采空区加固处治措施研究

张鹏华

（山西路桥集团国际交通建设工程有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路建设过程中，常常遇到不同类型、规模、深度的采空区，采空区的存在对路线方案和道路使用性能有直接影响。为使得地基承载力达到路基设计要求，有必要采取措施对采空区进行加固处理，减少地表下沉对路基造成的不良影响[1]。由于采空区一般埋设于地下较深部位，作业人员难以准确观测其内部特征，采空区的变化机理、过程对地表的影响规律十分复杂，而且采空区的破坏具有突发特性，很多破坏可预测性较小，在开采完成后，采空区内部变形持续时间相对较长，一般需要几十年甚至上百年才会发生突发性破坏[2]。处于复杂采空区的高速公路，受到地表变形和采空区顶板破坏影响较大，若是在公路穿越的采空区附近存在开采情况，影响更为复杂[3]。因此，对采空区进行处治是保证公路安全的重要方法。以下介绍采空区处治方法，并以山西某高速公路下伏采空区为例，采用注浆法进行加固，分析了加固效果。

1 工程概况

山西某高速公路穿越采空区，地层包括二叠系下统梁山组、栖霞组、茅口组，长兴组，三叠系下统飞仙关组等，含煤层和采空区，高速公路覆盖的区域受煤层采空区的影响长度达到15 km，并出现多处断层。附近区域煤矿断层情况如表1所示。

表1 近年揭露煤矿区的主要断层情况

2 采空区处治方法

2.1 充填处治

充填方案是采用浆砌片石、干砌片石、井下回填料对煤层已经被开采完毕，但是顶板没有垮塌的采空区进行处治，这种处治方法适于顶板的岩性较好，采空厚度较薄的区域。

2.2 开挖回填

当采空区位于挖方边坡时，可以采用开挖回填方法进行处理。通过人工或机械开挖方式对路基以下相对较浅和挖方段的采空区进行开挖，开挖后采用浆砌法或干砌法进行回填。这种处治方法适用于浅层采空区和高边坡路段采空区。

2.3 强夯加固

强夯加固治理采空区主要是针对埋置深度小于10 m，覆盖岩层的强度较低，而且完整性较差或者顶板变形完成的路段。可以通过爆破方式将顶板岩石破碎用于填充，并强夯加固。

2.4 压力注浆

对于地质情况比较复杂、采空区勘查不够精确、采空区呈多层分布或者难以使用回填、充填方式进行处理的路段[4]。通过机械方式在采空区顶板的裂隙带和冒落带注入具有胶接性能和充填特性的材料，并具有一定强度特性来完成加固处理。

2.5 桥跨穿越

当煤层开采规模小，开挖深度小于100 m的采空区一般采用梁、板、桥梁等方式进行跨越。桥跨穿越法主要包括桩基穿越和桥梁跨越两种方式，可根据具体情况确定相应的方案，情况需要对桩基部位进行注浆处理。

3 采空区处治方法选择

采空区处治方案的选择首先根据公路工程对地基要求结合经济、技术、地质条件进行选择，本项目根据图1所示的程序选择采空区处治方法。

图1 采空区加固处治方案选择程序

根据以上程序，某地区地质情况较为复杂，而且许多采空区勘查难度相对较大，采空顶板存在冒落带和裂隙带，结合实际情况选择压力注浆法对采空区进行加固处理。

4 注浆材料优化设计

确定采用注浆法对采空区进行加固后，对注浆材料的配合比进行优化设计。根据实际情况，采用水泥、粉煤灰、水进行配合比设计，并对水灰比、固相比与黏度、结石率、抗压强度之间的关系进行优化设计，试验结果如表2所示。

表2 注浆材料配比试验结果

4.1 固相比—水灰比—黏度关系

黏度是评价注浆材料流动性能和施工和易性的重要指标，黏度必须控制在一个合理范围内，过大则导致流动性困难，无法良好填充裂隙和孔隙，太小则不能达到强度要求。根据表2所示的试验结果，提取固相比—水灰比和黏度数据绘制曲线如图2所示。

图2 注浆材料固相比—水灰比—黏度关系曲线

从图2所示曲线可以看出，在同一固相比和水固比时，随着粉煤灰含量的增加，浆液的黏度逐渐呈降低趋势，只有水固比在1∶1.0时，黏度是先有个轻微的降幅，然后增大。这就说明粉煤灰能够减小注浆材料的黏度，增强流动性能。

4.2 固相比—水灰比—结石率关系

对于注浆材料而言，材料的结石率是评价其加固性能的重要指标，一般情况下结石率较高的注浆材料才能起到良好的防渗和填充加固作用。根据表2所示的试验结果，绘制灌注砂浆的固相比—水灰比—结石率的关系曲线如图3所示。

图3 注浆材料固相比—水灰比—结石率关系曲线

根据注浆材料固相比—水灰比—结石率的关系曲线可知，在同一固相比条件下，固体含量的增多，水固比的减少有利于结石率的提高，同等条件下，粉煤灰含量为80%时的结石率相对而言最低。而粉煤灰含量为70%左右的时候，结石率均超过了78%，而且最大结石率达到92.9%，也是在粉煤灰含量为70%时出现。

