王新建，付 和，卞 瀟

（1.中色資源環(huán)境工程股份有限公司，北京101300；2.中色藍圖科技股份有限公司，北京 101300）

資源枯竭型城市的產(chǎn)業(yè)升級型式各種各樣[1]，如地坑酒店、農(nóng)業(yè)生態(tài)園和地質(zhì)環(huán)境公園等，這些產(chǎn)業(yè)模式無不適應了當?shù)氐奶攸c。阜新市新邱區(qū)采取了國際賽道公園的型式，無非是為了適應附近城市汽車行業(yè)的特點。而建設(shè)這些賽道公園，必須先要治理礦區(qū)的采空區(qū)。采空區(qū)治理通常采用自上而下或自下而上法灌注漿液充填，但是孔口封閉工法注漿[2]的優(yōu)越性越來越受到重視。

孔口封閉工法出現(xiàn)于1983年，是我國自行研發(fā)的國家級工法[3]，其目的是為了實現(xiàn)高壓注漿。形成過程是從預埋花管法依次轉(zhuǎn)變成循環(huán)注漿法，后來為了適應地質(zhì)條件，發(fā)展成為孔口封閉工法注漿。孔口封閉工法在水利工程界[4]應用越來越廣泛，如烏江渡工程、青海龍羊峽水電站、貴州東風水電站、遼寧觀音閣水庫、湖北隔河巖水電站和青海積石峽水電站。

按照孔口封閉工法注漿的原理，孔口封閉工法適用于水電站大壩、水庫、防洪大壩、風化巖體及軟弱地基中的固結(jié)灌漿[5]和帷幕注漿[6]。目前已經(jīng)有很多孔口封閉器的發(fā)明，使用孔口封閉器可以更方便地加大灌漿壓力等，工藝先進，可以提高注漿質(zhì)量和注漿效果，所以孔口封閉器的應用會越來越廣泛，但本次治理并未使用孔口封閉器。

關(guān)于孔口封閉工法的應用，夏可風早已在《孔口封閉灌漿法討論》中詳細論述并列表比較。經(jīng)過多年應用實踐，該工法已經(jīng)逐漸成熟，積累了不少施工經(jīng)驗。但是在礦區(qū)采空區(qū)充填治理過程[7]中，卻很少采用孔口封閉法注漿。鑒于擬治理的采空區(qū)的地質(zhì)情況和煤層分布情況，以中國阜新百年國際賽道城一期采空沉陷區(qū)的治理過程為例，詳細分析了注漿充填治理采空區(qū)孔口封閉法的關(guān)鍵技術(shù)。

1 采空區(qū)治理的背景和概況

1.1 產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型要求

露天煤礦在阜新市分布較廣，新邱區(qū)賽道城建設(shè)區(qū)位于遼寧省阜新市新邱區(qū)露天煤礦開采區(qū)。阜新市地處遼西北生態(tài)脆弱地區(qū)，是典型的礦產(chǎn)資源枯竭城市。阜新市曾是國家建國初期重要的一大工業(yè)基地，為我國經(jīng)濟及工業(yè)發(fā)展作出巨大的貢獻。新邱區(qū)曾為遼寧第一鍬煤的開采地，區(qū)域遺留下的諸多巨大礦坑、沉陷區(qū)及大面積堆積的煤矸石山，帶來了一系列生態(tài)與地質(zhì)環(huán)境破壞問題。隨著能源枯竭，為積極推進礦山地質(zhì)環(huán)境恢復和綜合治理工作，探索城市發(fā)展新道路[8-9]，新邱區(qū)人民政府提出：利用煤礦廢棄礦坑建設(shè)賽道，規(guī)劃、建設(shè)百年賽道城。根據(jù)《新邱區(qū)環(huán)境治理修復規(guī)劃方案》，該城市將新邱區(qū)廢棄露天礦區(qū)建設(shè)成阜新百年國際賽道城項目，采用“邊治理邊建設(shè)，以賽道為載體，以汽車賽事為核心”的理念，將生態(tài)環(huán)境獨特的礦坑景觀進行開發(fā)利用，以成就“百年阜新——中國賽道第一城”為發(fā)展愿景，著力打造成集巔峰賽事競技場、賽事服務(wù)匯集地、汽車文化體驗區(qū)和汽車科創(chuàng)引領(lǐng)級四位一體的特色城。

