靳 寶 蔡冠軍 閻 飛

（北京京能地質(zhì)工程有限公司，北京 102300）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多采空區(qū)開(kāi)發(fā)成為建設(shè)用地，采空區(qū)的治理需求日益增多。采空區(qū)治理技術(shù)的研究主要由煤炭、冶金、軍事和交通等部門開(kāi)展，集中在中國(guó)、波蘭、英國(guó)、俄羅斯等主要產(chǎn)煤國(guó)家。在工程實(shí)踐中，不同行業(yè)對(duì)于工程安全要求各有差異，此外，采空區(qū)分布的復(fù)雜性和差異性，導(dǎo)致目前不同行業(yè)對(duì)采空區(qū)治理的技術(shù)要求也不盡相同。

采空區(qū)治理項(xiàng)目在建筑工程領(lǐng)域日益增多，積累在建筑工程領(lǐng)域采空區(qū)治理的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分必要。

注漿填充法適用于各類煤礦采空區(qū)的地基處理[1?2]，可對(duì)采空區(qū)地基發(fā)育的垮落帶空洞、斷裂帶裂隙及彎曲帶離層裂隙進(jìn)行加固處理，該方法在可靠的施工組織下，通常處理效果良好。本文以北京某學(xué)校采空區(qū)治理項(xiàng)目為例，介紹了注漿填充技術(shù)在采空區(qū)治理方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于北京市門頭溝區(qū)城子地區(qū)，該擬建場(chǎng)地地貌單元屬于中低山區(qū)山前緩坡地帶。場(chǎng)地地形較復(fù)雜，高差較大，地勢(shì)上西北高東南低，由西北向東南呈階梯狀分布，大致可分為三級(jí)平臺(tái)，各平臺(tái)間高差3～10 m。

擬建建筑設(shè)計(jì)條件概況見(jiàn)表1。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)地采空區(qū)域主要分布在2#綜合教學(xué)樓附近。

表1 擬建建筑設(shè)計(jì)條件概況

2 場(chǎng)地地層及采空區(qū)分布情況

建設(shè)用地南部表層為第四系坡洪積層，北部基巖出露，外圍山地出露侏羅系基巖地層。地層按年代由新到老如下：

（1）第四系坡洪積層(Q4al/pl)：表層為填土，下部為坡洪積的黏性土、粉土及碎石。

（2）侏羅系窯坡組基巖(J1y)：分布在建設(shè)用地下及其附近大部分地區(qū)。巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)巖、夾含礫粗砂巖和煤層。粉砂巖為窯坡組的主要組成部分，灰黑?黑色，中厚?厚層狀，含可采煤層九個(gè)層位，為主要賦煤開(kāi)采地層。該層又可分為上窯坡組和下窯坡組，其中九個(gè)可采煤層主要集中分布在下窯坡組地層，上窯坡組僅局部賦存可采煤線。

根據(jù)場(chǎng)地《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告》及《巖土工程勘察報(bào)告》，建設(shè)用地部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)有小窯開(kāi)采跡象，開(kāi)采深度7.5～78.2 m，多集中在25.0～57.7 m，開(kāi)采厚度一般為0.4～2.4 m，采深采厚比大部分大于30，多為淺層?中層采空區(qū)，少數(shù)為深層采空區(qū)。當(dāng)上部存在附加荷載及其他誘發(fā)因素時(shí)，易發(fā)生地面塌陷。

3 擬建場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

以2#綜合教學(xué)樓為例進(jìn)行驗(yàn)算?；A(chǔ)形式為筏板，基礎(chǔ)埋深取10.9 m(8.4～13.4 m，取中間值)，建筑物長(zhǎng)度按45 m考慮，寬度按12 m考慮，基底荷載為210 kPa，建筑中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力P按式(1)計(jì)算：

