi)，先后加入清水、速凝劑攪拌，攪拌5 min。同時(shí)將粉煤灰加入另一臺(tái)一級(jí)攪拌機(jī)內(nèi)，加入清水，均勻攪拌，攪拌5 min。隨后開(kāi)啟放漿閥門(mén)，將水泥攪拌物、粉煤灰攪拌物同時(shí)投入二級(jí)攪拌機(jī)內(nèi)，利用減速機(jī)將水泥、粉煤灰與粗骨料、細(xì)骨料均勻混合，持續(xù)攪拌10 min。

3.2 成孔操作

根據(jù)前期測(cè)量確定鉆孔位置駛?cè)脬@機(jī)，調(diào)整鉆機(jī)水平度、立軸垂直度與孔位偏差[4]。

確定鉆機(jī)孔位偏差小于2 mm 時(shí)，借助φ130 mm鉆頭鉆至完整基巖5 m 下（或采空區(qū)底板下3 m 位置），初次鉆孔孔徑在140 mm±10 mm 之間。區(qū)域邊界帷幕注漿鉆孔以及采空塌陷、沉降、伴生地裂縫區(qū)域注漿鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑鉆孔參數(shù)

根據(jù)表2 鉆孔至完整基巖8 m～10 m 后，下入φ130 mm 護(hù)壁管，轉(zhuǎn)為φ91 mm 鉆頭清水循環(huán)鉆至煤礦采空區(qū)塌陷帶，一次變徑后終孔孔徑超出91 mm。整體鉆孔需遵循先鉆設(shè)帷幕灌漿孔，再鉆設(shè)采空區(qū)注漿孔的順序，鉆孔布設(shè)平面圖見(jiàn)圖3?？状蛟O(shè)整個(gè)過(guò)程中，操作者應(yīng)注意測(cè)斜，相鄰測(cè)點(diǎn)間隔50 m，及時(shí)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整，避免每100 米孔傾斜率超出2°。

圖3 鉆孔平面布置

圖3 中，1 為高速公路路基邊界線；2 為采空區(qū)；3為帷幕孔；4 為注漿孔；5 為墩臺(tái)邊界線；6 為擬建道路；7 為道路軸線。由圖3 可知，煤礦挖掘后余留空洞區(qū)的高速公路路基注漿填筑鉆孔可劃分為帷幕鉆孔、充填注漿鉆孔，共布設(shè)4 排，成排對(duì)稱(chēng)，對(duì)稱(chēng)中心與高速公路中軸線重合。對(duì)稱(chēng)中心兩側(cè)為2 排充填注漿孔，每排充填注入水泥-粉煤灰漿液的孔與高速公路中軸線垂向長(zhǎng)度一致，相互毗鄰的注漿孔之間的中心長(zhǎng)無(wú)差別；高速公路最外側(cè)為2 排帷幕注漿孔，每排帷幕注漿孔與高速公路中軸線的垂向距離相等，相互毗鄰的帷幕注漿孔之間距離相等，與充填注漿孔之間的距離也相等。

3.3 注漿操作

終孔后，利用前期準(zhǔn)備漿液澆筑孔口管，即借助φ50 mm 鋼制注漿管注入漿液。具體操作時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)先將一個(gè)圓形法蘭托盤(pán)焊接到φ50 mm 鋼管前，再將鋼管下入注漿孔由130 mm 變?yōu)?1 mm 位置（巖層與土層分界位置）。同時(shí)松動(dòng)φ130 mm 護(hù)壁管后完全抽出。

將護(hù)壁管抽出后，技術(shù)人員可以利用清水沖洗孔壁，沖洗時(shí)間超出5 min，并開(kāi)展簡(jiǎn)單壓水試驗(yàn)。在檢驗(yàn)注漿管路密閉性達(dá)標(biāo)后，將孔壁、裂隙完全疏通。確認(rèn)孔壁、采空區(qū)伴生地裂隙無(wú)堵塞后，注入前期拌和的水泥-粉煤灰漿液，促使注漿管與注漿孔邊壁之間固結(jié)。正式注漿時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)先經(jīng)砂漿泵將前期拌和漿液注入煤礦采空區(qū)邊界帷幕孔，或者在孔口增設(shè)漏斗狀投砂器，經(jīng)投砂器將漿液帶入孔內(nèi)，減緩帷幕孔注漿速度，打造地下包圍型基礎(chǔ)。在投砂器出現(xiàn)漿液溢出情況時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)立即停止投砂，并將投砂器口封堵。

在經(jīng)帷幕孔注漿打造地下包圍基礎(chǔ)后，技術(shù)人員可以借助4 MPa 及以上泵送加壓方式，貫徹低壓、稠漿、小泵量、多間歇的原則，將前期拌和水泥-粉煤灰漿液注入采空區(qū)注漿孔，注漿管路及其連接部位均應(yīng)承受最大注漿壓力的1.5 倍～2.0 倍。

4 煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑效果

路基填筑進(jìn)入尾聲時(shí)，借助物探彈性波測(cè)井方式檢測(cè)填筑效果。即隨機(jī)選擇已處置煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)2 個(gè)注漿孔之間設(shè)置檢查孔，取注漿后地基芯樣，取芯樣為注漿孔與帷幕孔的4%±1%，采空區(qū)取芯量應(yīng)超出總孔數(shù)的30%，其他部位芯樣采取率超出總孔數(shù)的60%。進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸抗壓測(cè)試，得出采空區(qū)處理后無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤礦采空區(qū)高速公路路基填充芯樣單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）

由表3 可知，煤礦采空區(qū)高速公路路基填筑后芯樣單軸抗壓強(qiáng)度超出0.2 MPa，達(dá)到路基處理要求，表明高速公路路基填筑效果達(dá)標(biāo)。

5 結(jié)論

綜上所述，地下煤炭資源大量開(kāi)采形成的采空區(qū)廣泛分布，對(duì)高速公路路基填筑造成了較大的威脅。對(duì)于已發(fā)生伴生地裂縫、采空塌陷、地面沉降等問(wèn)題的煤礦采空區(qū)，傳統(tǒng)路基填筑方法不再適用，技術(shù)人員可以選擇綜合注漿法進(jìn)行處理。在表層處理后，將摻雜粉煤灰、水泥、粗骨料的漿液全部充填到采空區(qū)覆巖裂隙、塌陷、沉降位置，促使整個(gè)煤礦采空區(qū)所處地基恢復(fù)到接近以往應(yīng)力狀態(tài)，為高速公路工程安全平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。