阜新市的轉(zhuǎn)型目標非常宏偉，但礦區(qū)確實存在著一些采空區(qū)。由于項目開工時尚存的煤礦仍在開采，導致礦區(qū)發(fā)生了大面積的地裂縫、滑坡，給建設(shè)規(guī)劃中的建筑工程帶來了嚴重的安全隱患，必須采取有效的治理技術(shù)快速處理整治[10]。

1.2 采空區(qū)概況

礦區(qū)存在的礦山環(huán)境問題主要包括地質(zhì)災害隱患、自然災害隱患、空氣揚塵污染和采空區(qū)隱患等，其中采空區(qū)的治理是新邱區(qū)礦區(qū)治理的難點。

采空區(qū)位于生態(tài)治理科普展示中心及賽事服務(wù)中心采空區(qū)、汽車后市場孵化中心東南側(cè)、3#采坑西北側(cè)。采空區(qū)寬480.94 m，平均高度57.5 m，坡度35～60°，坡向70°，滑移方向為西北—東南；體積約為1120347.86 m3；物質(zhì)構(gòu)成分為2部分，上部為煤矸石及碎石土，下部為全風化或強風化泥巖、砂質(zhì)泥巖及砂巖，巖層中間夾雜煤層。

根據(jù)現(xiàn)場觀察，采空區(qū)已發(fā)生滑塌，整體滑移方向為西南—北東方向。采空區(qū)表面分布多條裂縫，其大小、長度、頂面寬度、深度和走向均不一致。采空區(qū)的東部區(qū)域，地裂縫大多呈現(xiàn)東西向，而在西部區(qū)域則又呈南北向。裂縫寬度在0.1～1500 mm。地裂縫分布在東段，開裂較大，超過20 cm的寬縫較多；在西段，縫寬大都低于20 cm。區(qū)后緣下挫3.0～7.0 m；坡腳滑動距離最遠為36.0 m?？傮w采空區(qū)的地基問題相當不樂觀[11]。

2 采空區(qū)治理要求

生態(tài)治理科普展示中心及賽事服務(wù)中心采空區(qū)（簡稱“雙中心”）和汽車后市場孵化中心的采空區(qū)治理，采取了充填注漿的方法。

2.1 總體要求

總體上，按照GB 51180—2016《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》的要求，采空區(qū)治理采取三角形鉆孔治理，其目的是便于控制采空區(qū)的注漿范圍達到密實的標準，故擬治理的采空區(qū)采取A孔、B孔和C孔三級鉆孔注漿治理[12-13]。采空區(qū)治理采用充填法注漿，依靠漿液良好的流動性，能有效充填采空區(qū)的空洞和裂縫，特別是多個鉆孔在經(jīng)過多個期限次的注漿后，漿液互相搭接、交叉和串插，使采空區(qū)空洞和圍巖裂隙得到填充或膠結(jié)加固，從而阻止了采空區(qū)的冒落變形，使采空區(qū)治理范圍的地基承載力達到穩(wěn)定狀態(tài)，保證了所治理的采空區(qū)內(nèi)建筑物的安全穩(wěn)定。鉆孔分布相對比較簡單，其難點在于檢驗效果的確定。

2.2 采空區(qū)治理鉆孔布置

施工設(shè)計的鉆孔分為A、B和C 3個次序進行注漿。首先在上山方向底部先布孔，為A孔，孔間距60 m，依次上山布孔。首批次注漿完成后根據(jù)注漿檢驗結(jié)果再確定是否進行第二批次加密注漿孔的布設(shè)；第二批次注漿孔為B孔，在A孔之間設(shè)置，孔間距為30 m，在第二批次注漿孔完成后，根據(jù)注漿檢驗效果，確定是否實施第三批次注漿加密孔；第三批次注漿孔為C孔，在B孔之間設(shè)置，孔間距為15 m。鉆孔均勻排列布置，成“品”字型布置。鉆孔間距的設(shè)置，首先是從質(zhì)量方面考慮，主要考慮采空區(qū)注漿的有效填充，采空區(qū)達到密實的效果；其次是節(jié)約投資造價，如果前一次成功，后一次則可以不做鉆孔注漿，以節(jié)省成本。

在鉆孔過程中，應先圍繞擬建的建筑物基礎(chǔ)周邊和采空區(qū)注漿范圍邊緣，先進行鉆孔注漿。本次注漿在地層傾向邊緣處設(shè)置帷幕孔，摻加少量粉煤灰，其目的是將鉆孔周圍固結(jié)[14]，防止上部注漿流入下部采空區(qū)范圍，然后再進行充填注漿。充填注漿是該采空區(qū)的主要治理方式。

