郭伦波

（中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031）

四川成自泸高速公路途径省内威远县，该地煤炭资源丰富，煤层开采历史久远，小煤窑众多，采空区范围分布较复杂。根据地勘资料显示，境内蒋家湾大桥通过地层为三叠系上统须家河组第一段（T3xj1）上、中、下元炭采空区，以下元炭为标志，开采煤层高程为＋527～537m。中元炭距下元炭4m左右，上元炭距中元炭5m左右。采高一般在0.7m左右，埋深0～25m。

蒋家湾大桥桥梁全宽24.5m，左右幅分修。上部结构采用7～25m装配式预应力混凝土简支T梁，下部结构采用双柱式桥墩、肋板式桥台及桩基础。

为了防止采空区地层的垂直移动变形及水平移动变形对桥梁基础的影响，须对桥梁下伏采空区进行治理。

1 采空区治理方法

采空区的处治技术首先要安全可靠，同时也要注意施工设备与施工技术的复杂程度及技术经济上的合理性。深采空区与浅采空区的治理方法往往不同。

浅层采空区可采用开挖回填及强夯法。首先将采空区全部挖除，彻底清除采空洞对桥梁基础的影响，采用高密度的砂石土或碎石土进行换填，同时辅以强夯处理，加速土体的横竖向稳定。该方法施工工艺简单、周期短、造价低，但其缺点是开挖量太大，并且仅适用于浅层采空区路段。

深层采空区一般采用对地下采空区进行全部充填或在地下采空区内灌注支撑的方法，减少采空区上部岩土层因高速公路修建及运营而产生的沉降。根据其加固原理的不同，又可分为支撑式加固法和充填式加固法。

（1）支撑式加固法。其原理与煤柱支撑式开采相同。采用支撑式加固法的前提是顶板坚硬，完整程度高，厚度较大。符合这些条件，且具备洞内人工施工条件的地下空洞，可用柱墩式支撑构件支撑空洞顶板；在不具备洞内人工施工条件的地下空洞，可通过钻孔将混凝土用泵送入洞内，在采空区顶底板之间形成柱墩式支撑。

（2）充填式加固法。其原理是用外来材料充填采空区，承担起原来煤层作为受压层的功能。在洞内具备人工施工条件时，可采用干砌或浆砌片石充填，否则，可以通过钻孔压入水泥浆、水泥砂浆、水泥粉煤灰浆、水泥粘性土浆以及其他材料的拌和浆，充填采空区。在洞内施工用干砌片石充填，工程造价较低，应优先采用。但对于老采区，尤其富水地区，一般不具备洞内施工条件，只能利用钻孔对采空区进行灌注，所以国内对老采空区处治用干砌或浆砌片石充填的较少，用注浆充填的居多。该治理方案已在江苏徐州、陕西、河南等地取得了成功的工程实例，但最大的注浆深度小于300m。在205国道莱芜至新泰高速公路莱芜连接线煤矿采空区治理方案设计中，其煤层埋深在300～600m，也采用了注浆方案。

目前，国内外对不稳定的老采空区加固一般采取灌浆法。如美国宾夕法尼亚西部城市有几座建筑物下采空区就是采用了灌浆充填法及灌浆支撑法控制建筑物沉降。美国怀俄明州煤炭储量丰富，采矿历史悠久，为控制采空区大面积地表沉降，使用了灌浆法进行处治，效果良好。前苏联地质注浆专业公司也用灌浆技术成功地处理了一些矿井大楼下伏采空区。目前国内部分有关采空区治理情况见表1［1］。

表1 下伏采空区治理情况一览表

2 蒋家湾大桥下伏采空区治理措施

选择治理方法时，应根据上述条件，结合实际情况综合考虑。蒋家湾大桥段为上、中、下元炭煤层采空区，煤层顶板及覆岩为砂质泥岩、粉砂岩、泥岩地层，煤层倾角较小，开采方法为巷柱式采煤法。各煤层采高在0.7m左右。为20世纪60～90年代开采的老窑范围，停产至少10年以上，据经验估计，绝大部分急剧变形已完成，但部分采空区仍存在净空。

根据上述情况，很明显开挖夯实方法不适用，经过综合考虑，拟对本桥下伏采空区进行注浆处理。

2.1 治理范围的确定

采空区治理范围应包括治理的路幅宽度（垂直公路中线方向）加围护带宽度20m（保护等级为I级），再加按覆岩移动角（取60°）影响范围和治理的桥梁长度按桥梁长度加20m围护带，再加覆岩移动角（取60°）影响范围进行计算。参照国家煤炭工业局《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（煤行管字［2000］第81号）进行计算后确定［2］。

采空区的治理深度为钻孔钻至煤层底板以下3m处。

2.2 注浆材料

（1）注浆材料及其技术指标。水，应符合拌制混凝土用水要求，pH值大于4；水泥，水泥标号不应低于425号，应优先选用矿渣水泥。

（2）外加剂技术指标要求。水玻璃，模数宜为2.4～2.8，浓度宜为30～45波美度。在注浆前应做水泥水玻璃浆液的凝结配比试验。

2.3 注浆设备及机具

（1）钻机。钻机应根据采空区的岩层结构、岩性、注浆孔或帷幕孔的结构、止浆技术等要求进行选择。

（2）搅拌机的转速和制浆能力应与工程量、浆液类型和注浆泵的性能相适应。

（3）每个注浆站的注浆泵不应少于2台，其最大排浆量应满足采空区注浆和施工进度的需要；其最大泵压宜不小于4MPa。

（4）注浆管路及其连接部位，必须能承受最大注浆压力的1.5～2倍。

（5）注浆泵、注浆孔（或帷幕孔）孔口处必须安装压力表。

（6）水泵宜选用潜水泵。

2.4 注浆钻孔

（1）钻孔布置。注浆孔（或帷幕孔）的孔距应根据浆液的扩散半径来确定。本桥惟幕按10m间距，注浆孔按15m间距进行设计。①帷幕孔。帷幕孔为采空区四周最外的一圈孔，在注浆时应加水玻璃，水泥与水玻璃用量的体积比一般为1∶（0.6～1），使其浆液快速凝固形成惟幕，在注浆孔注浆时，浆液不致流走；②注浆孔。除去帷幕孔后的其他注浆孔。其他注浆孔所注浆液不加入速凝剂。

