鄭齊銀

(1.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)交通行業(yè)重點實驗室;2.山西省交通科學(xué)研究院)

混合材料法治理公路充水采空區(qū)

鄭齊銀1，2

(1.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)交通行業(yè)重點實驗室;2.山西省交通科學(xué)研究院)

針對公路下充水采空區(qū)的特殊空洞環(huán)境，提出充填混合材料即類混凝土壓力注漿的方法，以陽泉西環(huán)充水采空區(qū)治理工程為例，通過試驗和施工實踐，提出了適宜的施工配合比和施工工藝，較經(jīng)濟(jì)地完成了治理工程，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

充水采空區(qū);混合材料;壓力注漿;配合比

1 問題的提出

近年來山西高速公路網(wǎng)通過的煤礦老采空區(qū)或多或少地存在地下水，對于充水采空區(qū)的注漿治理方法及材料選擇，目前多采用水泥粉煤灰漿液進(jìn)行壓力注漿，充水情況下漿液形成設(shè)計強(qiáng)度的周期較長，且存在施工缺陷，交通部頒發(fā)的《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》要求對采空區(qū)內(nèi)存在大量地下水的情況應(yīng)進(jìn)行專題研究，并探索有效的采空區(qū)處治措施、以確定合理的設(shè)計與施工方案。因而，有必要對充水采空區(qū)注漿工藝及漿液配合比進(jìn)行研究。

以陽泉西環(huán)高速采空區(qū)治理工程第五合同段K6+640～K7+130段C匝道橋下充水采空區(qū)處治為例，試驗性地采用了混合材料壓力注漿法施工，其中混合材料包括類混凝土與傳統(tǒng)水泥粉煤灰漿液，“類混凝土”由水泥、粉煤灰、煤矸石及砂石材料加入少量添加劑加水混合。施工實踐中提出了類混凝土在處理充水采空區(qū)的配合比及施工工藝。工程實踐表明，采用本方法與配合比有利于漿液強(qiáng)度的及時形成，適合于充水條件下的采空區(qū)處治實踐。

2 工作原理及優(yōu)點

目前采空區(qū)治理工程中一般采用250型注漿泵，主要應(yīng)用于不含骨料的流塑狀漿液，對于充水采空區(qū)的治理，鑒于其地質(zhì)環(huán)境的特殊性，采用由水泥、粉煤灰、煤矸石、砂石材料及少量添加劑加水混合而成的含有骨料的粘稠膏體狀材料稱之為類混凝土，“類混凝土”的比重大，可置換出采空區(qū)內(nèi)的水體，能很好地解決充水大空洞采空區(qū)問題。

本研究采用混合材料配注漿治理充水采空區(qū)，不再采用250型注漿泵，其由攪拌系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)完成，注漿系統(tǒng)可以配制含有骨料的粘稠膏體狀材料，其中攪拌系統(tǒng)(含配料)由作為上位機(jī)的工控機(jī)與作為下位機(jī)的PLC組成，并配以稱重儀表和模擬盤;輸送系統(tǒng)能輸送稀漿液及水。治理公路等線性工程下伏采空區(qū)常因距離較長或治理范圍較大需要建立多個注漿站。本充水采空區(qū)注漿系統(tǒng)的攪拌及輸送系統(tǒng)均可移動，大大節(jié)省工程費用和縮短工期。

該系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是能夠依據(jù)需要配制各種比例的漿液，適用于不同空洞、裂隙的工況，基于漿液材料的靈活多樣，能夠因地制宜變化漿液配比，以保證受注體處治效果，同時系統(tǒng)輸出壓力可達(dá)10 MPa，高壓力能有效地進(jìn)行裂隙注漿并盡可能排出充水采空區(qū)水體。

3 配合比與性能評價

在采空區(qū)處治設(shè)計時，配合比的確定是一項極其重要的工序，鑒于充水采空區(qū)本身地質(zhì)條件的特殊性，本研究綜合分析，采用了低污染、低成本材料，主要為5～20 mm煤矸石、中砂、普通粉煤灰、32.5礦渣硅酸鹽水泥、高效減水劑。反復(fù)試驗制作成試件，經(jīng)測試，建議配合比為 m水∶m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m煤矸石=11.68∶4.18∶10.75∶12.13∶61.26。據(jù)此配制的類混凝土流動性能滿足泵送混凝土要求，其塌落度18～22 cm，28 d平均強(qiáng)度大于2.0 MPa，實測強(qiáng)度值均滿足目前采空區(qū)治理的通用設(shè)計要求。采用本配合比形成的混合材料漿液，成本接近于2∶8水泥粉煤灰漿液材料，低于3∶7水泥粉煤灰漿液材料的成本。