2.3 鉆孔布置及鉆孔深度

本次治理采空區(qū)面積為217247.84 m2，首批注漿孔為73個，以A孔標識；第二批加密孔為209個，以B孔標識；第三批加密孔為847個，以C孔標識；共計1129個孔。每個注漿孔深度在30～150 m之間，鉆孔深度至揭露采空區(qū)底板深度以下3.0 m。

采用2次鉆孔，首次采取雙中心建筑區(qū)深度20 m，孵化中心建筑區(qū)內(nèi)30 m，其他區(qū)域采用20 m。第二次鉆孔直接鉆到設(shè)計深度。

2.4 注漿材料

由于采空區(qū)治理施工采用充填式注漿，其目的主要是為了使采空區(qū)充實，強度不是重點選項，試塊強度滿足1.5 MPa、鉆孔取芯強度大于0.6 MPa即可。依據(jù)GB 51180—2016《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》灌注充填法的要求，同時為了節(jié)約造價，采取添加粉煤灰的方法，以改善漿液性能。所以漿液材料主要由水、水泥和粉煤灰[15]組成，水泥采用42.5#普通硅酸鹽水泥，水可用3號矸石山蓄水池中的天然湖水，粉煤灰為火力發(fā)電廠準Ⅱ級粉煤灰。漿液水泥與粉煤灰固相比（重量比）調(diào)整為建筑物基礎(chǔ)范圍內(nèi)1∶2.5，其他區(qū)域采用1∶3，漿液水灰比（重量比）為1∶1.2～1.5∶1。

注漿主要圍繞雙中心、汽車后市場孵化中心進行施工。首次注漿應從順巖層傾向底部，逐排鉆孔進行，不可漏注或少注，推進到巖層的上坡位置。

2.5 注漿方式

設(shè)置2個注漿泵站，用耐壓輸送管將漿液送到各鉆孔。單孔注漿方式分2次注漿，采用注漿泵，順序同鉆孔順序，首層雙中心建筑區(qū)20 m，孵化中心建筑區(qū)30 m，其他區(qū)域20 m，其他各層一次注漿到底。

效果監(jiān)測，主要看試塊強度是否滿足1.5 MPa，鉆孔取芯強度是否大于0.6 MPa。

3 施工工法的關(guān)鍵技術(shù)

鉆孔注漿先進行雙中心建筑基礎(chǔ)部分。施工順序是先進行該區(qū)域的A孔鉆孔注漿，然后B孔鉆孔注漿，最后是C孔鉆孔注漿，按層次順序進行治理。但是就單孔的鉆孔注漿工法又分自下而上法注漿和孔口封閉工法注漿施工，還有一些其他的注漿方式，在此不再贅述。

3.1 施工工法對比

關(guān)于施工工法，常用的有自上而下法注漿、自下而上法注漿，一般都需要法蘭盤和注漿塞。原設(shè)計圖也是采取自上而下注漿方法，分段注漿，建設(shè)單位也主張這種做法。但是，施工單位根據(jù)多年的注漿經(jīng)驗，卻選擇了孔口封閉工法注漿，理由是孔口封閉工法擯棄了原來的法蘭盤和卡塞，展示了其優(yōu)越性。

3.1.1 自上而下法施工特點

自上而下法是一個鉆孔，多次鉆孔，分段注漿[16]，如圖1所示。其特點是等待注漿液的凝固，中間需要法蘭盤和注漿塞封堵漿液不上返，凝固時間根據(jù)注漿液的配合比不同，其結(jié)果也不同，一般應該在10～16 h之間，這樣往往耽誤鉆孔的時間，延緩施工進度。

圖1 自上而下灌漿法

3.1.2 孔口封閉工法施工特點

孔口封閉工法注漿施工技術(shù)原來最初適用于大壩、建筑地基的固結(jié)注漿，其目的是固結(jié)注漿體，提高大壩的抗?jié)B能力和建筑地理的承載力[17]，且必須是高壓狀態(tài)，注漿壓力一般均大于3 MPa。在采空區(qū)地表裂縫多、地下巷道分布不均勻和工期要求緊的情況下，不妨嘗試使用該工法，以提高治理速度和施工質(zhì)量。

