水泥粘土浆灌浆技术在渠道采空区地质处理中的应用

刘国栋

（中国水利水电第二工程局有限公司，北京 100120）

南水北调鹤壁段第Ⅰ标段人工采空区分布于桩号Ⅳ148+850—Ⅳ154+000段，该段发现人工掏砂竖井口60余处，人工采空区洞径一般为1.5～2.0 m，局部达4 m，砂洞长度可达百余米，人工采空区延伸方向多为西北东南向，且分布有支洞。

经过调查采空区为2000年左右当地村民掏砂形成，采空区埋深及直径与砂层分布有关，采空区走向一般沿砂层分布方向延伸、规律不明显，人为因数较强；为保证渠道的正常施工及后续运行安全主工程质量，在采空区灌浆处理正式施工前，进行采空区水泥粘土浆灌浆试验，通过试验的成果来指导采空区全段灌浆施工。

1 灌浆施工

1.1 材料要求

1）水泥：考虑到采空区及含砂层的可灌性和回填体的密实性，选用细度为通过80 μm方孔筛的筛余量小于5%要求的P.O42.5R普通硅酸盐水泥。

2）粘土：塑性指数 Ip＞15，粘粒（粒径小于0.005 mm）含量不小于40%、粉粒（粒径0.005～0.05 mm）含量不多于50%、含砂量（0.05～0.25 mm）不大于5%及有机物含量不大于3%的合格土料。

3）外加剂：粘土固化剂，用于改善灌浆材料的强度及流体性能。

4）水：地下水，水质符合水工混凝土拌制的要求。

1.2 浆液配合比设计及试验

1.2.1 浆液配合比设计

施工前水泥∶粘土∶水的不同比例组合设计出了5种配合比，水泥粘土浆参考配合比见表1。

表1 水泥粘土浆参考配合比

1.2.2 灌浆试验

采空区水泥粘土浆灌浆施工在已开挖到位的武庄沟倒虹吸已探明的采空区武0-024—武0+128段进行，分成A，B，C，D，E等5个单元区域。为确保工程施工质量，结合现场实际情况，决定在A单元和D单元进行灌浆试验，以确定满足工程施工的最优配合比方案。

A单元和D单元灌浆结束28 d后，采用开挖检查法检查灌浆固结情况，同时对结石体取样进行室内抗压强度检测。试验结果见表2所示。

1）A单元灌注浆材配合比为 1∶6∶7，固化剂掺量为15%，浆液中水泥含量为14%，可灌性好，开挖后发现浆材与采空区洞壁结合良好，无脱空现象，现场取浆材结石体，经对结石体抗压强度检测，28 d抗压强度值为0.47 MPa，不满足设计浆液结石体强度要达到1～2 MPa的要求。

2）D单元采空区灌注浆材配合比为1∶2∶3，固化剂掺量为10%，水泥含量33%，浆液可灌性较好，开挖发现浆材与采空区洞体结合良好，无脱空情况，现场取浆材结石体，于工地试验室进行结石体抗压强度检测，28 d抗压强度值为1.3～1.6 MPa，满足设计浆液结石体强度为1～2 MPa的要求。

表2 水泥粘土浆取样试块抗压强度检测值

经灌浆试验和对试验数据分析及现场结合体完整情况检查，确定出适合该工程的最优施工配合比，用于全段工程灌浆处理施工。具体配合比参数见表3。

表3 采空区水泥粘土浆灌浆及灌浆探查最优施工配合比

1.3 主要施工方法

根据试验确定的最优配合比，对A，B，C，D，E共5个单元进行全段灌浆处理施工。除E单元跨距为24 m外，其它4个单元跨距均为32 m，灌浆孔分两序进行，首先施工Ⅰ序孔，孔距按8 m布置，Ⅰ序孔施工完成后，在揭露有采空区部位或灌浆量大的地段再施工Ⅱ序孔，孔距按4 m布置，于Ⅰ序孔之间进行Ⅱ序孔施工，以确保采空区充填密实。

