卢 锋

(山西省地质勘查局217地质队，山西大同037008)

1 工程概况

大同煤矿集团电业有限责任公司拟新建碾子沟110 kV变电站一座，面积约13000 m2。根据甲方提供的资料，拟建变电站区域存在采空区，须对拟建场地影响范围内的采空区进行专项勘查治理。

工程位于大同市西南约20 km处，大同煤田同忻井田东北部，属大同市南郊区所辖;区域内有多条简易公路互通，水源充足，便于勘察治理施工。

2 勘察情况

根据甲方要求，对拟建区域进行了工程地质勘察，勘察结果显示，该区域共存在3层采空区，且处于拟建场地正下方。采空区上部裂隙带明显，局部形成冒落带。勘察钻进时，局部掉块、卡钻，漏浆严重，岩体较破碎，钻进困难。

通过对所收集的资料，及钻探确定的3层采空区进行分析，对各采空区的稳定性进行综合评价，确认第12号采空区为不稳定场地，应对本层采空区采取措施进行加固处理。本场地地面标高为1409～1410 m，12号采空区标高1245～1205 m处。其余2层采空区位于标高1150 m以下，且相对稳定，对拟建建筑物影响较小，故不进行处理。

3 施工方案

根据勘察结论及拟建场地下部采空区稳定性、周边地质情况，对拟建场地及其周边100 m范围内的12号采空区进行帷幕注浆加固，共计230 m长，200 m宽，约46000 m2。方案设计在注浆加固区四周边缘设置帷幕墙，阻断外部过水区，隔断拟建场地下部采空区与外部采空区，防止跑浆，帷幕墙注浆孔间隔为10 m，钻孔顺帷幕线走向成单排孔线状排列。内部设置网状注浆孔，全区域注浆，网格为20 m×20 m。帷幕底界确定在1200 m标高。浆液扩散半径为8.0 m，段高控制在20～50 m。

本次工程设计了注浆钻孔158个，工作量33200 m，设计注浆量150000 m3。

4 施工技术措施

由于该区域地层“三带”(弯曲带、裂隙带、冒落带)明显，裂隙、破碎严重，在施工过程中，容易遇到钻孔施工困难、注浆管无法下放到位，注浆不能达到预期目标，使工程失败。因此，在工程开始初期，严把施工设计关，制定了周密的施工组织设计，施工中严格执行，严把质量关，层层落实到位。

4．1 注浆钻孔施工

钻孔施工顺序按照先施工外部帷幕孔，然后施工内部加固孔的原则，按单双号次序进行。

4．2 套管连接与固定

(3)压水、止浆合格后，采用0.8水灰比的单液水泥浆向管内压浆。

(4)固管注浆结束标准:从孔口管外返出浆液;或孔口虽未返出浆，但孔口压力已达1.0 MPa(浆站应加管道消耗压力)。

此时压入一定数量的清水(压入的水量应不大于从孔口至孔底注浆管内容积)，候凝4 h后，向孔内灌水至孔口，观测套管内水位下降速度，如果固管后水位下降速度不大于固管前水位下降速度，则固管合格，否则，应重新注浆固管，直至合格。固管合格后，方可进入注浆段钻进。

4．3 止浆与压水试验

4．3．1 止浆与止水

下止浆塞是注浆工艺中的关键一环，止浆塞下的好坏直接与注浆成败、注浆质量高低、工作效率有关。

(1)止浆塞的下法为下行式。

(4)下放止浆塞前首先检查止浆塞管路是否畅通，丝扣丝杆是否完好，以防脱落，按顺序安装胶球、垫片、压水轴承等。

(5)止浆塞加压程度的判定:由孔口钻杆下入的高度控制，压力大小适中，使胶球膨胀，加压后孔口下落钻杆的高度控制在胶球长度的20% ～30%，直到提拉有力为止。

(6)止浆塞的下放:慢速均匀，上紧每根钻杆，如有卡阻人力缓慢正向转动下放，如有困难提出孔外，查找原因，扫孔，检查止浆塞有无破损，然后再下到预定深度，人力正转，使之与孔壁挤紧。

