风积沙高速公路下伏采空区注浆投沙技术研究

黄俊文,张 恒,陈寿根

(1.榆神高速公路有限公司,陕西 榆林 719000;2.西南交通大学,四川 成都 610031)

1 实例工程概况

陕西省省道 204榆神高速公路位于陕西省北部地区,起点为榆阳区小纪汉,终点为神木县半切墩,路线全长约 105 km[1]。榆神高速公路是联系晋、陕、蒙三省区的一条重要通道。高速公路沿途经过 13个煤矿采空区,其中对路线有影响的有 5个,分别为东风煤矿、讨老乌素煤矿、瑶渠煤矿、枣稍沟煤矿和前阳湾煤矿采空区,采空区总空洞体积达1029422m3。采空区的存在对榆神高速公路的施工和运营构成了潜在的威胁,如何处理好采空区问题是保证本工程成功的关键。经过分析研究和专家论证,最终决定对讨老乌素煤矿、瑶渠煤矿、枣稍沟煤矿三个煤矿采空区进行填充处理,需填充的空洞体积达 730000m3。而对东风煤矿和前阳湾煤矿两个煤矿采空区暂不处理,而是在运营过程中加强公路的维护和修补处理。

高速公路所处地区风积沙非常丰富,采用风积沙填充高速公路下伏采空区便成为一种潜在的具有巨大经济社会效益和环保效益的采空区处治方法。然而,目前采用风积沙填充高速公路下伏采空区的实例非常少,严重缺乏可借鉴的经验,采用风积沙充填采空区的处治技术还很不成熟,特别是采用何种方式将风积沙输入采空区且能保证填充质量在国内外研究中处于空白。

本研究以榆神高速公路下伏采空区治理为工程依托,在大量调研相关研究的基础上,采用现场试验和现场测试等手段对风积沙高速公路下伏采空区注浆投沙技术进行了研究,完善了风积沙高速公路下伏采空区注浆投沙技术。

2 采空区治理国内外研究现状

采空区将引起地表连续或非连续性变形,对高速公路的危害主要有如下几个方式:采空区的失稳冒落,使地表剧烈变形,产生陷坑、台阶等;路基沉陷,造成路基、路面局部开裂,使承载力下降,使用条件降低,或造成路面低洼积水破坏;倾斜使坡度发生变化,导致行驶车辆重心偏移,在弯道处最易发生事故;水平变形和曲率使路面受拉伸开裂、受压缩隆起,使路面发生波浪起伏及路面与路基间的局部离层。

有关采空区治理研究,主要是在煤炭、冶金、军事和交通等部门进行,如波兰、前苏联、英国和中国等主要产煤国家,从 20世纪50年代开始就对“三下”采煤技术进行了详细研究;同时,对采空区地表构筑物保护和防治技术也进行了大量试验研究[2-5],积累了宝贵的经验。但针对高速公路下伏采空区问题的研究报道甚少,且往往是经验介绍,尚未形成成熟的理论及工程设计体系,无规范规程可循,国际上也鲜有此类工程报道。总结起来,高速公路下伏采空区治理主要有以下 6种[6-11]:

(1)全部充填采空区支撑覆岩,以彻底消除地基沉陷隐患,采用注浆充填、水力充填和风力充填等。其中,以注浆法应用最广泛、效果最好;

(2)局部支撑覆岩或地面构筑物,减小采空区空间跨度,防止顶板的垮落。常用的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法等;

(3)注浆加固和强化采空区围岩结构,充填覆岩断裂带、弯曲带、岩土体离层和裂缝,使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构,有效抵抗老采空区塌陷的向上发展,使地表只产生相对均衡的沉陷,以保证地表构筑物的安全;

(4)采取措施释放老采空区的沉降潜力法,在采空区地表未利用前,采取强制措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程,消除对地表安全有较大威胁的地下空洞,在沉陷基本稳定后再开发利用地表土地。常用方法有堆载预压法、高能级强夯法和水诱导沉降法等;

