張鵬華

（山西路橋集團(tuán)國際交通建設(shè)工程有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路建設(shè)過程中，常常遇到不同類型、規(guī)模、深度的采空區(qū)，采空區(qū)的存在對路線方案和道路使用性能有直接影響。為使得地基承載力達(dá)到路基設(shè)計要求，有必要采取措施對采空區(qū)進(jìn)行加固處理，減少地表下沉對路基造成的不良影響[1]。由于采空區(qū)一般埋設(shè)于地下較深部位，作業(yè)人員難以準(zhǔn)確觀測其內(nèi)部特征，采空區(qū)的變化機理、過程對地表的影響規(guī)律十分復(fù)雜，而且采空區(qū)的破壞具有突發(fā)特性，很多破壞可預(yù)測性較小，在開采完成后，采空區(qū)內(nèi)部變形持續(xù)時間相對較長，一般需要幾十年甚至上百年才會發(fā)生突發(fā)性破壞[2]。處于復(fù)雜采空區(qū)的高速公路，受到地表變形和采空區(qū)頂板破壞影響較大，若是在公路穿越的采空區(qū)附近存在開采情況，影響更為復(fù)雜[3]。因此，對采空區(qū)進(jìn)行處治是保證公路安全的重要方法。以下介紹采空區(qū)處治方法，并以山西某高速公路下伏采空區(qū)為例，采用注漿法進(jìn)行加固，分析了加固效果。

1 工程概況

山西某高速公路穿越采空區(qū)，地層包括二疊系下統(tǒng)梁山組、棲霞組、茅口組，長興組，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組等，含煤層和采空區(qū)，高速公路覆蓋的區(qū)域受煤層采空區(qū)的影響長度達(dá)到15 km，并出現(xiàn)多處斷層。附近區(qū)域煤礦斷層情況如表1所示。

表1 近年揭露煤礦區(qū)的主要斷層情況

2 采空區(qū)處治方法

2.1 充填處治

充填方案是采用漿砌片石、干砌片石、井下回填料對煤層已經(jīng)被開采完畢，但是頂板沒有垮塌的采空區(qū)進(jìn)行處治，這種處治方法適于頂板的巖性較好，采空厚度較薄的區(qū)域。

2.2 開挖回填

當(dāng)采空區(qū)位于挖方邊坡時，可以采用開挖回填方法進(jìn)行處理。通過人工或機械開挖方式對路基以下相對較淺和挖方段的采空區(qū)進(jìn)行開挖，開挖后采用漿砌法或干砌法進(jìn)行回填。這種處治方法適用于淺層采空區(qū)和高邊坡路段采空區(qū)。

2.3 強夯加固

強夯加固治理采空區(qū)主要是針對埋置深度小于10 m，覆蓋巖層的強度較低，而且完整性較差或者頂板變形完成的路段?？梢酝ㄟ^爆破方式將頂板巖石破碎用于填充，并強夯加固。

2.4 壓力注漿

對于地質(zhì)情況比較復(fù)雜、采空區(qū)勘查不夠精確、采空區(qū)呈多層分布或者難以使用回填、充填方式進(jìn)行處理的路段[4]。通過機械方式在采空區(qū)頂板的裂隙帶和冒落帶注入具有膠接性能和充填特性的材料，并具有一定強度特性來完成加固處理。

2.5 橋跨穿越

當(dāng)煤層開采規(guī)模小，開挖深度小于100 m的采空區(qū)一般采用梁、板、橋梁等方式進(jìn)行跨越。橋跨穿越法主要包括樁基穿越和橋梁跨越兩種方式，可根據(jù)具體情況確定相應(yīng)的方案，情況需要對樁基部位進(jìn)行注漿處理。

3 采空區(qū)處治方法選擇

采空區(qū)處治方案的選擇首先根據(jù)公路工程對地基要求結(jié)合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、地質(zhì)條件進(jìn)行選擇，本項目根據(jù)圖1所示的程序選擇采空區(qū)處治方法。

圖1 采空區(qū)加固處治方案選擇程序

根據(jù)以上程序，某地區(qū)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，而且許多采空區(qū)勘查難度相對較大，采空頂板存在冒落帶和裂隙帶，結(jié)合實際情況選擇壓力注漿法對采空區(qū)進(jìn)行加固處理。