(7)止浆塞下入的位置应遵循下述2项原则:选择井壁光整，岩石坚硬完整孔段;下入的位置与上一注浆段重叠长度≮5 m。

(8)检查止浆塞是否下好的方法是:首先观测止浆塞下好后套管内水位，再向套管内灌水至套管孔口，停止灌水，观测套管内水位下降速度，若下降速度≯0.1 m/min，则认为止水效果良好。

压水试验开始后，套管孔口水外溢，否则应重新下止浆塞(选择理想位置或加压)。

(9)止浆塞下好后，检查注浆管路是否畅通，连结是否牢固，告知浆站记录员压水试验的孔段(孔段连续)，以便浆站记录员确定压水、注浆压力，注浆使用浆液种类、浓度。

(10)孔口要有专人看护。

4．3．2 压水试验

(1)正常情况下，开泵后水泵压力表会有指示，反应出压水试验中的压力数值，此时应作2个压力点，一个为最大泵量时的压力值，一个为最大泵量压力值的1/2，各做30 min。

(2)当压水开始后，水泵压力表无反应为零，做30 min。

(3)当压水开始后，水泵压力表压力很大，吸水量很小，压水试验做30 min。

(4)当压水开始后，无须开泵便向孔内倒吸时，压水试验便可不作，因为无法做出压力，此时记录下此种现象即可。

(5)将测得的压力准确记入《压水记录表》并及时计算出单位吸水量和渗透系数，以便确定是否需要注浆、注浆压力、注浆使用浆液浓度。

4．4 注浆

4．4．1 注浆材料与注浆方式

32．5普通硅酸盐水泥;本地粘土;水玻璃模数2.5～3.4，Be=40～45°;粒径0.5 ～1.0 cm 石子;过筛普通河沙，直径≤5 mm;全部采用下行式注浆。

4．4．2 浆液类型及使用条件

本次注浆目的是加固地基，要求注浆后形成的固结体具有一定的强度，对浆液的性能要求较高。因此，根据浆液的不同类型，及其性能、适用范围、固结强度，选择了单液水泥浆、水泥－粘土浆、骨料砂浆为基本浆液，根据施工的不同需要，决定使用浆液类型(见表1)。

表1 浆液类型及使用条件

4．4．2．1 单液水泥浆

单液水泥浆是以水泥为主料，添加一定比例的附加剂，用水调制而成的一种浆液，主要用于固管(正常注浆)和空洞注砂石后的注浆段(特殊注浆)。单液水泥浆主要由水泥、水、食盐和三乙醇胺配制而成。

固管浆液配比为0.8∶1，强度＞10 MPa;特殊注浆浆液比例现场决定，强度＞10 MPa。

4．4．2．2 水泥 － 粘土浆

水泥－粘土浆是近年来综合注浆技术经常采用的一种新型廉价注浆材料，主要由水泥和粘土构成，用于防渗帷幕注浆和裂隙充填注浆，其具有流动性好、稳定性好、可注性好、防渗性好、韧性大、成本低等优点，是一种堵水和加固效果良好的材料。

水泥－粘土浆液配合比为:水泥∶粘土∶水=1∶1∶1.6，强度＞4 MPa;根据实际需要，可在浆液中加入一定比例的附加剂或调整配合比来改善浆液性能。

4．4．2．3 骨料砂浆

骨料砂浆是将河沙、石子按一定比例配制，再加入水泥浆而成的浆料，主要用于采空区、较大溶洞及断层与断层交叉处的导水主通道中的注浆。

骨料砂浆的配合比为:石子∶河沙=1∶0.8(体积比)。骨料砂浆的使用依据:一是钻探中发生有“掉钻”现象;二是压水时水泵不起压，有倒吸水现象;三是吸浆量很大，久注不起压。

4．4．3 注浆方法

本工程采用单液水泥浆进行正常固管注浆;水泥－粘土浆进行帷幕防渗、裂隙充填注浆;骨料砂浆加水泥浆进行采空区及溶洞充填注浆。遇裂隙、破碎地层可采用单液水泥浆或水泥－粘土浆并控制浆液初凝时间和扩散范围进行注浆。