式中：P為建筑物基底單位壓力，kPa；P.為建筑物荷載，kPa；m=L/B ；n=Z/B。

根據(jù)式（1）得P =107.4 kPa。

根據(jù)鉆探揭露采空區(qū)的開(kāi)采特點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，采用采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)驗(yàn)算公式進(jìn)行地基穩(wěn)定性驗(yàn)算，采空區(qū)寬度按5 m考慮，巖石重度按25 kN/m3考慮，巖石的內(nèi)摩擦角按40°考慮（綜合考慮巖石中等風(fēng)化取值）。見(jiàn)式（2）：

式中：Q為采空區(qū)頂板上的壓力，kPa；G為采空區(qū)單位長(zhǎng)度頂板上巖層所受的總重力，kN/m；G=γHB；B為采空區(qū)寬度，m；f為采空區(qū)側(cè)壁的阻力，kN/m；H為建筑物基底至采空區(qū)頂板的厚度，m；γ為巖石的重度，kN/m3；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，(°)。

當(dāng)H增大到一定深度，使頂板巖層恰好保持自然平衡（即Q=0），此時(shí)稱為臨界深度h：

根據(jù)式（3），得h=3.09 m。

當(dāng)H≤ h時(shí)，地基不穩(wěn)定；h< H ≤1.5 h時(shí)，地基穩(wěn)定性差；H>1.5 h時(shí)，地基穩(wěn)定。

擬建場(chǎng)地H<3.09 m時(shí)，為地基不穩(wěn)定的區(qū)域，必須進(jìn)行地基處理；3.09 m 4.64 m時(shí)，地基穩(wěn)定，理論上不需要處理[3]，但是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，擬建場(chǎng)地處于采煤沉降區(qū)的中間，雖然場(chǎng)地下緩傾斜煤層已停采多年，按照巖層移動(dòng)規(guī)律，地表移動(dòng)活躍期已過(guò)，快速變形階段已經(jīng)完成，地表沉降基本趨于穩(wěn)定，但煤層采空所引起的殘余沉降仍將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，對(duì)擬建建筑物還會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以整個(gè)采空區(qū)屬于不穩(wěn)定地段，全部采空區(qū)需要進(jìn)行加固處理[4?10]。

4 地基處理方案分析比選

根據(jù)《煤礦采空區(qū)建(構(gòu))筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》(GB 51180?2016)[2]，采空區(qū)的地基處理方法主要有以下5種。

（1）注漿填充法適用于各類型煤礦采空區(qū)的地基處理，可對(duì)采空區(qū)地基發(fā)育的垮落帶空洞、斷裂帶裂隙及彎曲帶離層裂縫進(jìn)行加固處理。

（2）穿越法可用于采空區(qū)埋深不大于30 m的非急傾斜采空區(qū)地基處理。

（3）砌筑法用于非采動(dòng)、采空區(qū)頂板未完全垮落、空洞大、通風(fēng)良好且具備人工作業(yè)和材料運(yùn)輸條件的采空區(qū)地基處理。

（4）強(qiáng)夯法適用于埋深小于10 m的采空區(qū)，覆巖頂板厚度不大于6 m的采空區(qū)，巖體完整性程度為極破碎?較破碎、堅(jiān)硬程度為極軟巖?較軟巖的采空區(qū)。

（5）堆載預(yù)壓法適用于采深小于10 m、充分采動(dòng)、頂板完全垮落、基底壓力小于300 kPa的采空區(qū)地基處理。

通過(guò)對(duì)比分析幾種處理方法的適用性，結(jié)合擬建場(chǎng)地小煤窯的埋深、煤層傾角、覆巖的巖性特征、小煤窯的開(kāi)采類型、開(kāi)采厚度、深度及其頂板管理方法，本著技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、滿足進(jìn)度的原則，最終選定了灌注填充法中的劈裂注漿工藝進(jìn)行采空區(qū)加固處理。

5 施工方案

5.1 方案介紹

根據(jù)調(diào)查了解及勘察鉆探揭露情況，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)填充鉆孔孔深60 m，鉆孔間距10～20 m。填充采用一次成孔、自下到上一次性全灌注的方法進(jìn)行注漿加固處理。采用先施工外圍的注漿孔、后施工內(nèi)層注漿孔的施工順序，按照煤層底板從低到高的順序填充施工。注漿漿液采用水泥凈漿，水固質(zhì)量比為1:1，現(xiàn)場(chǎng)施工根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。注漿填充完成以后3個(gè)月，通過(guò)物探等測(cè)試手段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證填充效果[11?12]。

