小煤窑采空区新建大型建筑物地基注浆处理与安全技术实践

郭轲轶 张洋洋

（中煤科工生态环境科技有限公司，天津 300450）

小煤窑采空区具有采深浅、隐蔽性强、开采无规律、缺乏采掘信息等特点[1]，而且小煤窑大多采用巷道式或房柱式开采，留有大量的煤柱，这种采空区早期不易形成下沉盆地，大多数情况下初期地表变形并不明显，但随着时间的推移，在煤柱失稳后，地表又重新产生新的移动变形。小煤窑采空区存在发生突然且剧烈变形并对其上方的建筑物造成严重破坏的风险，因此，在小煤窑上方建造建筑物时，必须对小煤窑采空区进行处理，特别是大型建筑物，为保证建筑物的安全性、使用性、耐久性等方面的要求，应采取相应的安全技术措施[2]。

本文以山西晋城无烟煤矿业集团有限公司寺河二号井新征场地采空区地基评价与抗变形设计的工程为实例，研究小煤窑采空区上方建设大型建筑物地基注浆处理与建筑物的安全防护技术。

1 工程概况

山西晋城无烟煤矿业集团有限公司寺河二号井新征场地位于该矿矿区内部西南片区，规划建设 1#大型公寓楼、2#大型公寓楼、大型联合建筑、大型办公楼，项目区占地面积约0.064 km2，总建筑面积约62000 m2，具体情况如图1。该区域地势平坦，地面标高约+788 m，由厚13～34 m 的第四系黄土广泛覆盖。

图1 拟建建筑物位置图

项目区内主要开采山西组3#煤层。3#煤层厚约6.0 m，平均采深约85 m，开采时间多为90年代末期，采煤方式为仓房式开采，煤层开采不规律，残留较多煤柱，顶板冒落不充分，地表变形不明显，形成大量采空区。通过钻探和物探勘测，3#煤层上覆地层已出现明显的冒落、裂缝等现象，根据钻孔揭露，冒落裂缝带高度在3#煤层上方约20～30 m。

项目区内地质构造较简单，未见大的地质构造，覆岩由中砂岩、泥岩、细砂岩等组成。

2 地基处理与地表变形预计

2.1 地基注浆处理工程

1）钻探工程

此次注浆治理工程共设计帷幕孔52 个，内部注浆孔117 个，共计169 孔。钻孔采用Φ130 mm开孔，进入稳定基岩以下3.0 m 后，下Φ110 mm套管，然后用Φ89 mm 钻头继续钻进至煤层底板1 m 处终孔。该项目实际施工钻孔162 个，总进尺14 416.48 m。

2）注浆工程

该注浆治理工程浆液配比采用：水固比（水:水泥和粉煤灰混合体）1:1，固相比（水泥:粉煤灰）2:8～4:6。其中水泥用矿渣硅酸盐水泥32.5#，粉煤灰用Ⅱ级灰，使用建筑用石子、石沙作为填充骨料。此外，注浆施工时还用了一定量的速凝剂（水玻璃），模数为2.4～3.4，浓度为30～45 °Be′。

选用的注浆工艺为静注，施工顺序按照先帷幕后内部注浆孔的注浆顺序进行，在遇到掉钻的钻孔注浆时，投入一定的碎石骨料，采用边注浆边投放的方法[3]。当孔口注浆压力达到1.0～1.2 MPa，流量在50～70 L/min，稳定10～15 min 时，认为该孔的注浆结束。该区域总的注浆量为91 179.5 m3，其中帷幕孔注浆量为31 235.2 m3，内部注浆孔注浆量为59 944.3 m3。

