覃周東　趙承偉　張大斌

摘要：文章依托某高速公路工程實(shí)例，介紹在其下伏采空區(qū)注漿施工中，采用水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS）新型速凝型作為注漿材料，明確了漿液擴(kuò)散半徑、注漿量及注漿壓力，并提出合理的施工工藝對(duì)其下伏采空區(qū)進(jìn)行處治。通過采用大地電磁層析法對(duì)其處治效果進(jìn)行檢驗(yàn)，證明該高速公路下伏采空區(qū)注漿施工取得了良好的加固效果。

關(guān)鍵詞：高速公路；下伏采空區(qū)；注漿；施工技術(shù)

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各種礦產(chǎn)資源的開采不斷加大，伴隨而生的采空區(qū)也越來越多。在高速公路建設(shè)中，采空區(qū)治理成為一個(gè)不可避免的難題，直接關(guān)系到高速公路的安全運(yùn)營(yíng)。目前水泥和粉煤灰為主要材料的充填注漿法是最常用的采空區(qū)加固方法［1］。但是，這種方法仍存在一些問題，如傳統(tǒng)注漿材料靜水抗離析性和動(dòng)水抗分散性不佳等?；诖?，本文以某高速公路K99+620～K100+150路段下伏采空區(qū)治理工程為依托，圍繞下伏采空區(qū)注漿關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行研究，形成了治理下伏采空區(qū)的成套施工技術(shù)，為該高速公路下伏采空區(qū)的治理提供技術(shù)支持，同時(shí)也為其他類似采空區(qū)的處治提供參考。

1 工程概況

某高速公路K99+620～K100+150路段經(jīng)過煤礦采空區(qū)，該煤礦煤層開采深度淺，僅為20～100 m。該采空區(qū)的下部煤層已經(jīng)全部被開采完畢，留下了大面積的采空空間，導(dǎo)致覆蓋采空區(qū)的上部巖土體的穩(wěn)定性變差，使地表和頂板容易坍塌。該路段地面標(biāo)高為55 m，地形以沖積平原為主，含煤底層多數(shù)已被沖洪積層所覆蓋，地表為耕地，地貌較為單一。該路段所處采空區(qū)由于隱伏空洞分布比較散亂，且地層巖土破碎程度高，不適宜采用填充粗骨料的處治方式，因此本工程采用注漿工藝對(duì)該下伏采空區(qū)進(jìn)行處治。

2 高速公路下伏采空區(qū)注漿關(guān)鍵技術(shù)

2.1 注漿材料

水泥漿液在處治公路下伏采空區(qū)時(shí)是最主要的注漿材料。傳統(tǒng)的水泥類材料存在一些缺點(diǎn)，如凝膠時(shí)間長(zhǎng)、前期注漿強(qiáng)度不足等問題，而化學(xué)或高分子類材料則成本高、易污染，不能長(zhǎng)期保證加固安全［2］。為此，本工程采用一種新型速凝型注漿材料——水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS），該材料具有良好的靜水抗離析和動(dòng)水抗分散性能，可以有效避免傳統(tǒng)水泥材料的缺點(diǎn)。為防止?jié){液流失，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，可實(shí)時(shí)調(diào)整漿液配合比。本工程所采用的水泥粉煤灰改性水玻璃配合比通過實(shí)驗(yàn)室確定為m水∶mEG∶mAA∶ms=1∶0.02∶0.03∶2，水固比確定為1.0∶1.0，mC∶mFA=40%∶60%，V（C+FA）∶VMS=1.0∶0.4，流動(dòng)性為380 mm，初凝與終凝時(shí)時(shí)間分別為48 s與9.67 min，7 d抗壓強(qiáng)度值為2.68 MPa。

本工程采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5級(jí)作為混凝土主要原材料，且所使用的水滿足混凝土拌制要求，pH值＞4。對(duì)于粉煤灰的選擇符合《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-230-2006）中對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰的要求。此外，本項(xiàng)目還使用了30°～40°Be模數(shù)的水玻璃與模度為2.4～3.0的乙二酸與乙二醇。

2.2 漿液擴(kuò)散半徑的確定

本工程在注漿管壁上采用梅花形鉆孔進(jìn)行注漿，漿液會(huì)從注漿管中流出，呈柱狀擴(kuò)散在土體中。需要計(jì)算出漿液擴(kuò)散半徑r1及注漿孔孔距y，以取得合適的注漿效果。針對(duì)此需要，可以使用式（1）和式（2）計(jì)算求得。