（2）钻孔结构及技术要求。①孔深。注浆孔或帷幕孔应钻至采空区（或煤层）底板以下3m处；②孔径。钻孔开孔孔径为150mm，经1次或2次变径后，终孔孔径不应小于90mm；③变径位置。注浆孔和帷幕孔均应钻至中风化岩层3m以下后变径；④取心孔。取心孔的数量应为注浆孔和帷幕孔总数的3%～5%，采空区部位岩心采取率不应小于30%；⑤注浆管径。应选用直径不小于50或127mm的钢管。

（3）注浆。建议采用间歇式注浆法。本桥治理多层采空区，宜采用自上而下（简称下行式）的分段注浆法。

（4）注浆及其相关参数。①浆液配比。浆液的浓度使用应由稀到浓，逐级采用5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.7∶1，0.6∶1等7个浓度比级，可选用其中3个或4个浓度比级；②注浆压力。孔口压力在2～3MPa，稳定10～15min；③结束吸浆量。当泵量小于30L／min时，可结束该钻孔的注浆施工；④浆液结石体强度。对于高速公路、桥梁、涵洞等构造物，浆液结石体的无侧限抗压强度不应小于0.3MPa；⑤注浆量。注浆总量可按下式计算

式中：Q总为采空区总注浆量，m3；A为采空区治理面积，其值为采空区治理长度与采空区治理宽度的乘积，m2；S为采空区煤层厚度，m，取0.7；m为注浆总量浆液损耗系数，取值在1.0～1.5之间，取1.3；η为注浆充填系数，取值在0.75～0.95之间，该值宜根据公路工程的性质确定，对于路基范围内的采空区取值在0.75～0.85之间，取0.80；C为浆液结石率，取值在0.7～0.95之间，取0.9。

硬炭采空区面积：3 457m2。

注浆量：1.3×3457×0.7×0.80／0.9＝2 796m3。

中元炭采空区面积：4 486m2。

注浆量：1.3×4 486×0.7×0.80／0.9＝3 628m3。

下元炭采空区面积：9 686m2。

注浆量：1.3×9 686×0.7×0.80／0.9＝7 834m3。

全桥总注浆量：14 258m3。

单孔注浆量可按下式计算

式中：Q单为采空区单孔注浆量，m3；A为单孔注浆量浆液损耗系数，取值在1.2～2.0之间；R为浆液有效扩散半径，按孔距的一半计算，m；其他符号意义同上式。

3 注浆效果的检查

公路行业的矿床采空区注浆治理工程属隐蔽工程，对它的质量控制一直是个难题。目前用于工程质量检验的技术和方法主要有物探、钻探取心及室内试验、钻孔压水试验、地表变形观测等。

3.1 物探

物探检测技术是采空区治理工程施工完成后对工程质量检验的重要方法。常用的方法有孔内波速测井法、瑞雷波法、瞬变电磁法、高密度电法等。

3.2 钻探取心与室内试验

钻探取心是采空区治理工程质量检测工作中的主要技术和方法［3］，并能为孔内物探检测和压水试验提供工作平台。

钻孔检测还应进行压水试验，以注浆前后单位时间内单位长度消耗的水量评价浆液对岩石裂隙的充填胶结程度。当水的消耗量超过单孔注浆结束标准的吸浆量时，必须进行补充注浆，确保工程质量。

3.3 检测结论

（1）对检查孔中取出的浆液结石体岩心进行弹性波测试，波速大于160m／s时为合格。

（2）检查孔取心进行抗压强度测试，大于0.2 MPa为合格。凡检查不合格者均应重新补孔注浆。

（3）蒋家湾大桥采空区处理注浆效果经检验，大部分是合格的，其处理效果达到预期目标。

4 结语

（1）公路下伏采空区处理属隐蔽工程，由于其施工控制较难、随机性太大，实际效果不一定能够完全达到预期，并且其治理措施费用很高，所以一般情况下，高速公路尽量选择调线绕避采空区方案，无条件绕避时，应采取有效措施对其下伏采空区进行处理。

（2）公路下伏采空区处理方式多样，应综合考虑场地情况、施工方法、工程造价等选择合理的处理措施。蒋家湾大桥采用钻孔注浆法加固，据该桥现在运营情况表明，该加固处理方法效果较好，桩基未出现任何沉降现象。

（3）采空区地段的桥梁设计，应特别重视采空区地基注浆加固，加强注浆过程中探灌结合，加强对注浆质量的检测，保证桥梁结构的安全。

［1］郭文兵，柴华彬.煤矿开采损害与保护［M］.北京：煤炭工业出版社，2008.

［2］耿玉玲，贾学民.高等级公路下伏采空区治理优化和治理效果评价研究［M］.北京：地震出版社，2007.

［3］浑铁链，张莲娜.采空区铁路桥梁地基加固及强化设计［J］.中国高新技术企业，2009（19）：19－21.