4.3 固相比—水灰比—抗压强度关系

注浆材料结石体的强度是影响注浆后岩体力学性能的直接指标，也是评价注浆效果的重要参数。根据表2所示的试验结果，提取固相比—水灰比—抗压强度试验数据，绘制抗压强度变化曲线如图4所示。

根据注浆材料固相比—水灰比—抗压强度关系可知，在同等固相比条件下，随着浆液浓度的升高，材料的28 d抗压强度逐渐增大，水固比为1∶1.4时的整体抗压强度均最大，而水固比为1∶1.0时的抗压强度最小。

通过对注浆材料的黏度、结石率、结石体抗压强度等指标的测试得出，水固比最佳比例范围应该控制在1∶1.2～1∶1.4之间为宜，而水泥占水固比的比例为10%～20%左右时，其流动性能、强度性能都能够满足设计要求。

5 注浆范围计算与施工

5.1 注浆范围计算

注浆范围直接影响注浆加固效果以及工程造价，根据采空区的埋藏深度和分布情况以及顶板覆盖岩层的力学性能计算采空区注浆范围，计算简图如图5所示。

图5 注浆长度与宽度计算示意图

根据图5中a图所示注浆计算范围示意图，结合公式（1）对注浆处治宽度进行计算[4]。

式中：B为注浆处治宽度，m；D为路基宽度，m；d为公路维护带宽度，m；φ为松散层移动角，（°）；δ为矿层下山方向岩层的移动影响角，（°）。

根据图5中b示意图，结合公式（2）对采空区的处治长度进行计算。

式中：L为处治长度，m；H1为采空区下山覆盖岩层厚度，m；H2为采空区上山覆盖岩层厚度，m；β为矿层下山方向岩层移动影响角，（°）；γ矿层上山方向岩层移动影响角，（°）。

根据以上公式，结合工程实际情况计算出采空区K8+320—K8+500路段的处治宽度、深度以及面积如表3所示。

表3 采空区处治部位面积计算结果

5.2 注浆量计算

确定采空区注浆加固范围后，应该对注浆量进行计算估计，注浆量采用公式（3）计算。

式中：A为注浆浆液耗损系数，取值1.0～1.2；S为采空区加固处治面积，m2；M矿层的平均采厚，m；△V为采空区的剩余孔隙率；η为充填率，%；c为浆液结石率，根据试验确定或取值70%～90%；α为岩层的倾角。根据公式（3）计算出所需注浆量如表4所示。

表4 采空区处治注浆量计算结果

5.3 注浆施工

注浆施工时采用先稀后稠的顺序进行，注浆压力控制在1.0～1.5 MPa之间，采用文中第4节进行优化设计后的浆液进行压力注浆。注浆过程中根据采空区的裂隙、孔隙以及埋深情况具体确定注浆压力，并及时调整浆液浓度，注浆孔口压力保持1.0～1.5 MPa注入一定浆液之后可以适当增大压力，当孔口压力大于3 MPa时，而且地表的裂隙已经出现大量冒浆的现象时可以结束注浆施工，并使其稳定10～15 min。所有注浆程序完成后，对注浆区域进行养护，待到注浆加固区域强度达到设计要求后便可进行下一步施工作业。

6 加固效果检验

为进一步评价注浆法处治该公路下伏采空区的处治效果，对注浆处治前后的采空区的性能进行测试。通过钻探取样，对加固后前后各层位岩石强度；采用高密度电阻率勘探法[5-6]，检测注浆前后各地层的电阻率变化情况，并分析注浆范围和注浆层位。勘探检测结果如表5所示。

表5 采空区加固效果检测结果

根据试验结果，通过注浆加固后，岩层的强度性能得到提高，不同岩层的提高幅度各不相同，其中石灰岩强度指数提高幅度最大值达到4.24 GPa，泥岩的强度提高幅度相对较低。深度越深，强度指数升高幅度有所降低，但不是特别明显。通过注浆加固后，岩层的电性得到很大改善，注浆前，由于地下采空区裂隙带比较发育，岩层的电性变化比较复杂。注浆加固后，由于浆液黏结作用使破碎岩体固结成为整体，致使电性变化趋于稳定状态。注浆后，电阻率参数均较注浆前有所降低，其中石灰岩段电位与注浆前相比降低了3倍左右。说明注浆加固改善了岩体的整体性能。

7 结语

通过对采空区处治方法以及最佳处治方案确定程序的介绍，并以山西某高速公路下伏采空区处理为例，分析选用注浆加固方法处理，然后对注浆方案进行优化设计，计算采空区处理范围、注浆量，阐述了注浆施工技术，并对注浆加固效果进行评价，最终得出：

a）采空区加固方案的确定需采空区提供的地质条件、地基强度要求、处理原理、工程经验以及机具设备、材料供应等方面的因素；

b）采用注浆加固法对高速公路下伏采空区进行加固处治效果良好，对岩层强度性能的提高最大能达到4.24 GPa；

c）注浆后，各岩层的电阻率均有所减小，石灰岩最大降低幅度达到3 346.8 OHM·M，处治后的岩层整体性、稳定性和强度性能良好。