注浆法处理工程设计

10.4.3　注浆法处理工程设计

目前公路下采空区的治理以注浆充填法为主。

1）设计要求

采空区的处理设计要求涉及采空区的类型、工程地质及水文地质条件及沉陷变形机理等因素。目前很难有具体的采空区处理设计要求，只能运用稳定性评价方法进行稳定性分析、评价及验算，确定一个合适的处理设计要求，或通过现场沉降观测及现场试验来确定。

其总原则为采空区处治后，地基的承载力与稳定性，均应和其他无采空区路段基本一样，完全满足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的变形和破坏。

由于目前公路部门尚未有采空区处治后地表变形及承载力的安全标准（安全界限），参照《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）、《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）等相关规范，及已实施工程的经验，地基处理后在设计基准期内，采空区地表变形建议应满足下列指标：

路基工后沉降桥台与路堤相邻处小于10cm，涵洞和箱型通道部位小于20cm，一般路段小于30cm；

地表倾斜值i≤3～10mm／m；

地表曲率k≤（0.2×10^－3～0.6×10^－3）／m；

水平变形ε≤26mm／m；

各指标低值对应分布有构筑物的路段，高值对应一般路段；

地基承载力应满足：p≤［p_b／4］，其中［p_b／4］为用弹塑性理论计算的地基塑性变形区的最大深度相应于路基宽度b的1／4时的荷载，p为地基受到的实际工程荷载。

2）设计程序

注浆法处治采空区的一般设计工作步骤如表10.11所示。

表10.11　注浆设计工作步骤

3）设计内容

采空区注浆设计内容如表10.12所示。

表10.12　注浆设计内容一览表

4）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、上覆岩性及路基的类型（挖方、填方）因素有关。

但应用目前国内《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）、《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）等尚不能对采空区等空洞的不稳定治理范围进行定量计算，只能进行定性分析；根据工程地质手册及地质出版社出版的《工程地质分析原理》，可以根据地面变形观测、地面调查测绘圈定或参考同类型采空区的裂缝角用类比法来预测采空区沉陷不稳定范围。这些方法主要是针对采空区地表建筑物来说的，至于公路路堤下采空区不稳定范围尚缺乏完善的确定方法。参照目前国内已实施工程及相关规范，采空区治理范围多采用如下确定方法：

假设路线中轴线与煤层走向AOB垂直，煤层倾角为α，见示意图10.5。

图10.5　路线与采空区（煤层）走向关系示意图

则沿煤层倾向方向上注浆治理长度计算简图见图10.6，计算公式为（10.14）：

式中：L——沿煤层倾向方向治理长度（m）；

H₁、H₂——分别为倾斜断面下山和上山方向的煤层开采深度（m）；

β、γ——煤层上山和下山方向基岩移动角；

φ——第四系移动角；

b——构筑物基础宽度（m）。

图10.6　采空区沿煤层倾向方向治理长度计算示意图

参照煤矿“三下”采煤的规范及铁路工程的有关规程，沿煤层走向方向采空区治理宽度的计算采用应力扩散角法进行，煤层倾斜、填方路堤情况下计算简图如图10.5和图10.7，经验公式为式（10.15）。挖方路堤情况下计算类似。

图10.7　公路下伏采空区沿煤层走向治理宽度计算示意图

式中：l——沿煤层走向方向治理宽度（m）；

B——路基设计宽度（m）；

H₀——路堤下方开采煤层的平均采深；

φ——第四系移动角；

δ——开采沉陷走向方向移动角，取当地采矿经验值；

b——填方路基的护坡宽度（m）；

c——填方路基外保护带宽度（m）。

全注浆充填法治理深度为地表至采空区底板高度；注浆加固围岩结构注浆段高度为弯曲带和断裂带高度之和；注浆柱法加固深度在采空区中部上方，在满足承载力要求和确定采空区已充分充填的前提下，可达到弯曲带中较稳定的硬塑性黏土层或基岩中，在采空区边界附近，应穿过采动破碎岩层和采空区到达煤层底板的完整岩体；在若要求对岩溶进行灌注，灌注高度应包括岩溶发育岩层在内。

5）注浆量预测

设采煤方式是长壁式，全部开采，垮落法管理顶板，则采空区注浆量预测方法如下：

（1）采空区残留空洞注浆量预测

假设采空区在煤层采出后经一定时间塌陷冒落，采空区上覆岩层的残余碎胀系数为k′，冒落带高度为H_m，现存空洞体积为V₁，则

V₁＝V₀－V

式中：V₀——煤层采出后的采空区体积和上部垮落岩石体积之和；

V——至处理前为止冒落碎胀岩石体积。

其中，V₀可以用下式计算：

V₀＝S·H·K＋S·H_m

式中：S——采空塌陷区平面面积；

H——煤层采厚；

K——回采率。

H_m按如下经验公式确定：

式中：k——岩石的碎胀系数。

则冒落岩石体积为

ΔV＝S·H_m·k′

式中：k′——残余碎胀系数。

（2）岩土体裂隙、溶洞注浆量预测

煤层采出后，裂隙带、弯曲变形带往往发育大量的裂隙、离层，而且在灰岩发育地区可能有溶洞的存在，这些都会造成注浆时浆液在非采空区部位的消耗，因此，必须对这部分的注浆量进行预测。