4 注漿材料優(yōu)化設(shè)計

確定采用注漿法對采空區(qū)進(jìn)行加固后，對注漿材料的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)實際情況，采用水泥、粉煤灰、水進(jìn)行配合比設(shè)計，并對水灰比、固相比與黏度、結(jié)石率、抗壓強度之間的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 注漿材料配比試驗結(jié)果

4.1 固相比—水灰比—黏度關(guān)系

黏度是評價注漿材料流動性能和施工和易性的重要指標(biāo)，黏度必須控制在一個合理范圍內(nèi)，過大則導(dǎo)致流動性困難，無法良好填充裂隙和孔隙，太小則不能達(dá)到強度要求。根據(jù)表2所示的試驗結(jié)果，提取固相比—水灰比和黏度數(shù)據(jù)繪制曲線如圖2所示。

圖2 注漿材料固相比—水灰比—黏度關(guān)系曲線

從圖2所示曲線可以看出，在同一固相比和水固比時，隨著粉煤灰含量的增加，漿液的黏度逐漸呈降低趨勢，只有水固比在1∶1.0時，黏度是先有個輕微的降幅，然后增大。這就說明粉煤灰能夠減小注漿材料的黏度，增強流動性能。

4.2 固相比—水灰比—結(jié)石率關(guān)系

對于注漿材料而言，材料的結(jié)石率是評價其加固性能的重要指標(biāo)，一般情況下結(jié)石率較高的注漿材料才能起到良好的防滲和填充加固作用。根據(jù)表2所示的試驗結(jié)果，繪制灌注砂漿的固相比—水灰比—結(jié)石率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 注漿材料固相比—水灰比—結(jié)石率關(guān)系曲線

根據(jù)注漿材料固相比—水灰比—結(jié)石率的關(guān)系曲線可知，在同一固相比條件下，固體含量的增多，水固比的減少有利于結(jié)石率的提高，同等條件下，粉煤灰含量為80%時的結(jié)石率相對而言最低。而粉煤灰含量為70%左右的時候，結(jié)石率均超過了78%，而且最大結(jié)石率達(dá)到92.9%，也是在粉煤灰含量為70%時出現(xiàn)。

4.3 固相比—水灰比—抗壓強度關(guān)系

注漿材料結(jié)石體的強度是影響注漿后巖體力學(xué)性能的直接指標(biāo)，也是評價注漿效果的重要參數(shù)。根據(jù)表2所示的試驗結(jié)果，提取固相比—水灰比—抗壓強度試驗數(shù)據(jù)，繪制抗壓強度變化曲線如圖4所示。

根據(jù)注漿材料固相比—水灰比—抗壓強度關(guān)系可知，在同等固相比條件下，隨著漿液濃度的升高，材料的28 d抗壓強度逐漸增大，水固比為1∶1.4時的整體抗壓強度均最大，而水固比為1∶1.0時的抗壓強度最小。

通過對注漿材料的黏度、結(jié)石率、結(jié)石體抗壓強度等指標(biāo)的測試得出，水固比最佳比例范圍應(yīng)該控制在1∶1.2～1∶1.4之間為宜，而水泥占水固比的比例為10%～20%左右時，其流動性能、強度性能都能夠滿足設(shè)計要求。

5 注漿范圍計算與施工

5.1 注漿范圍計算

注漿范圍直接影響注漿加固效果以及工程造價，根據(jù)采空區(qū)的埋藏深度和分布情況以及頂板覆蓋巖層的力學(xué)性能計算采空區(qū)注漿范圍，計算簡圖如圖5所示。

圖5 注漿長度與寬度計算示意圖

根據(jù)圖5中a圖所示注漿計算范圍示意圖，結(jié)合公式（1）對注漿處治寬度進(jìn)行計算[4]。

式中：B為注漿處治寬度，m；D為路基寬度，m；d為公路維護(hù)帶寬度，m；φ為松散層移動角，（°）；δ為礦層下山方向巖層的移動影響角，（°）。

根據(jù)圖5中b示意圖，結(jié)合公式（2）對采空區(qū)的處治長度進(jìn)行計算。

式中：L為處治長度，m；H1為采空區(qū)下山覆蓋巖層厚度，m；H2為采空區(qū)上山覆蓋巖層厚度，m；β為礦層下山方向巖層移動影響角，（°）；γ礦層上山方向巖層移動影響角，（°）。