5.2 施工原理

首先成孔達(dá)到采空區(qū)域，然后采用配好的水泥漿液進(jìn)行壓力灌注填充，直至采空區(qū)填充密實(shí)為止。灌注施工應(yīng)遵循“先外圍孔后內(nèi)層孔”、“分序間隔灌注”的原則。注漿填充原理見(jiàn)圖1。

圖1 注漿填充原理示意圖

5.3 重點(diǎn)問(wèn)題的處理措施

由于注漿施工是隱蔽工程施工，施工質(zhì)量控制要求較高，在實(shí)際施工中會(huì)遇到各種困難，可概括為以下三方面：

（1）使用泥漿護(hù)壁鉆探工藝時(shí)，孔內(nèi)殘留泥漿與填充水泥漿液混合，降低了填充物凝固強(qiáng)度，因此注漿填充法中鉆孔成孔時(shí)禁止泥漿護(hù)壁，要求采用清水正循環(huán)鉆探工藝施工，場(chǎng)地內(nèi)上部地層大多為第四系土層，較為松散，成孔后難以保持鉆孔的完整，容易塌孔。

要求鉆機(jī)成孔時(shí)采用跟套管鉆進(jìn)，抽筒應(yīng)與套管基本保持同步深度，抽筒最深不得超過(guò)套管底靴0.5 m；跟打套管時(shí)應(yīng)邊沖打邊轉(zhuǎn)動(dòng)套管，以保證下入的套管呈松動(dòng)狀態(tài)，以利于起拔。

（2）巖層破碎、裂隙或裂縫發(fā)育，止?jié){不好或止?jié){時(shí)間不夠（止?jié){漿液未凝固）時(shí)，注漿壓力過(guò)大等，可能出現(xiàn)地面或孔壁與注漿管間冒漿、竄漿（漿液進(jìn)入他孔或從他孔流出）。

鉆孔注漿出現(xiàn)地面或孔壁與注漿管間冒漿時(shí)，調(diào)整注漿壓力或者漿液稠度，或采用間歇注漿工藝；出現(xiàn)竄漿(漿液進(jìn)入他孔或從他孔流出)時(shí)，施工間隔應(yīng)適當(dāng)加大，一般前一次序孔注漿的漿液基本凝固后，再開(kāi)始后一次序孔的鉆注工作，并且加強(qiáng)鄰孔孔深及水位的觀測(cè)，及時(shí)處治，或者重新澆鑄孔口管。

（3）采空區(qū)因?yàn)橹T多因素（如地質(zhì)構(gòu)造，煤層分布、傾向和走向不確定，巷道連通情況）注漿量出現(xiàn)過(guò)大或者過(guò)少，均為施工中的難點(diǎn)。如漿液消耗量大，則成本目標(biāo)難以把控；漿液消耗量太少，說(shuō)明沒(méi)有探明地層采空區(qū)，填充處理后的地層也難以達(dá)到質(zhì)量要求。

漿液過(guò)量流失到非注漿部位或地段時(shí)，通過(guò)分析探空孔的探空深度，判斷巷道的走向和傾向，確定要求地基處理范圍內(nèi)巷道最低的部位采用低壓濃漿灌注、間歇注漿，或加入適量速凝劑或骨料，或采用小泵量注漿使其成為一個(gè)封閉空間，然后再進(jìn)行注漿填充，可以節(jié)省注漿量，控制成本投入；如漿液消耗耗用量太少，說(shuō)明存在沒(méi)有探明潛在危害的采空區(qū)域，加密探空孔的數(shù)量和加深探空孔的深度，探明采空區(qū)并進(jìn)行注漿填充治理，保證擬建建筑物地基的穩(wěn)定。