4．4．3．1 正常注浆

选择合适的浆液类型，进行浆液制备，按照确定的注浆段进行注浆。正常注浆时，随着注浆量的增加，孔口压力表压力值从无到有，由小变大，逐渐升高，并最后达到设计终压，吸浆量也同时会逐渐减少，最终达到结束标准，再继续注入30 min后，无异常现象，停止注浆。

4．4．3．2 特殊注浆

本工程特殊注浆是针对特殊孔段的注浆。即采空区、大裂隙、大溶洞。特殊孔段注浆方法主要是骨料砂浆注浆。即加入适当骨料，再进行水泥砂浆注浆。

骨料砂浆的注浆方法是:先下骨料再注入单液水泥浆，根据下入骨料多少和空洞大小决定采取何种方式和材料，以及何种配比。因为各种浆液的配比不同，其初凝时间跨度很大，从几十秒到几小时不等，需现场临时决定。

下骨料时必须提出止浆塞，孔口接一漏斗再下入注浆管，注浆管下至离孔底1 m左右;注浆管应与钻机立轴合齿，以备下骨料堵塞时便于转动注浆管;骨料用少量清水(或稀浆)冲下;每隔5 min开动钻机转动一次，转动注浆管，借钻杆转动的作用拨动停留在钻孔半路的砂子、石子，每隔10 min提动一次注浆管，测定骨料堆积高度;如上升高度＞1 m，应停止注骨料，转动钻杆，加大注浆量，再次提动钻杆测高，决定是否继续投入骨料。当注入骨料高度超过空洞或导水通道顶板高度0.5～1.0 m时开动钻机，转动钻杆，直至砂面不再下降确认骨料顶面高度确实达到标准，停止下骨料，重新下止浆塞，再次按正常方法注浆，直到达到注浆结束标准。

4．4．4 质量控制

4．4．4．1 原材料的质量控制

主要原材料为水泥和粘土。进厂前查验合格证，严禁使用不合格产品。专人负责定期抽查批次合格证。

4．4．4．2 注浆浆液的质量控制

严格按配比进行浆液的配制，标定加料量不得随意更改。每班每孔段都要有浆液测试记录，试块制作由技术人员下达指令，浆站记录员负责制作、登记、养护。各种注浆记录真实、完整、齐全、规范。

4．5 发现的问题及采取的措施

4．5．1 发现的问题

(1)单液水泥浆在注浆时发现单位吸浆量偏大，压力偏小，存在浆液不凝固现象，注浆量较大，超出预计值30%左右。

(2)骨料砂浆注浆时，骨料下放出现堵孔情况，按照设计的方法处理效果不明显。

4．5．2 采取的措施

(1)帷幕单液注浆调整了浆液的水灰比。正常注浆由原来的0.8调整为0.7，初始注浆调整为1.33。采用先稀后浓，逐步变浓的方法进行注浆，注浆结束时，采用浓浆结束法。

(2)采用间歇注浆，并调整注浆液的浓度和比例，增加1%的附加剂，以缩短其凝胶时间，减少浆液流失，提高注浆效果。

(3)将骨料砂浆的配合比调整为1∶1，增加了河沙的比例，保证了骨料砂浆的流动性。同时，对骨料粒径进行了严格筛选，保持在孔内环状直径的1/4左右。

(4)改进了操作工艺，保持上料均匀，冲水量适当;注浆管底部的透浆孔由4个增加到6个，直径为20 mm，保证了浆液能把骨料迅速扩散到空洞四周。

5 结语

在整个施工过程中，由于正确的选择了采空区的治理方法，严格的执行了施工组织方案，对发现的特殊问题及时采取了对应措施，取得了良好的效果，保证了施工的顺利进行，使施工工程得到了圆满完成。通过本次治理工程的实施，探讨了采空区注浆加固治理工程设计和施工理念，总结了施工过程中各种问题的解决方法和成功经验，拓展了类似工程的设计思路，也为今后的施工打下了基础。

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