根據(jù)以上公式，結(jié)合工程實際情況計算出采空區(qū)K8+320—K8+500路段的處治寬度、深度以及面積如表3所示。

表3 采空區(qū)處治部位面積計算結(jié)果

5.2 注漿量計算

確定采空區(qū)注漿加固范圍后，應(yīng)該對注漿量進(jìn)行計算估計，注漿量采用公式（3）計算。

式中：A為注漿漿液耗損系數(shù)，取值1.0～1.2；S為采空區(qū)加固處治面積，m2；M礦層的平均采厚，m；△V為采空區(qū)的剩余孔隙率；η為充填率，%；c為漿液結(jié)石率，根據(jù)試驗確定或取值70%～90%；α為巖層的傾角。根據(jù)公式（3）計算出所需注漿量如表4所示。

表4 采空區(qū)處治注漿量計算結(jié)果

5.3 注漿施工

注漿施工時采用先稀后稠的順序進(jìn)行，注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa之間，采用文中第4節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后的漿液進(jìn)行壓力注漿。注漿過程中根據(jù)采空區(qū)的裂隙、孔隙以及埋深情況具體確定注漿壓力，并及時調(diào)整漿液濃度，注漿孔口壓力保持1.0～1.5 MPa注入一定漿液之后可以適當(dāng)增大壓力，當(dāng)孔口壓力大于3 MPa時，而且地表的裂隙已經(jīng)出現(xiàn)大量冒漿的現(xiàn)象時可以結(jié)束注漿施工，并使其穩(wěn)定10～15 min。所有注漿程序完成后，對注漿區(qū)域進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待到注漿加固區(qū)域強度達(dá)到設(shè)計要求后便可進(jìn)行下一步施工作業(yè)。

6 加固效果檢驗

為進(jìn)一步評價注漿法處治該公路下伏采空區(qū)的處治效果，對注漿處治前后的采空區(qū)的性能進(jìn)行測試。通過鉆探取樣，對加固后前后各層位巖石強度；采用高密度電阻率勘探法[5-6]，檢測注漿前后各地層的電阻率變化情況，并分析注漿范圍和注漿層位?？碧綑z測結(jié)果如表5所示。

表5 采空區(qū)加固效果檢測結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，通過注漿加固后，巖層的強度性能得到提高，不同巖層的提高幅度各不相同，其中石灰?guī)r強度指數(shù)提高幅度最大值達(dá)到4.24 GPa，泥巖的強度提高幅度相對較低。深度越深，強度指數(shù)升高幅度有所降低，但不是特別明顯。通過注漿加固后，巖層的電性得到很大改善，注漿前，由于地下采空區(qū)裂隙帶比較發(fā)育，巖層的電性變化比較復(fù)雜。注漿加固后，由于漿液黏結(jié)作用使破碎巖體固結(jié)成為整體，致使電性變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。注漿后，電阻率參數(shù)均較注漿前有所降低，其中石灰?guī)r段電位與注漿前相比降低了3倍左右。說明注漿加固改善了巖體的整體性能。

7 結(jié)語

通過對采空區(qū)處治方法以及最佳處治方案確定程序的介紹，并以山西某高速公路下伏采空區(qū)處理為例，分析選用注漿加固方法處理，然后對注漿方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，計算采空區(qū)處理范圍、注漿量，闡述了注漿施工技術(shù)，并對注漿加固效果進(jìn)行評價，最終得出：

a）采空區(qū)加固方案的確定需采空區(qū)提供的地質(zhì)條件、地基強度要求、處理原理、工程經(jīng)驗以及機具設(shè)備、材料供應(yīng)等方面的因素；

b）采用注漿加固法對高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行加固處治效果良好，對巖層強度性能的提高最大能達(dá)到4.24 GPa；

c）注漿后，各巖層的電阻率均有所減小，石灰?guī)r最大降低幅度達(dá)到3 346.8 OHM·M，處治后的巖層整體性、穩(wěn)定性和強度性能良好。