(5)对于跨度较小的采空区可采用修建桥梁跨越采空区;

(6)对公路,也可采取绕避方案或修筑过渡路段或营运后的维护维修方案。

表1为近年国内已建高速公路下伏采空区治理方法[12～14],可以看出,目前高速公路下伏采空区治理主要以注浆充填法为主,注浆材料以水泥粉煤灰浆液为主。

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榆神高速公路下伏采空区治理范围大,需填充的空洞体积达 730000m3,若采用常用的水泥粉煤灰浆液充填,其治理成本非常高。高速公路所处地区存在大量的天然风积沙,风积沙的利用将能大大降低采空区充填成本,同时,减少对环境的破坏。

3 注浆投沙工艺

由于采空区已废置多年,不能进入采空区,只能采用地表钻孔注浆的方式充填采空区。采空区治理范围周边先施工帷幕孔形成浆液阻隔墙,孔距 15m;浆液阻隔墙内施工注浆孔,采用梅花型布置,孔距 20m。填充材料以风积沙为主,采用以水泥粉煤灰浆液带动风积沙的方式将风积沙输送到采空区。施工步骤包括地表钻孔、制浆、注浆投沙、压浆、封孔等。

3.1 钻孔

钻孔首先按设计对钻孔进行定点,钻孔使用全站仪按设计孔位进行实地放样,然后进行钻孔取芯。钻孔采用146mm复合钻头开孔,钻至稳定基岩下 3～5m处时下130mm套管,然后变径89mm,继续钻至采空区中的塌陷冒落带或采空区顶板。上覆土层为细沙、粘土或粉质黏土等,其自稳性差,需安装护壁管进行护孔,防止钻孔塌陷。钻杆与钻杆之间用丝扣联接。钻孔过程中,如发现漏水、掉钻、埋钻等现象,需详细记录深度、层位和耗水量等,并根据岩芯质量判断冒落带、裂隙带等。

3.2 制浆

制浆在制浆站完成,为提高制浆质量,采用两级搅拌池进行注浆。一级搅拌池为两个搅拌池,分别对水和水泥、水和粉煤灰进行搅拌,然后将一级搅拌池的浆液输入到二级搅拌中进行再搅拌。在一级搅拌过程中,由于粉煤灰存在杂质多、颗粒大(粒径 0.5～3cm含量约为 30%,最大粒径达 30cm以上),达不到设计要求,采取了两方面措施进行处理:①利用铲车压碎较大粉煤灰块。②利用 LSY-200螺旋输送机漏斗上方的金属格栅进行筛分,使大颗粒粉煤灰不能进入搅拌池。

浆液的材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂及粗骨料(风积沙)等组成。水/水泥粉煤灰配合比为:1∶1～1∶1.2,水泥/粉煤灰配合比为:帷幕孔 4∶6,注浆孔 2∶8。风积沙占总浆量的 50%。

3.3 注浆投砂

图1 投沙器

注浆投沙是整个施工中的最重要环节,其关键是投沙器的设计和投沙方法。

3.3.1 投沙器的设计

为了使注浆投沙具有可操作性,设计了用于投沙的投沙器,见图 1所示。投沙器由投沙漏斗、出气口、注浆管接口、注浆孔接口四部分组成,投沙漏斗是便于风积沙的顺利投入。投沙器上部口径为 110mm,下部深入基岩孔内,口径为 76mm,比注浆孔基岩下部孔径 89mm小。

3.3.2 注浆投沙步骤

安装好投沙器,准备投沙。先把注浆管与投沙器的注浆管接口连接好,钢管与注浆管口之间采用高压钢丝管进行连接。先通浆,待浆液稳定后,用铲车将风积沙堆积在投沙口上方进行投沙,风积沙随着浆液并靠自重及孔内的负压投入采空区中。当风积沙显堵塞状时,采用木棒在孔口通沙,风积沙在孔内负压作用下继续投入。

