高速公路下伏采空区加固技术
2015-06-01
1 概述
1.1 地理位置：乌鲁木齐绕城高速公路(东线)起自甘泉堡工业园区，接吐乌大高速公路，经乌鲁木齐东，止于吐乌大高速公路乌拉泊互通，根据路线总体走向，不可避免的穿越采空区。
1.2 区域地质概况
1.2.1地形地貌
拟建场地位于米东区铁厂沟，属低山丘陵区，总体地势南高北低，海拔高程在778～893m之间。
1.2.2地层构成
拟建场地地层主要由①杂填土②黄土状粉土③卵石土④全风化基岩⑤强风化基岩⑥煤⑦微一中风化基岩构成。现分别描述如下：
①填土：黄褐色、灰色、黑色、灰黑色，在拟建整个场地均有分布。厚度 0.5-6.0m。松散稍湿。
②黄土状粉土(低液限粉土)：黄褐色、灰褐色，在场地内大部分区域有分布，埋深5-6.0m，厚0-20m，干强度高，韧性低。稍密稍湿。
③卵石土：青灰色，在场地内大部分区域有分布，埋深0.5-20m，厚0-50m，亚圆状，一般颗粒2-5cm，最大0.5-1.0m，级配一般，骨架颗粒占60-70％，充填物为中粗砂。
④全风化基岩：灰褐色、灰色、灰红色。整个场地均有揭露，埋深5-70m，以砂岩、泥岩为主，风化剧烈呈土状、碎块状，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，岩石质量指标为极差。
⑤强风化基岩：灰色、灰绿色、灰黄色。整个场地均有揭露，地质年代属侏罗系西山窑组，岩性为泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、炭质泥岩夹煤层,岩体破碎，岩石质量指标为极差。
⑥煤：灰黑色、黑色。整个场地均有揭露，受地层产状影响，埋深及揭露厚度均变化很大，地质年代属侏罗系西山窑组，呈沥青一弱玻璃光泽，煤岩成份以亮煤为主,岩石质量指标为极差。
⑦中一微风化基岩：灰色、灰绿色、灰黄色，整个场地均有揭露，地质年代属侏罗系西山窑组，岩性为泥岩、砂岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩。结构部分被破坏，风化裂隙发育，岩体为切割成岩块，岩石质量指标为差。
2 采空区处治方案
2.1 采空区处理总原则：处治后路基的承载力与变形稳定性，应能满足高速公路工程施工的要求，且保证在公路设计使用年限内，不发生超过高速公路规定的允许地基变形界限值和强度破坏。
2.2 治理目的：注浆的主要目的是固结由于基岩变形引起的裂缝和空隙，同时充填局部地段小窑采空造成的空洞。通过注浆，封堵岩体不连续面(主要包括裂隙、岩层层面、断层等)，注浆后，依靠浆液的渗透力把岩体结构面黏结在一起，使岩体完整性增加；增加固结岩土的结构强度。提高路基的整体性和稳定性，确保公路安全使用。
2.3 预留安全煤柱各区划边界的确定：根据有关理论，结合同类工程经验以及长观资料，对采空区各区划边界进行确定。根据煤层走向，煤柱破坏角为85°、移动破裂角为70°，走向稳定角为68°，煤柱破坏移动区、变形区、稳定区在现有断面上的分布情况见典型断面采空区示意图。
采空区注浆治理范围的确定采空区治理范围包括沿公路轴线方向上的治理长度、垂直轴线方向上的治理宽度及地下治理深度和注浆段的高度。注浆范围与空洞的分布、埋藏深度、上覆岩性及路基类型(挖方、填方)等因素有关。采空区治理范围为：
（1）采空区注浆治理长度：采空区治理的长度为公路路线走向上采空区实际分布长度，并考虑增加覆岩移动角影响范围内的治理长度。
（2）采空区注浆治理宽度：对于路基下采空区，治理宽度选取设计原则是确保周围未治理的采空区塌陷时对拟建高速公路的路基、路面不引起开裂、下沉等变形。