孔口封閉工法注漿優(yōu)點如下。

1）孔內(nèi)不需下入灌漿塞，施工簡便。

2）每段灌漿結(jié)束后，不需要長時間等待凝結(jié)，在原孔位附近20～30 cm位置即可開始下一段的鉆孔，加快了施工進度。

3）上部孔段可得到多次重復灌注，對提高灌漿質(zhì)量有利。

4）若使用孔口封閉器有利于加大灌漿壓力等，提高注漿質(zhì)量。其具體施工流程如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3中可以看出，自下而上法注漿是1個地點、1個鉆孔和多次注漿，孔口封閉工法是1個地點、2個鉆孔和單次注漿。二者的相同點都是通過上層注漿的重量壓住下層注漿，保證采空區(qū)的注漿質(zhì)量。

圖2 孔口封閉法剖面圖

圖3 孔口封閉法平面圖

3.2 孔口封閉工法的關(guān)鍵技術(shù)

孔口封閉工法注漿雖然比較成熟，但仍然需要各孔位進行第一次測量放線、鉆孔、清孔、澆筑孔口混凝土和注漿，然后進行第二次鉆孔、清孔、澆筑孔口混凝土和整孔注漿，最后進行整個區(qū)域的注漿效果檢測。但是由于其優(yōu)越性，必須采取一定的關(guān)鍵技術(shù)，才可以避免通常采用的自上而下法的弊端。

3.2.1 測量放線措施

根據(jù)設(shè)計內(nèi)容，主要分A孔、B孔和C孔，必須先把A孔注漿完成，才能實施B孔，而C孔作為加密孔，必須在B孔完成后才能決定是否增加。A孔、B孔應用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK）準確測量，C孔可以采用鋼卷尺進行實地測量放樣，放樣鉆孔實際位置與圖紙規(guī)定位置之差不應超過0.5 m。

3.2.2 鉆孔和驗孔的關(guān)鍵技術(shù)

鉆孔的關(guān)鍵技術(shù)主要在鉆孔機械設(shè)備的選擇和鉆孔間距的確定方面。

鑒于采空區(qū)的地質(zhì)情況——土質(zhì)松軟，采空區(qū)宜采用機械頂驅(qū)鉆機，如型號JDL-3508配硬質(zhì)含金鉆頭或人造金剛石鉆頭進行鉆孔。正常鉆孔時，必須保證施工用水，可用水箱循環(huán)使用，達到節(jié)約的目的。覆蓋層內(nèi)鉆孔遇到特殊軟弱地質(zhì)，宜采用跟管鉆進成孔，鉆進一段后，孔內(nèi)下入保護管，在管內(nèi)繼續(xù)鉆孔。鉆孔設(shè)備不宜采用氣鉆。施工中曾想采用氣鉆鉆孔，屬于干鉆類型，結(jié)果鉆孔進度極小，鉆進3 m后卡鉆，不得不將氣鉆退場。

鉆孔位置與測量放樣位置的偏差A孔不大于6 m，B孔不大于3 m，C孔不大于1.5 m。正是由于GB 51180—2016《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》[18]，才使得孔口封閉工法能得以實現(xiàn)，同時如果孔位遇到障礙物，可以根據(jù)該規(guī)范避讓。

單孔注漿涉及到首段孔與第二段孔的偏差距離，一般不宜過大，常規(guī)做法一般是20～30 cm，第二段孔鉆進時，必須適當?shù)却锥慰椎臐{液凝結(jié)，一般為4～5 h。臨時封孔，可采用木塞。

鉆孔完成后，必須灌水洗孔，洗出沉渣。這一步非常關(guān)鍵，否則會造成孔道堵塞，必須邀請監(jiān)理工程師檢驗合格后，方可注漿。

3.2.3 澆筑孔口混凝土的關(guān)鍵技術(shù)

澆筑孔口混凝土是孔口封閉工法的核心，也是關(guān)鍵技術(shù)，混凝土的質(zhì)量直接影響注漿的效果，故必須保證鉆孔上部的蓋重。鉆孔檢驗合格后，及時插入注漿管，固定牢固后，及時澆筑孔口混凝土，一般是澆筑成40 cm寬的正方形，厚度不少于25 cm，強度不低于C25。由于孔口混凝土增加了上層孔的蓋重，才保證了注漿壓力[19]。因為孔口封閉工法的核心就是提高注漿壓力，進而保證注漿擴散半徑符合設(shè)計要求，以達到充填密實采空區(qū)的目的。如圖4所示。

