工业固废CFB 灰渣注浆充填采空区施工技术研究

吴志勇

山西路桥第四工程有限公司 山西大同 037046

1 项目概况

国道209 吕梁改线工程施工项目位于吕梁新城区（方山县至中阳县金罗镇），该项目作为省级重点工程项目，是工业固废CFB灰渣材料循环利用示范工程之一；改线工程总里程74.65km，全线地处吕梁山区，地质地形条件复杂，桥隧比高达40%，标段内桥梁总计16.43km/48 座，桥梁平均跨径超过300m，大桥占比较高，标段内隧道总计14.38km/10 座，隧道平均长度超过1.4km，大部分属于中长隧道；由于线路需穿越大面积的煤矿采空区，经工程勘察统计，线路穿越采空区面积超过40 万m3，工程面临较大的采空区充填加固需求；本改线施工项目已于2019 年开工建设，预计工期3 年，工程总投资规模超过70 亿元。

2 工业固废CFB 灰渣混凝土材料概述

经工程勘察发现，改线工程沿线需穿越大面积的煤矿采空区，采空区面积超过40 万m3，为了保证公路路基、桥梁桩基础及隧道开挖断面的稳定性，必须提前对沿线采空区进行充填注浆加固处治；庞大的充填方量无疑会加剧项目成本，采用传统的水泥混凝土注浆充填工艺，将消耗大量的水泥和粉煤灰材料，对于粉煤灰不易得地区，必然加重采空区处治成本；经工程勘察实地调研发现，项目沿线工矿企业聚集，沿线CFB 灰渣资源极其丰富，且尚未找到高效、绿色的循环处理途径，且经试验证明，CFB 灰渣混凝土的施工和易性较粉煤灰混凝土更高，为了实现废物循环利用和采空区低成本充填加固处治的双赢，本项目最终拟采用CFB灰渣混凝土对沿线采空区进行充填加固[1]。

CFB 灰渣是经由燃煤发电厂循环流化床锅炉后产生的底渣，CFB 灰渣材料中的硫化物含量较高，在碱性环境下，易与水泥等胶凝材料发生化学反应产生AFT 产物，致使CFB 混凝土体积膨胀，进而形成致密的填充物；根据脱硫工艺的不同，煤经锅炉在不同温度下燃烧后，产生的产物略有差别，对于湿法脱硫工艺而言，煤炭的燃烧温度介于1100℃-1600℃之间，产生的底渣约占煤炭总质量的9%，产生大量细度更高的飞灰，对于干法脱硫工艺而言，煤炭的燃烧温度较低，介于730℃-930℃之间，产生的低渣约占煤炭总质量的45%，在拌和CFB 灰渣混凝土时，需要使用大量的水，以满足与胶凝材料反应的基本条件。

3 采空区注浆充填施工工艺研究

为了满足改线工程施工项目采空区填充的现实需求，同时控制施工总体成本，最终制定了CFB 灰渣混凝土充填加固采空区的施工方案，本文就该项目加固施工过程中涉及到注浆填充工艺进行深入分析，希望为后续同类采空区处治项目提供标准化的施工方案参考。

3.1 注浆成孔

注浆孔的现场布置方式应结合工程勘察资料并配合现场试验确定，注浆孔道布置应首先保证注浆的可行性和便捷性，在满足上述前提下，尽量选用梅花形布置形式，孔道间距维持在15m-20m 范围内，排间距也维持在15m-20m 范围内，排间应交叉布设，以提高注浆的均匀性和协调性；钻孔结构参数主要包括孔深、孔径量大要素，孔深应根据采空区埋设深度确定，孔道应深入到原煤层底板以上1m 范围内，孔道应采用变截面形式设计，钻进至基岩后应适当扩大孔径，孔道内应下钢护壁套管，以保证注浆通道的顺畅性[1]。

3.2 注浆材料拌和

注浆选用CFB 灰渣混凝土材料，选材坚持“因地制宜、经济合理”的基本原则，灰渣混凝土拌和用胶凝材料选用P.O.32.5 普通硅酸盐水泥[2]，同时添加一定比例的粉煤灰和粘土，粉煤灰的细度等级应达到2、3 级，灰渣混凝土的水胶体比应控制在较高水平，以保证灰渣混凝土的施工和易性和流塑性满足充填作业要求，拌和后的CFB 灰渣混凝土的强度不能低于0.6MPa，为了减少拌和用水量，提高混凝土凝结硬化速率，应添加适当比例的减水剂和速凝剂，速凝剂的模数应控制在2.4-3.4 之间；在拌和前，应现场检测CFB 灰渣的各项指标，保证灰渣的烧失量补偿10%，硫化物分数不能超过7%，游离性氧化剂分数不能超过40%，灰渣中的重金属浸出浓度及放射性等级均应满足相关规范要求；拌和同步应浇筑试验试件，凝固后对其进行无侧限抗压强度试验，保证充填物的强度满足加固处治要求。

3.3 注浆压力控制

在正式填充过程中，必须重点控制好注浆压力指标，确保注浆的均匀性及浆液凝固后的强度满足设计要求，通过工程试验发现，采空区充填压力与浆液的可达半径呈正相关关系，因此，在采空区围岩冲击强度允许的前提下，建议尽量增加充填强度，以保证浆液的可达性和凝结强度更高，但无需过分提高压力指标，以避免不必要的材料浪费[2]；注浆停止标准以注浆泵压力为准，当注浆泵流量表下降到30L/min 且维持该流量指标30min 以上时，认为注浆作业临近尾声，待注浆口压力超过2.5MPa 后，应随时做好停止注浆准备。

3.4“跑浆”现场控制

在采空区注浆过程中，由于采空区内部结构复杂，随时可能出现“跑浆”等事故，为了确保注浆现场的安全、可控，必须针对可能出现的“跑浆”问题做好现场控制。经工程地质勘察发现，采空区局部存在开裂和坍塌风险，经高压注浆后，浆液冲破顶部开裂裂缝，出现了不同程度的“跑浆”问题；为了控制“跑浆”，避免影响采空区的填充质量和效率，首先应在平面图上圈定出“跑浆”路径和主要“跑浆”位置，通过分析位置及路径信息获取完整的“跑浆”路线图[3]，在注浆过程中，应根据路线图随时调整注浆压力，当遇到“跑浆”点时，应适当降低注浆压力，削减单位时间的注浆量，采用缓慢注浆，均匀渗透的方式一方面完成薄弱区域的注浆填充，另一方面可以依靠注浆浆液密实“跑浆”缝隙。

4 结语

综上，本文以国道209 吕梁改线工程采空区充填注浆加固施工项目为研究背景，在阐述工业固废CFB 灰渣混凝土材料的特性及生产工艺的基础上；重点对CFB 灰渣混凝土材料在采空区的充填注浆施工工艺进行深入分析，初步明确了标准的充填注浆加固工艺流程，希望能对其它同类采空区处治项目提供经验借鉴。