L：D+2d+2(hcotψ+Hcotδ)
其中：P—公路路基底面宽度；d—路基维护带一侧宽度，取l0m；H—采空区上覆基岩厚度；
ψ—松散层移动角；δ—走向方向采空区上覆基岩移动角；h—松散层厚度。
采空区治理深度：根据路基设计规范以及以往的工程处治经验，采空区处治深度为地面至采空区(或煤层)底板以下不小于3m。
2.4 注浆施工顺序：1)先帷幕孔施工，后充填、固结孔施工。2)帷幕孔按“分序加密、隔孔灌注”原则实施，共分二序施工。3)固结孔按"分序加密、隔排隔孔灌注"的原则实施，即间隔一排灌注，同一排的孔与孔之间隔孔灌注，共分四序施工。4)同一次序的孔可以同时施工：不同次序的孔，在前一次序的孔全部注浆完成后，方可进行后一次序孔的钻孔施工。注浆工作也应间隔式分序次进行，1序次孔浆液可能扩散范围较大，2序次孔注浆将使前序次未充填的空地得到再次充填，从而提高充填率。
2.5 钻进方法：为保证施工进度、提高钻孔效率、解决成孔困难的问题，钻孔采用套管跟管钻机钻进，但套管不得隔离拟加固注浆段地层。
2.6 注浆结束标准：1)对帷幕注浆孔，注入率控制为70L/min，各注浆段的孔口注浆压力达到设计压力并维持10min，结束该段注浆。2)对充填、固结注浆孔，注入率控制为70L/min，各注浆段的孔口注浆压力达到设计压力并维持l5min，结束该段注浆。3)距注浆孔口3.0m 范围冒浆，结束注浆。4)各类注浆孔，注入率控制为50-150L/min，当注浆段孔口注浆压力陡升，超过设计压力值后，难以维持稳定，继续上升，可直接结束该段注浆。最终标准可根据现场试验段的情况优化调整。
3 钻孔与注浆
3.1 钻孔：根据地层特点、岩石可钻性、帷幕注浆、固结注浆等条件，并考虑工期紧张等综合因素，本工程选用履带式跟管钻机进行钻孔。
3.2 注浆施工
3.2.1一般要求：注浆必须采用三参数(压力、流量、水灰比)控制。施工次序：帷幕I序孔钻孔、注浆→帷幕II序孔钻孔、注浆→先导孔钻孔、注浆→充填、固结I序孔钻孔、注浆→充填、固结II序孔钻孔、注浆→充填、固结III序孔钻孔、注浆→充填、固结Ⅳ序孔钻孔、注浆→检查孔钻孔→物探测试→注浆→封孔。注浆试验施工结束后，进行注浆效果检测，按以下顺序进行：检查孔钻孔→物探测试→注浆→封孔。
3.2.2注浆方法：注浆有多种方法，按照浆液流动的方式分纯压式注浆和循环式注浆；按照注浆段施工的顺序分有自上而下注浆和自下而上注浆（套管灌浆法）等。①钻进过程中，未出现掉钻、空洞，能一次性钻进到设计深度的注浆孔，采用上行式注浆方式；②钻进过程中，出现掉钻、空洞，难以达到设计深度的注浆孔(主要分布于煤柱外侧的1-3排帷幕孔和注浆孔)，采用上行式注浆方式，即自上而下分段纯压式注浆和孔口封闭纯压式注浆相结合的注浆方式。它的施工程序是：套管护壁钻孔→下入灌浆管→起拔套管（30～50m）→安装灌浆塞→灌浆→再起拔套管及灌浆管（30～50m）→安装灌浆塞→灌浆→重复上述工序，灌注至孔口。
3.2.3帷幕施工：为形成有效帷幕，帷幕孔原则按“小间距、低压力”布设。对于在帷幕孔和煤柱外侧注浆空钻进过程中，发生掉钻且空洞较大时。①进行预填骨料注浆，填料（风积砂、天然砂、砾），粒径设计推荐 0.5～2cm，具体可根据现场试验结果及现场施工实际情况进行优化调整；②采用水泥粉煤灰浆进行低压、限流、限量、间歇注浆法灌注，达到设计终止注浆标准后，结束该段注浆。具体方法根据试验段的试验及现场施工的实际情况择优选用。
3.2.4封孔：每个注浆孔全孔注浆结束后，应及时进行验收，验收合格才能进行封孔。注浆过程中，当注浆结束后，通常全孔已经充满浆体：可直接在孔口段进行封孔注浆处理。
