高速公路下采空区充填治理与稳定性探究

贾 立

(山西省交通新技术发展有限公司， 山西 太原 030002)

0 引言

目前我国公路建设发展迅速，在高速公路建设的过程中，会遇到地下资源开采过程中留下的采空区，如果绕开这些采空区又没有更加合理的方案。这些采空区是在矿体采出后留下的，因此打破了地下原岩应力平衡，高速公路在这样的采空区上方，就会出现扭曲、变形，甚至在某些特殊情况下，还有可能出现塌陷，这使得高速公路存在着巨大的安全隐患。因此，运用充填法进行采空区治理能够有效地对采空区进行改善，从而减少高速公路上因工程问题留下的安全隐患。

1 高速公路下采空区的充填机理

高速公路下的采空区是因为矿体的采出而导致的，采空区内围岩会失去平衡，开始出现各种各样的裂纹，最终从表面扩大到围岩内部，再进一步发展就会导致采空区中的石块继续位移，蔓延到地面就会形成大的塌陷，这将会对高速公路以及周边相关的建筑来说造成巨大的危害，对于公路的行驶也是很大的安全隐患。因此，对采空区进行填充，目的并不是对已经发生的破坏进行修复，而是对以后可能造成的塌陷进行控制，避免其进一步发展，要想达到这一目的，主要就是通过填充体支撑以及地质深部自身存在的稳定母岩共同作用，防止围岩的破坏加剧。

采空区的填充工艺到目前为止发展历程经历了三个阶段，第一个阶段是干式充填阶段，干式填充相对于其他填充工艺而言，成本较低，但由于属于干式填充材料密度较低，因此填充效率相对也不高，对于采空区的治理效果有限。第二个阶段则是水砂混合充填阶段，水砂混合充填对填料的强度和化学性质等要求较高，因此输送相对方便，充填效率也比较高。第三个阶段是胶结膏体充填阶段，这种充填方法是效率相对最高的一种方法，但由于骨料、胶凝材料质量较好，因此相比于其他充填工艺，这种工艺成本较高。除此之外，随着科技和工艺的迅速发展，目前也有各种新型充填膏体陆续研发，新型膏体既能够起到相同的充填效果，又能够相应地降低成本，因此在实际应用中也越来越受关注。

2 高速公路下采空区充填治理工艺

2.1 钻孔工艺的应用

对高速公路的采空区进行充填治理，首先需要进行钻孔，通过对实地进行考察，确定巷道的具体方位，并将其作为钻孔的位置，同时，需要在保证较大的孔间距的同时，进行均匀布孔。而在设置边缘帷幕孔时，需注意要尽量控制为较小的孔间距，防止浆液流失。在布孔的过程中一定要结合具体情况灵活安排，在不同的环境、地质和位置下，都存在着一定的差异，可以采用前后交错布孔的方法等等。尽量避免出现浆液扩散不均匀或者吸浆量不均匀等情况的发生，因此，在时间安排上，边缘布孔应该优先安排，能够通过形成止浆帷幕来阻止浆液流失。

钻孔施工也是整个工艺过程中十分重要的一环，可以使用回转方式钻进，但在实际操作时，需要注意操作，尽量不要对钻孔进行冲击，否则就有可能会导致该地区出现坍塌现象。灌浆之前，钻孔施工都需要采用清水钻孔的方式，防止灌浆出现其他的意外，最终效果较差；在灌浆的整个过程中，对于孔口和孔壁都要做好相应的维护，使灌浆过程能够顺利进行。对于钻孔施工过程中出现的任何问题，比如掉钻、漏水等，应引起足够的重视，做好记录，立即采取相关措施处理好可能出现的问题，钻孔的所有步骤都需要按照规范操作进行，并与监理工程师做好沟通，把握好孔深以及相关指标的验收。

2.2 注浆工艺的应用

高速公路采空区充填治理中，注浆填充的效果较好，目前应用也比较广泛，其施工工艺比较简单，与其他工艺相比成本也相对比较合理。主要采用水泥粉煤灰混合浆液为主要填充材料，比较环保，施工的过程中也不需要专门的大型器械，工艺也相对简单，因此应用比较广泛。

注浆工艺在对高速公路下的采空区充填中起着极为重要的作用，能够显著提升高速公路的建设质量，在进行注浆工艺时，首先需要计算浆液配比，保证其合理性，结合实地情况选择水泥粉煤灰浆与水泥砂浆等作为主要注浆材料，然后适量添加水玻璃作为凝剂，注浆材料配比合理才能够真正地保证注浆的效果较好，为注浆工艺奠定良好的基础。

在灌浆开始之前，需要对孔壁进行简易压水试验，并冲洗干净，同时还需要对行单孔吸浆量进行确定，在一切准备工作都进行完毕并确保无误后，才能开始灌浆工艺。灌浆时，首先采用的是稀浆灌浆，在灌入一定量的稀浆后，再使用浓浆，最后一步再使用稀浆作为结束。整个灌浆过程都需要注意严格把握灌浆工艺的规范，首先原材料的质量必须符合灌浆工艺的要求，要做好原材料质量的检验；其次，在灌浆开始之前，要确定好灌浆的数量，对浆液的缩水系数、缩水速度等都做好严格的试验检验工作；在灌浆过程中，应当对施工工艺也进行检查，确保施工的质量。具体工艺流程见图1。