通过采空区注浆处理工程，基本上完成了对地下暗空场的填充，确保了该区域不会发生因煤柱失稳产生突然性剧烈变形。

2.2 地表沉陷变形预计

通过注浆充填了采空区空洞，但随着混合浆液的固结和脱水，填充体的体积缩小，使填充体不能完全填满整个采空区空洞，采空区地表在未来相当长的一段时间内仍会出现一定的残余沉陷变形，这将对该区域新建的建（构）筑物施工造成一定影响，特别是在建设大型建筑时，仍需考虑注浆处理后地表残余下沉变形的影响[4]。

该项目地表变形预计采用的方法为概率积分法[5]，选取的参数见表1。

表1 开采沉陷技术参数选取

经测算，项目区地表下沉最大值118 mm，倾斜变形最大值1.9 mm/m，水平变形最大值-1.6 mm/m。工程区域将在Ⅰ级沉陷变形影响范围内，新建建筑物仍需采取必要的安全技术措施。计算了场地内各建筑物的地表最大变形值，见表2。

3 安全技术措施

3.1 安全监测技术措施

针对该项目建筑物为大型建筑物的特点，主要监测建筑物的移动变形，其目的是为了了解新建建筑物的沉陷变形情况，为建筑物的变形调整和维修提供必要的依据[6]。

1）测点的布设

移动变形监测采取相对观测方式，即对相对下沉的地表和地基进行重点观测，对地表水平移动的变形数值进行监测，对建筑物的倾斜变形进行监测，对项目区场地内的各建筑物单独设置观测系统。

布设观测点的方法是：首先将4 个地表测点均匀地布设在建筑物基座的四周位置，一般沿东西南北走向，从建筑物基座到地表测点一般有3～5 m 的距离；二是设置了4 个基础测点，分别在地表点位对应位置进行测量；三是在建筑物上部结构上布置4 对倾斜观测点，与地表测点和基础测点位置相对应。图2 所示为观测点布设示意图。

2）观测方法及精度要求[7]

利用精密水准仪对地表测点和基础测点的相对下沉值进行定期观测，并根据各测点的相对下沉值，计算出地表倾斜变形值和基础倾斜变形值，根据各测点的相对下沉值，对各测点和基础倾斜变形值进行综合观测。水准观测精度要求不得低于三等水准。

各建筑物倾斜变形观测采用不低于两个测回并取其平均值的正倒镜进行观测，观测建筑物倾斜变形值采用2″以上的精密经纬仪和钢尺。根据建筑物上下对应测点的水平位移值，以及建筑物的高度等因素，得出建筑物倾斜变形值。

水准观测与倾斜变形观测，在下沉稳定之前，每个月观测一次。

3.2 抗变形技术措施

抗变形技术措施主要由刚性措施和柔性措施组成[8-9]。其中，刚性措施主要是为了抵抗地表变形而增加建筑物的整体刚性，柔性措施主要是为了增强建筑物的吸收变形能力，如增加变形缝、设置滑动层、开挖缓冲沟等。该项目区内建筑物都属于大型建筑物，根据其建筑型式和结构特点采取的抗变形措施如下：

1）建筑基础采用全现浇钢筋混凝土筏板基础。根据计算，大型公寓楼基础筏板厚度为1000 mm，大型联合建筑基础筏板厚度为1100 mm，大型写字楼基础筏板厚度为1000 mm。

2）大型公寓楼设有地下室，在基础和地下室外侧刷1 道沥青；大型联合建筑及大型办公楼在基础的C15 混凝土垫层上铺设两层油毡。

3）对建筑物的一些结构梁和柱增大其刚度，适当增加其配筋量[10]。

4）所有管道支座做成铰支座，地面敷设，并增加柔性接头。

目前，四栋大型建筑物都已建设完成并投入使用，所有建筑物均没有出现任何破坏。

4 结语

结合山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河二号井新征场地建设项目，对该区域的采空区特性进行分析研究，对场地地基进行了注浆处理、工后场地地表变形预计，提出了建筑物的抗变形措施和安全保护技术措施，保证了建筑工程的顺利实施，为同类工程提供一定的参考依据。