假设采空区治理范围平面面积为S，裂隙带高度为H_f，裂隙发育率为α（即占总体积的百分率）；弯曲带高度为H_b，裂隙发育率为β；上覆基岩高度为H_t，溶洞体积发育率为γ，则该部分灌注量V₂为

V₂＝S·H_f·α＋S·H_b·β＋S·H_t·γ

因冒落岩石体积的增加可看做是由于裂隙和空隙的增加造成的，则采空区内岩石经一段时间压密后，残余碎胀系数为k′，浆液向堆积物内部渗入消耗浆液计算如下：

V₃＝S·H_m·（k′－1）

（3）浆液实际消耗量计算

假设浆液结石率为δ，（1）和（2）两部分的设计充填率为ζ，则浆液实际消耗量V_总为

以上计算方法适应于单层采空区无水情况，对于多层富水采空区，情况就复杂得多。如果各层间间距较大，可以分层计算，再进行累加；如果各层采空区相互贯通，则可以合并成一层进行计算；如果富水，由于地下水对浆液的黏滞阻力，必然影响浆液的流动性能及其扩散距离，最终影响浆液的充填情况，这时就要结合室内外试验，确定注浆量。

注浆量预测的可靠度很大程度上和前期地质调查、勘察工作及不稳定治理范围的精确确定有关系，特别是采空区三带分布特点、高度，裂隙发育程度及粗糙度，岩体碎胀特性，采空区冒落充填情况的调查等。

6）注浆孔的布设

注浆孔距的大小与浆液有效扩散半径、注浆压力、空洞的充填情况及公路构筑物等有关。孔距与扩散半径的关系为：r＜L≤2r，其中r为按理论公式计算得到。高速公路各治理部位孔距应具体情况具体对待，不能取平均值。按如下原则进行设计：

（1）高速公路路基填土范围内为采空区治理的重点部位，各排孔间距应较小，L可取1.5r左右，均匀布设。

（2）路基两侧保护带为采空区治理的辅助部位，孔间距相对要大些，L可取1.8～2r，也采用均匀布设。

（3）桥头、箱涵通道等构造物部位，孔距应适当加密，L可取1.2r。

（4）如果能确定矿井巷道的确切位置，注浆孔要布置在巷道上，能保证巷道的充填效果。但对于小煤窑、集体小矿采空区，往往难以确定矿井巷道的确切位置，故此一般也采用均匀布置原则。

（5）治理范围边缘部位往往会产生浆液流失现象，为防止此现象，在浆液可能产生流失的部位须布置边缘帷幕孔。孔的布设间距一般要小，可以采取前后交错布置方式。

应特别指出的是目前注浆孔的布设，一般情况下采取均匀布孔的原则，但实际上由于采空区、巷道及水仓的布设，具有一定的方向性，而且不同治理部位，采空区冒落、充填、裂隙发育特点往往差异很大，造成吸浆量、浆液扩散范围极不均匀。均匀布孔方式往往造成注不满或注不下去现象的发生，因此，有必要对采空区进行分区，选择优势注浆区段，这方面的工作要结合地质、测绘、钻探资料进行。

图10.8　采空区注浆工艺总流程图

7）施工工艺

采空区注浆施工主要工序包括钻孔、封孔、制浆、注浆，总流程见图10.8。针对不同采空区类型，施工工艺流程可适当进行调整。施工时，一般先施工边缘孔，以形成有效的止浆帷幕，阻挡浆液的外流，后施工中间注浆孔；注浆孔钻探应分序次间隔进行，一般分二到三序次成孔；一序孔对采空区可以起到补勘的作用，根据实际地层及采空区情况对后序孔的孔位、孔距、孔数进行适当调整，以弥补均匀布孔设计的不足；注浆工作也应间隔式分序次进行，一序次孔浆液可能扩散范围较大，二、三序次孔注浆将使前序次未充填的空洞得到再次充填，从而提高充填率；倾斜煤层采空区应先施工沿倾向深部采空区边缘孔，采取从深至浅的施工序次。

（1）钻孔工艺

钻孔根据注浆孔的分段情况而定。一般用回转式钻机成孔，用直径146mm或127mm钻头开孔，钻至基岩5～10m，下孔口管，维护孔壁，用直径127mm或直径108mm钻头继续钻进。当采深较小时，直接钻至采空区底板后终孔，把采空区底板以上的基岩作为注浆段进行处理。当采深较大时，则钻至采空区覆岩中部一层稳定的坚硬岩层（如灰岩、砂岩）时变径，用直径89mm钻至采空区底板终孔，把采空区底板至较稳定的坚硬岩层之间的冒裂带破碎岩层作为注浆段进行处理，坚硬岩层以上，不进行注浆处理。帷幕注浆孔用直径146mm钻头开孔，钻至基岩5～10m后，用直径127mm钻头钻至采空区底板终孔。终孔后，用内径为50mm一端带有环形托盘（直径105mm或120mm左右）的注浆管下至变径处（采深较大时，下入第二个变径处），注浆管用丝扣连接，在中、上部用一个反向丝扣相连（以便注浆结束后，使上部注浆管能够反转提出重复使用），然后从托盘开始向上，用快硬水泥止浆，水灰1∶1.5～1∶2.0之间，将管壁与孔壁固结严密，止浆高度5～10m。