图1 钻孔注浆充填工艺流程图

3 高速公路下采空区稳定性影响因素

3.1 地质因素对采空区稳定性的影响

地质构造对于高速公路下采空区的形成以及稳定性有十分重要的影响，有的采空区地质构造相对简单，因此进行治理和重新充填难度较小，但是有的地区地质构造比较复杂，其采空区稳定性就会差很多，在充填的时候，工艺的选择也比较复杂。地质结构的复杂往往表现在岩体结构不完整、强度较差等方面，采空区结构强度差就很有可能会导致采空区的坍塌，因此复杂地质结构的区域需要格外注意及时进行充填。除了地区本身地质因素对采空区的影响，采空区附近的岩石构成也与稳定性之间联系密切，岩石的密度越高，就能够说明其刚性较大，就意味着岩石本身的强度越强，质量相对就越好。

3.2 水文因素对采空区稳定性的影响

水文因素也对高速公路下的采空区稳定性影响较大，地下水对采空区的影响，仍然主要表现在对于围岩和地质稳定性的影响。地下水的存在，无论多少都会使采空区围岩的强度降低，对岩体中的裂隙等产生不利影响，水压力也会直接对岩体造成损害，同时减少围岩与围岩之间的摩擦阻力，最终对岩层的强度造成较大的影响。除此之外，水体中会因当地的环境、气候因素，含有各种各样的离子，并具有一定的酸碱度，这会对岩体本身造成侵蚀，从而使岩体的结构和密度改变，影响岩层的强度。

3.3 环境因素对采空区稳定性的影响

采空区稳定性还会受到环境因素的影响，比如离高速公路较近的作业场，就会对采空区围岩的稳定性产生较大的影响，而且对于构造比较发达的地区而言，构造应力也会对围岩的稳定性形成破坏。

4 高速公路下采空区稳定性评价方法

4.1 开采条件判别法

开采条件判别法是通过对采空区现场进行勘探，并结合其地质特征、围岩性质、开采方式等特点，对采空区进行综合评定的评价方法。由于这种方法需要大量资料，因此适用于资料比较完备的高速公路采空区评定，这种评定方式比较简单，适用范围也比较广泛。但是由于其评定主要是依靠现有资料进行评价的，而每一个采空区以及地质特点都各不相同，并且都在不断变化，所以评价结果有时与实际情况差距较大，应用性相对较差，还需要进行补充勘察才能够得出较为准确的结论，因此，这种方法在实际评定时往往与其他方法一同进行。

4.2 地表移动变形预计法

地表移动变形预计法能够选用一定的预计方法，通过分析地质条件，对高速公路采空区上方的地表移动变形值进行计算的方法。这种方法一般适用于条带式、长壁式开采的评价，能够对老采空区、新采空区都进行评定。这种方法由于经过大量运算，因此理论依据十分清晰，对于各种地质情况的适应性也比较强，因此，应用范围较广。地表移动变形预计法最常用的就是概率积分法，这种方法的基本影响函数是正态分布函数，根据具体的地质条件建立数学模型，在选取合适的参数的基础上，有较高的准确度和精度。

4.3 数值模拟法

能够对数值模拟法造成影响的因素较多，地质模型的合理性、参数的选择等都可能会影响到对于采空区稳定性的评价。目前在实际应用过程中，这方面的经验还不够充足，因此对于数值模拟法中初始条件的设定、采动岩体物理力学参数的取值等、计算模型范围的设定应用仍然较少，所以这种方法在相对简单的工程中应用较多，但对于工况复杂的大型工程，这种方法大多还是作为参考来使用。数值模拟法首先需要对当地的地质进行实地勘察，建立相应的地质模型，然后分三步分别计算矿层开采前的原始应力和位移、开采后的应力和位移以及在外荷载作用下的应力和位移，通过观察围岩中塑形和变形情况，来对采空区的稳定性进行计算和评价。

5 空洞型采空区稳定性验算

对高速公路下采空区进行验算主要有两种方式，一种是对顶板强度进行验算（见图2），另一种则是对煤柱与底板强度进行验算。进行顶板强度的验算考虑顶板的抗拉强度和最大抗拉力，能够计算出顶板的安全系数，从而对顶板的安全性进行评价。而煤柱和底板强度的验算，则是验算煤柱和底板能否承担作用在其上的荷载，这也是安全性评定的一个十分重要的方面。

图2 顶板安全验算模型

6 结束语

综上所述，随着社会的迅速发展，公路的建设也在持续进行中，高速公路作为最便捷的交通建设，也正在通往中国大地的每一个角落，因此保障高速公路的安全是公路建设过程中最重要的事情之一。而由于经济的发展，我国对煤矿等资源的开采也逐渐增多，因此在高速公路的建设过程中难免会遇到采空区，从而造成一定的安全隐患。对于采空区的处理，大多是采用充填的方式来进行治理，首先对采空区进行钻孔，然后再进行注浆。除此之外，还需要对高速公路下的采空区稳定性进行评定，主要结合其地质、水文以及环境因素，通过开采条件判别法、地表移动变形预计法、数值模拟法进行全面的评定，最后对空洞型采空区的稳定性进行验算，确保其安全和稳定。