式中：h1——注漿壓力水頭（m）；

t——注漿時(shí)間（min）；

k——滲透系數(shù)，取值為6.2×10-2～1.8×10-1 cm/s；

n——孔隙率，取值為0.4～0.5；

β——漿液黏度與水黏度之比，取值為0.48～0.64；

r0——灌漿管半徑，本工程為7.5 cm；

b——相鄰注漿孔內(nèi)漿液擴(kuò)散相交厚度，為b=r1；

y——注漿孔孔距。

本工程各參數(shù)取值為h1=110 m，t=200 min=12 000 s，k=2.25×10-2 cm/s，n=0.45，β=0.56，r0=7.5 cm，根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得出注漿孔孔距y為12.5 m，漿液擴(kuò)散半徑r1為7.2 m，邊緣孔間距為7.14 m。本工程下伏采空區(qū)左右最外側(cè)邊緣孔，注漿孔以高速公路軸線為中心，從兩側(cè)呈梅花型分布，具體如圖1所示。

2.3 注漿量與注漿壓力的確定

注漿量的確定與巖土體孔隙率、注漿滲透半徑及注漿方式等多種因素相關(guān)，注漿滲透半徑內(nèi)加固區(qū)域的孔隙充填程度越高，則代表注漿效果越好［3］。單位時(shí)間內(nèi)注漿總用量Q的確定可以通過式（3）求得。

Q=π²₁L·n·λ（3）

式中：λ——漿體損失系數(shù)，取值為1.1～1.2；

n——孔隙率，取值為0.4～0.5；

L——柱狀注漿長(zhǎng)度，取值為6 m。

通過式（3）計(jì)算得出本工程單孔注漿總用量為5.05 m3，具體可根據(jù)下伏采空區(qū)地下情況及深度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

注漿壓力和漿液特性、下伏采空區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)等相關(guān)，一般取值為1.0～1.5 MPa，可以采用試注來確定。該工程所采用的漿液結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度＞0.8 MPa，其填充率需達(dá)到80%～85%，計(jì)劃采用20 min間隔內(nèi)單位時(shí)間注漿量＜50 L/min，其注漿壓力＜2.0 MPa，穩(wěn)定15 min即可終止注漿。

2.4 施工工藝

選擇注漿方法需要考慮漿液凝膠時(shí)間與巖土體類型等因素［4］。在雙液化學(xué)注漿中，漿液凝膠時(shí)間＞5 min時(shí)可選單槍注漿；凝膠時(shí)間為2～5 min時(shí)可選1.5槍注漿；凝膠時(shí)間＜2 min時(shí)，采用雙槍注漿。由于本工程凝膠時(shí)間較短，采用雙槍注漿方式，即將水泥－粉煤灰漿液A和改性水玻璃B液一起泵入孔底混合。具體注漿流程參見圖2。

在注漿過程中，為確保注漿質(zhì)量，必須遵循“少量多次”的原則。混合水泥、粉煤灰和改性水玻璃（C-FA-MS）后，應(yīng)立即進(jìn)行注漿工作，以避免空氣進(jìn)入漿液中，對(duì)注漿質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)，需要密切觀察漿液的填充效果和擴(kuò)散半徑，并隨時(shí)根據(jù)情況調(diào)整注漿壓力和方法。在注漿前，必須進(jìn)行清理，可使用稀釋的水泥漿進(jìn)行沖洗。但清理時(shí)間不應(yīng)過長(zhǎng)，一般在5～10 min完成，同時(shí)需注意防止漏水情況。注漿泵和攪拌池的具體數(shù)值需在注漿前進(jìn)行測(cè)量，并隔一段時(shí)間進(jìn)行重復(fù)測(cè)量以保證漿液精準(zhǔn)度。配合采空區(qū)特點(diǎn)、施工現(xiàn)場(chǎng)情況和工程目的等，注漿漿液的配比需要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，如水固比取1∶1～1∶1.3，水泥占固相的15%～30%。除了在注漿前對(duì)具體數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，隔段時(shí)間需進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確保注漿液質(zhì)量，保障加固效果。

施工人員在注漿作業(yè)期間，應(yīng)密切觀察注漿泵的吸漿量，并記錄所施加的泵壓力，以及注意觀測(cè)注漿過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，并及時(shí)調(diào)整注漿濃度。如果吸漿量變化明顯，則需要及時(shí)調(diào)整漿液濃度。為保證注入的漿液能夠充分沉淀并固結(jié)，間歇式注漿法的施工方式更為理想，最好待漿液水化及過濾后再進(jìn)行第二次注漿，以確保注漿的固結(jié)質(zhì)量。在注漿過程中，需要適時(shí)調(diào)整漿液濃度，遵循“先稀后濃”的原則，以有效控制注漿過程并根據(jù)吸漿量的變化進(jìn)行濃度調(diào)整。若吸漿量未明顯變化，一般可按2 h為界限增加漿液濃度。

如果鉆孔所在的空洞較大或是周圍與空隙相連通，那么注漿應(yīng)該采用雙液注漿方式，而不是加入速凝劑來制作單液漿。使用雙液漿能夠快速形成初次凝固物質(zhì)，在鉆孔周圍形成堅(jiān)實(shí)的固結(jié)體，以阻止?jié){液的流失。此外，注入多孔性速凝漿料可以形成持久的、連續(xù)的阻擋漿液滲漏的物質(zhì)屏障，真正實(shí)現(xiàn)迅速密封的目的。