6 填充處理效果驗(yàn)證

6.1 多道瞬態(tài)面波試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌以及探明采空區(qū)的范圍，現(xiàn)場(chǎng)共布設(shè)多道瞬態(tài)面波測(cè)線10條，測(cè)線間距10 m，測(cè)點(diǎn)間距20 m，共55測(cè)點(diǎn)。測(cè)線7跨越2#綜合教學(xué)樓附近探明的采空區(qū)域。

現(xiàn)選取采空區(qū)域最為嚴(yán)重的測(cè)線7作為代表性測(cè)線與未處理采空區(qū)域測(cè)線T進(jìn)行對(duì)比分析。如圖2、圖3所示。

圖2 測(cè)線T測(cè)點(diǎn)1面波頻散成果圖

圖3 測(cè)線7面測(cè)點(diǎn)2波頻散成果圖

測(cè)線T和測(cè)線7面波頻散詳細(xì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 測(cè)線T和測(cè)線7面波頻散數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

如表3及圖2、圖3所示，根據(jù)多道瞬態(tài)面波試驗(yàn)的對(duì)比分析，注漿加固區(qū)域面波波速Vr為203.14～242.10 m/s ，平均223.82 m/s，未注漿區(qū)域面波波速Vr為159.08～204.22 m/s ，平均181.18 m/s。

表3 巖芯抗壓試驗(yàn)數(shù)值統(tǒng)計(jì)表

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)整理生產(chǎn)測(cè)線剖面見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 測(cè)線7面波速度映像圖

圖5 測(cè)線7反演剖面

根據(jù)反演剖面可得：注漿加固后在地面25～70 m，視電阻率成高阻連續(xù)狀態(tài)，推斷為巖層較完整，無(wú)明顯物探異常區(qū)，注漿填充效果良好[12?14]。

6.2 測(cè)試鉆孔取芯驗(yàn)證

注漿填充完成后約3個(gè)月，對(duì)處理場(chǎng)地進(jìn)行鉆探取芯試驗(yàn)研究。通過(guò)分析巖芯完整性，可以判斷采空區(qū)注漿填充密實(shí)程度。

如圖6所示，絕大部分水泥漿和原巖黏接效果良好，局部接觸部位由于原巖較為破碎或原巖附著煤屑等未能黏接密實(shí)。

圖6 采空區(qū)中水泥漿結(jié)石體

本次共完成測(cè)試鉆孔5個(gè)提取巖芯10組，加工成邊長(zhǎng)70.7 mm的立方體進(jìn)行巖芯抗壓試驗(yàn)，具體試驗(yàn)數(shù)值見(jiàn)表3。

如圖7所示，通過(guò)水泥漿巖芯抗壓試驗(yàn)可以看出，隨著時(shí)間的變化，水泥漿液開(kāi)始凝固，強(qiáng)度逐漸增大，3個(gè)月過(guò)后抗壓強(qiáng)度可達(dá)3 MPa左右，滿足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)石水泥漿的抗壓強(qiáng)度規(guī)定：“甲乙類地基不應(yīng)小于2 MPa”。

圖7 巖芯抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線圖

6.3 沉降監(jiān)測(cè)

注漿填充施工完成后，業(yè)主方委托第三方對(duì)擬建場(chǎng)地進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)，直到工程交付業(yè)主，共持續(xù)時(shí)間約2年6個(gè)月，最終的沉降變化值見(jiàn)表4。

表4 沉降觀測(cè)變化值

根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，沉降值最大為?12.07 mm滿足規(guī)范要求，場(chǎng)地處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在地面沉降或塌陷現(xiàn)象，客觀反映出了注漿填充效果良好。

7 結(jié)論

（1）注漿填充法對(duì)采空區(qū)加固處理，方法可行且效果良好。

（2）采用多道瞬態(tài)面波試驗(yàn)、巖芯抗壓試驗(yàn)以及沉降監(jiān)測(cè)等多種手段，客觀全面地對(duì)采空區(qū)注漿加固處理后的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）通過(guò)采空區(qū)注漿填充和超聲波測(cè)試的方法等實(shí)際應(yīng)用，得出相關(guān)的參數(shù)，可為類似的地基加固處理提供有力的參考依據(jù)。