圖4 孔口澆筑混凝土

3.2.4 孔口封閉工法注漿的關(guān)鍵技術(shù)

孔口封閉工法注漿的關(guān)鍵技術(shù)是注漿蓋重問題，就是說通過孔口混凝土和首段孔注漿聯(lián)合達到第二次注漿加大壓力后的必要蓋重要求。注漿仍然分首段孔和第二段孔，其中首段孔注漿特別關(guān)鍵，必須嚴格檢查配合比，嚴格攪拌時間，狠抓首段孔的攪拌及注漿質(zhì)量。

注漿時，必須嚴格控制注漿壓力，防止壓力過大造成地面隆起，這些問題在施工工地現(xiàn)場是經(jīng)常出現(xiàn)。鉆孔第二段孔注漿時，首段孔的漿液必須凝結(jié)，否則蓋重起不到相應的作用。正是因為第二次注漿造成了首段孔再次被注漿，保證了首段孔的重復注漿，才得以提高首段孔的質(zhì)量和治理效果。

關(guān)于注漿還有其他需要注意的問題。

1）孔口必須編號，可標注在注漿用的鋼管上，必須與鉆孔編號保持一致，首段孔與第二段孔的編號必須一致。

2）注漿需要合適的水泥和粉煤灰配合比，通過計算，可以在配合比牌上標注加水高度。

3）注漿添加材料必須注意抑塵，尤其是粉煤灰。

4）溫度過低，如果接近2℃，不得進行施工，因注漿管路較長較細，會引起管路破裂。

3.2.5 封孔的關(guān)鍵技術(shù)

封孔同樣也分首段孔和第二段孔。注漿結(jié)束后，必須立即進行封孔。封孔的關(guān)鍵技術(shù)主要是注漿壓力的控制[20]。注漿結(jié)束有3條標準。

1）孔口管壓力升至0.5 MPa以上，穩(wěn)定15 min。

2）孔口管壓力未升至0.5 MPa，但吃漿量小于70 L/min，且持續(xù)15 min。

3）地表溢漿、鉆孔串漿。

第二段孔注漿封孔時，最終壓力不超過2 MPa時，注漿壓力滿足設(shè)計要求。

封孔方法采取了擰死管口的開關(guān)按鈕，具體做法如下。

1）負責注漿巡視人員與攪拌機前的操作人員用對講機溝通，確保在設(shè)計關(guān)閉注漿系統(tǒng)注漿壓力值的要求下，注漿口周圍20～50 m范圍內(nèi)無冒漿、地面無隆起現(xiàn)象，隨后立即擰緊注漿管口的開關(guān)。

2）大約4～5 h后，管口不冒漿，證明漿液已經(jīng)凝固，即可拆除開關(guān)件，注漿任務(wù)完成。

4 注漿效果檢測分析

注漿效果檢測主要采用的是跟蹤試塊的質(zhì)量檢測。由于采空區(qū)采取的是加入粉煤灰的充填式注漿，而非固結(jié)灌漿，所以注漿強度要求不高，其目的是將采空區(qū)充填密實。關(guān)于注漿效果的檢測，采取跟隨注漿過程，制作注漿試塊，其尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7 mm，按程序交到阜新市工程質(zhì)量檢測有限公司檢驗。

施工過程中，制作了3組注漿試塊。根據(jù)委托實驗室的檢測報告，雙中心的注漿試塊符合設(shè)計強度要求的1.5 MPa，見表1。

表1 試塊強度值統(tǒng)計表

5 結(jié)論

通過對孔口封閉工法的關(guān)鍵技術(shù)應用分析和效果監(jiān)測分析，得到以下結(jié)論。

1）孔口封閉工法施工采取關(guān)鍵技術(shù)后，使該工法治理速度大大加快，效率更高，2個月治理2萬m2采空區(qū)，大大加快了治理工期，為后續(xù)建筑施工提供了必要條件，值得推廣。

2）提高了上部注漿段的施工質(zhì)量，有效保證了采空區(qū)治理的安全系數(shù)。

3）孔口封閉工法注漿技術(shù)尚存在著一些不足，如鉆孔機械不能隨意選擇、地面蓋重層因過量注漿引起隆起等問題，這些需要在以后的施工中總結(jié)經(jīng)驗，提出改進辦法。