（2）制浆工艺

根据室内配合比及现场试灌试验确定的浆液配方，进行制浆。制浆流程如下图10.9。

图10.9　制浆工艺流程图

（3）注浆工艺

注浆孔结构装置简图见图10.10和图10.11。

图10.10　边缘注浆孔结构及浇注孔口管结构示意图

图10.11　注浆孔结构及孔口管结构示意图

①单层采空区

一次成孔、孔口封闭一次全灌注施工方式，见图10.12。

图10.12　单层采空区注浆工艺流程图

②多层采空区

针对具体情况，如果各层采空区相距较近或已经塌陷冒落互相贯通，则可采用一次成孔、全孔一次灌注的方法；如果各层采空区相距较远，且未相互贯通，则可采用分段成孔、分段灌注的方法。各段注浆间隔时间依室内及现场试验来确定。施工工艺见流程图10.13。

图10.13　多层采空区注浆工艺流程图

③富水多层复杂采空区

富水多层采空区的治理必须分段并结合适当的排水措施来进行施工。原因：一则采空区内地下富水，浆液由于水的浮托作用较难下到孔底，另则浆液沿塌落裂隙上窜，浆液过多流失到非注浆部位，为防止此现象，注浆管宜下到注浆孔底部，采取类似于水下混凝土的灌注方法，但考虑注浆管可能产生堵塞，建议注浆管宜下到所注采空区以上2～3m为宜，且封孔位置应当适当下移至基岩面以下15～20m。

④急倾斜（＞55°）煤层采空区

对于急倾斜煤层采空区，因采空区上部塌陷冒落物松散，强度低，如果浅部不进行适当处理，浆液会很快沿冒落裂隙窜出地面，充填效果不佳。所以对此种采空区一般采取在浅部（0～10m）用强夯法或注浆法加固，使其形成一个“硬壳层”，再钻孔至下部采空区注浆。

（4）灌砂工艺

在边缘孔钻探发现大空洞、巷道或耗水量大于1m³／min时，为防止浆液流失过多，可灌砂或细矸石等骨料。施工工艺有两种，分别见图10.14和图10.15。

图10.14　水泥粉煤灰浆液冲带砂的工艺流程图

图10.15　砂泵灌砂工艺流程图

8）施工控制

（1）注浆量控制标准

采空区治理区域边缘孔注浆宜采用定量注浆方式。设煤层采厚为h_ci，h为上覆基岩厚度，基岩裂隙率为α（设计充填率为δ），煤层开采后空隙率为β（设计充填率为ζ），浆液扩散半径为R，浆液无效损失系数为m，则单孔注浆量可简单估算如下：

Q＝πR²（h·α·δ＋h_c·β·ζ）（1＋m）

对于采空区注浆来说，要求在治理区域边缘形成相对有效的帷幕体，工程中可采用分序逐渐加密的原则进行注浆。当单孔吸浆量较大时，可采用间歇式注浆方式或孔口投砂。如果注浆孔布置合理，那么后序孔耗浆量应较前序孔适当递减。采空区注浆终孔可通过注浆量来控制，在某压力下，基岩吸浆量在5～20L／min，采空区吸浆量在20～50L／min，稳定时间在15min以上结束该段注浆。

（2）注浆压力控制标准

采空区注浆，由于存在残留空洞及大裂隙、离层，开始时不需要压力（p＝0）也能注入大量浆液，但在后序次注浆时，需要有一个压力控制标准，以在该稳定压力下，注浆量不大于某一个限值达到限定的时间段作为终止注浆的标准。根据经验，采空区注浆，在孔口注浆压力为0.5～2MPa，当基岩吸浆量在5～20L／min，采空区吸浆量20～50L／min，稳定时间持续15min以上或周围地面有冒浆现象时，可以结束注浆。对于分段注浆孔，各段注浆压力与裂隙、空洞发育程度、充填程度及充水情况等有关，一般上段注浆，由于采空区的塌落裂隙，上段注浆压力不能太大，以1MPa以内为宜；下段注浆（特别是深层注浆）压力可以适当升高，可达到2.0MPa以上。

由于地质条件的复杂，现场施工时，往往采用注浆量与注浆压力相结合的控制方法。对于边缘注浆孔，经常出现某钻孔注浆时间较长、耗浆量很大、注浆压力不上升等现象，此时就应该采用定量控制的方法，间歇注浆，直至起压满足压力结束标准为止。对于中间注浆孔，为达到设计充填程度，一般采取定压控制方法。

9）施工质量检验标准

采空区注浆施工主要工序质量评定标准见表10.13。

表10.13　采空区注浆施工主要工序质量评定标准