如路基下發(fā)現(xiàn)較大范圍的采空區(qū)，可以利用注入骨料和采用旋噴固結(jié)技術(shù)的方法來充填空隙［5］。通過這種特殊的工藝，可以在采空區(qū)內(nèi)形成堅(jiān)固的柱狀支撐體，從而有效提高對(duì)覆巖層的支撐能力，保持路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在多個(gè)支撐體形成后，可以使用混合漿液來填充剩余的空間。在施工之前，需經(jīng)過相關(guān)設(shè)計(jì)、監(jiān)理和建設(shè)單位的同意，且鉆孔孔徑相對(duì)于普通注漿孔要增加兩級(jí)。

3 加固效果評(píng)價(jià)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方案

根據(jù)地質(zhì)條件和探測(cè)目的，采用了大地電磁層析法進(jìn)行探測(cè)。在大地電磁探測(cè)中，共有305個(gè)電分量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均有20個(gè)頻點(diǎn)，分布在5條電分量剖面上，編號(hào)依次為1～5，水平距離依次為12.3 m、13.3 m、13.1 m、12.8 m，探測(cè)區(qū)域的寬度約為51 m。所有剖面的點(diǎn)距均為5 m。5條電分量剖面分布在路基中間隔離帶、路基上方兩側(cè)邊沿及路基兩側(cè)底部。

3.2 檢測(cè)結(jié)果分析

大地電磁探測(cè)剖面的編號(hào)為1～5號(hào)剖面，按照由北向南的順序排列。在剖面探測(cè)中，記錄了電磁場(chǎng)的電分量數(shù)據(jù)，并通過軟件處理轉(zhuǎn)化為層析圖。剖面1、2探測(cè)情況具體如圖3～6所示。

對(duì)圖3剖面1曲線進(jìn)行分析可以看出，在不同頻率探測(cè)下，曲線形態(tài)相似，與淺層探測(cè)曲線接近，沒有明顯的異常情況。從圖4剖面1層析圖中可以看出，0號(hào)～20號(hào)測(cè)點(diǎn)電阻率數(shù)值由西向東呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，這是由于該方向在探測(cè)時(shí)仍在施工，導(dǎo)致電場(chǎng)干擾所致。在具體測(cè)點(diǎn)處電阻率橫向與縱向均未發(fā)生異常情況。綜合判斷，在探測(cè)剖面1中未發(fā)現(xiàn)明顯異常低值的情況，100 m深度未見大型空洞，證明此次注漿效果較好。

對(duì)圖5剖面2曲線進(jìn)行分析可看出，在不同的探測(cè)頻率下，各點(diǎn)曲線形態(tài)接近，與淺部探測(cè)曲線也相似，沒有明顯的異常情況。15號(hào)測(cè)點(diǎn)處曲線較為松散，這說明該測(cè)點(diǎn)處存在底層漸變的情況，但是曲線向下有較大的延伸，因此并不屬于空洞情形。從圖6剖面2層析圖可以看到，剖面2與剖面1的圖像特征、形態(tài)基本一致，在具體測(cè)點(diǎn)處電阻率橫向與縱向均未發(fā)生異常情況。綜合判斷，在探測(cè)剖面2中未發(fā)現(xiàn)明顯異常低值的情況，100 m深度未見大型空洞，證明此次注漿效果較好。

[JP1]對(duì)余下的剖面3、剖面4、剖面5的電分量曲線圖與電分量層析圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)各探測(cè)頻率的曲線形態(tài)基本相近，與淺部探測(cè)曲線也非常相似，且并未出現(xiàn)顯著的低值異常。基于與剖面1、剖面2一致，具體測(cè)點(diǎn)處電阻率橫向與縱向均未發(fā)生異常情況。綜合判斷，在探測(cè)剖面3、剖面4、剖面5中未發(fā)現(xiàn)明顯異常低值的情況，100 m深度未見大型空洞，證明此次注漿效果較好。

4 結(jié)語

本文依托工程實(shí)踐對(duì)高速公路下伏采空區(qū)注漿關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與研究，采用水泥粉煤灰改性水玻璃（C-FA-MS）新型速凝型作為注漿材料，明確漿液擴(kuò)散半徑、注漿量及注漿壓力，通過科學(xué)、合理的施工工藝對(duì)該采空區(qū)進(jìn)行加固處治。待加固處治完畢后，為檢驗(yàn)加固效果，利用大地電磁層析法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，其探測(cè)結(jié)果表明地下100 m深度內(nèi)未出現(xiàn)采空區(qū)形成的空洞異常，表明注漿方式填充效果較好，達(dá)到預(yù)期加固目的。

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作者簡(jiǎn)介：覃周東（1985—），工程師，主要從事高速路監(jiān)理工作。