在投沙过程中,严禁较大石块进入投沙器以及在未注浆情况下进行投沙;可用铲车把风积沙直接堆在孔口上方,方便人工投沙,减少人工劳动量;采用间歇式注浆方法,注浆量和投沙总量一般达到两百方左右的时候间歇一次,当停止注浆时要通清水进行洗管,避免浆液在管内凝固;注浆投沙孔的顺序为先边界孔(形成帷幕)后中间孔,并结合钻孔资料,从低水位孔到高水位孔进行注浆。

3.4 压浆和封孔

结合单孔注浆量设计要求和现场其他周边孔注浆量的结果,一般当浆液从孔口开始冒浆时作为投沙结束的标准,投沙结束后取下投沙器、拔出护壁导管、下法兰盘、安装压浆管进行压浆。

(1)焊接法兰盘。压浆管为76mm的钢管,下端 1m左右处焊接130mm法兰盘,法兰盘的作用主要是将法兰盘卡在变径处,同时防止浆液上串。

(2)安装压浆管。将带有130mm法兰盘的注浆管插入孔内变径处,孔内放入少量黄土(图 2),防止浆液大量渗出。灌入水灰比为 1∶1.5的水泥砂浆,水泥砂浆液中加入水泥重量2%速凝剂,浇筑长度约8m。

(3)压浆。当周边孔投沙完成后才进行压浆,防止压浆浆液跑到其他未投沙注浆的孔洞。

(4)压浆管安装好后,一般要隔 1～2 d,压浆管凝结好后才开始压浆。在孔口上方安装压力表进行注浆监控。当注浆压力达到 1.2MPa左右(根据埋深、空隙等实际情况压力可在1～3MPa之间),同时泵量70～100 L/min和维持时间10～15 min时,结束压浆。压浆结束要通清水进行洗管,避免浆液在管内凝固。

压浆时应注意:(1)浆液应从稀浆(1∶1～1∶1.2)、低流量(≤90 L/min)开始,当浆液孔口压力≤0.6MPa时,可逐渐加大流量;(2)当孔口压力 >1.0MPa时,要降低流量,并用稠浆(1∶1.3～ 1∶1.4);(3)当单孔注浆量较大,需要加速凝剂(1% ～5%)。当孔口压力≤0.6MPa、注浆量≥90 L/min时,采用间歇式注浆,间歇时间≥12 h;(4)间歇后的注浆,不得采用稀浆;(5)对于地面冒浆孔,间歇次数不得超过三次,当第三次注浆又发生冒浆时,终止压浆。

图2 投沙后压浆

为防止地表水随着注浆孔流入到采空区内,当压浆完成后,拔出压浆管,对注浆孔用混凝土进行封孔。

4 注浆投沙结果分析及质量评定

以上注浆投沙工艺被应用到榆神高速公路下伏采空区的现场试验中,其注浆投沙技术和工艺得到不断改进和完善,取得了较好的注浆投沙效果。在讨老乌素煤矿采空区投沙注浆推广应用,结果最高投沙率达 75%,最低投沙率为31%,平均投沙率为 50.2%左右。

本采空区风积沙填充质量评定与检测工作主要参照《京福高速公路徐州绕城西段煤矿采空区处治工程质量检验评定办法和标准》(试行)进行,检测项目和标准列于表2中。本研究采用表2中的标准对三个采空区进行了详细的质量检测和评定,三个采空区质量处理评定结果均合格。

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5 结 论

本研究结合榆神高速公路下伏采空区治理为工程背景,采用现场试验,开发了风积沙高速公路下伏采空区注浆投沙技术,填补了本领域的国内外研究空白。通过现场推广应用,其应用效果非常显著,平均投沙率为 50.2%左右,大大降低了采空区整治成本,减少了对环境的破坏,具有显著的社会经济和环境效益。

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