1.3.1 施工工艺流程

采空区水泥粘土浆灌浆处理施工工艺流程：测量定位→钻孔→PVC注浆管安装→注浆→压力灌浆封孔。

1.3.2 施工步骤

1）测量定位。沿采空区走向中心线位置进行Ⅰ序孔布设，孔距按8 m进行控制，Ⅰ序孔施工完成后；在揭露有采空区部位或灌浆量大的部位再布设Ⅱ序孔，孔距按4 m进行控制，布设于两个Ⅰ序孔之间。

2）钻孔。采用HGY-100Q液压潜孔钻机跟管钻进，孔径不小于110 mm，采空区处理钻孔深度以洞底高程为界，直接贯穿整个采空区；不能钻到采空区的，按照地质资料，钻透含砂层并深入砂层以下1 m为界。

3）PVC注浆管安装。在钻孔完毕后，立即进行PVC灌浆管的下管安装，安装过程中，注意土料等杂物掉入其中，注浆管口要求高出地面100～200 mm并进行土工布封口保护。

4）注浆采用JZ-400水泥制浆机和NTJ-I型泥浆制浆机组合制浆，低速搅拌机储浆后输往。注浆点。注浆施工时，灌浆压力不小于0.5 MPa，采用分序注浆方式，先灌注钻到采空区的钻孔，再灌注没有钻到采空区的钻孔；注浆时先两端后中部，多层采空区时先下层后上层，灌浆生产性试验采用自下而上，静压注浆法施工。

注浆结束标准为：已探明采空区灌浆在规定压力下，当注入率小于10 L/min时，继续10 min后结束灌浆，或地面冒浆但不回落时结束灌浆。

钻孔未探明的采空区灌浆在规定压力下，当注入率小于10 L/min时，继续10 min后结束灌浆。

5）压力灌浆封孔。钻孔注浆完毕后，采用较高强度的浆液将钻孔时扰动的部位进行压密、注浆封孔处理。

2 数据分析

灌浆处理施工分5个施工单元，Ⅰ序孔共施工钻孔76个，其中16个孔钻到采空区，占I序孔孔数的21%，I序孔灌浆时，发现有9个没钻到采空区的钻孔灌入量比平均灌入量明显偏大（单位灌入量大于100 L/m）的疑似采空区的钻孔，即以疑似采空区钻孔和已经钻到采空区的钻孔为中心，在其周围按1～4 m间距“十”字型布孔，进一步探明该部位采空区的具体走向和大致轮廓，共在I序孔灌入量较大的9个钻孔周边布孔，其中探测到采空区的有7个，占77.8%，Ⅱ序孔共施工钻孔208个；具体采空区分布情况见表4，采空区灌浆工程量见表5。

表4 武庄沟底板采空区分布情况表

根据现场试验确定的最优配合比进行全段灌浆施工，经过现场局部开挖检查，灌浆密实度和灌浆结石体强度均满足设计要求，灌浆处理效果好，达到了预期目的。

3 结语

1）通过试验施工确定满足现场地质条件的最优施工配合比，是保证工程施工质量和地质缺陷处理的先决条件。通过现场开挖检查灌浆效果及浆材结石体抗压强度检测结果表明，采空区水泥粘土浆灌浆施工工艺满足南水北调工程及设计技术要求。

表5 采空区灌浆工程量

2）采用水泥粘土浆进行采空区灌浆处理施工工艺，其具有安全可靠、操作简单、方便的有效办法，其结石率高、收缩率小、处理效果好。灌浆材料与采空区洞壁结合良好并能充填密实，无脱空现象，有效提高采空区基础的力学强度和承载力。

3）水泥粘土浆可就地取材，塑性强度及结石率很高，与水泥浆相比更具有节约成本，降低工程成本的优势，值得在类似处理不良地质条件工程中广泛应用。

[1]河南省水利勘测设计研究有限公司.南水北调中线一期工程总干渠施工阶段鹤壁Ⅰ标采空区处理设计变更报告[R].