4 混合材料處治充水采空區(qū)施工工藝

(1)開孔采用Φ165鉆頭，至穩(wěn)定基巖以下6 m變徑，改用Φ160鋼管作套管和灌注類混凝土管下至變徑處，再改用Φ146鉆頭鉆至采空區(qū)底板以下1 m。

(2)混凝土孔成孔后，將Φ160套管(一端帶有法蘭盤)下至變徑位置，置入少量粘土以防大量滲漏漿液，而后灌入1∶1.5～1∶2素水泥漿(可加入水泥重量2%的速凝劑)，使?jié){液在孔內(nèi)高度達(dá)4～6 m，Φ160管既是套管也是注漿管，一端法蘭用于連接控制閥，控制閥上面連接注漿管和安全閥，裝置見圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

(3)在類混凝土治理采空區(qū)的工藝流程中，地泵泵送混凝土、攪拌機(jī)攪拌類混凝土、HBT60C拖式混凝土泵灌注，如灌注壓力較大時應(yīng)安裝安全閥，閥值10 MPa;在類混凝土充滿采空區(qū)時管道內(nèi)壓力會很快升高，大于10 MPa時安全閥會自動打開，以防止壓力過大發(fā)生崩管傷及施工人員，安全閥自動打開后，應(yīng)暫停5 min后繼續(xù)灌注，如安全閥呈持續(xù)打開狀態(tài)可以認(rèn)為該孔的類混凝土灌注完畢。

(4)類混凝土灌注過程應(yīng)保持一定的連續(xù)性，其間歇時間不宜大于30 min。灌注結(jié)束后方可進(jìn)行水泥粉煤灰漿液灌注，其技術(shù)要求按《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》執(zhí)行。

5 工程實踐

5.1 工程概況

工程位于山西省陽泉西環(huán)高速公路第五合同段采空區(qū)域，在治理此處煤礦采空區(qū)過程中，發(fā)現(xiàn)K6+640～K7+130段C匝道橋1#墩(設(shè)計樁長15 m)范圍26 m處掉鉆3 m，橋墩樁底位于煤礦斜井上方約11 m處，斜井巷高3 m、寬4 m，呈15°坡度向下延長至800 m，目前該斜井已經(jīng)關(guān)閉。井內(nèi)大量充水，地表變形不明顯。

5.2 充水采空治理的方案設(shè)計

項目區(qū)斜井內(nèi)大量充水且空洞較大，用常規(guī)煤礦采空區(qū)治理方法無法確保工程質(zhì)量，綜合研究后確定采用泵送類混凝土灌注法及全充填壓力注漿法相結(jié)合進(jìn)行治理。

治理范圍沿斜井方向取15 m，根據(jù)斜井及橋墩寬度確定治理寬度4.5 m，治理深度為采空區(qū)底板以下1 m，孔位呈梅花型布置，間距3 m。

5.3 注漿材料的選取

根據(jù)上述的試驗配合比 m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m煤矸石=11.68∶4.18∶10.75∶12.13∶61.26 選取注漿材料，建議類混凝土塌落度15～24 cm，具體配合比由實驗室和現(xiàn)場試灌注確定，補充漿液選用水泥粉煤灰漿，水固比1∶1.0～1∶1.2(水泥30%，粉煤灰70%)。

5.4 注漿質(zhì)量檢測

注漿質(zhì)量檢測于施工結(jié)束7 d后進(jìn)行，鉆探取芯檢查施工效果并進(jìn)行壓水實驗，檢測表明:巖芯的結(jié)石體比較完整，其長度與空洞直徑基本吻合，達(dá)到了排水結(jié)石的效果。對該取芯孔進(jìn)行壓水實驗15 min，壓水量為0.68 m3，壓水量與鉆孔體積相差不大，表明治理后的采空區(qū)空腔及覆巖裂隙均被填充密實。

表1 采空區(qū)治理工程質(zhì)量檢測成果表

6 結(jié)論及建議

試驗表明漿液配合比中 m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m煤矸石=11.68∶4.18∶10.75∶12.13∶61.26 時強(qiáng)度滿足設(shè)計需要。

［1］高建軍，祝瑞勤，徐大寬.巖溶充水礦床帷幕注漿堵水技術(shù)研究［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，(5):143-144.

［2］周新莉.注漿技術(shù)在檸條塔煤礦膠運大巷工程中的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2008，(5):89-93.

［3］王成祥，冉紅平.高速公路采空區(qū)沉降觀測技術(shù)的應(yīng)用［J］.山西交通科技，2010，(5):36-38.

［4］采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則(JTG/T D31-03-2011)［S］.交通運輸部.

U416.1

C

1008-3383(2013)04-0022-02

2012-12-27

鄭齊銀(1975-)，男，河南商城人，工程師，研究方向:公路地質(zhì)災(zāi)害治理。