压力注浆在太中银铁路老采空区地基处理中的应用-论文.pdf

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路基工程SubgradeEngineering2014年第2期(总第173期)DOI：10．13379／j．issn．1003—8825．2014．02．39压力注浆在太中银铁路老采空区地基处理中的应用张军，闫利成，张广乾(内蒙古铁道勘察设计院有限公司，呼和浩特010050)摘要：太中银铁路工程的LDK629+950～LDK630+650段，经过未处理的采空区时可能产生严重危害。针对老采空区地基的处理方案进行了分析；结合现场实例，阐述了采空区处理深度、宽度、孔位布置、浆液配比等施工技术要求，实践结果保证了工程质量。关键词：老采空区；稳定性评价；地基处理；注浆加固；设计施工中图分类号：U213．1文献标志码：B文章编号：1003—8825(2014)02—0174—050引言渡，倾向135。左右。其中，LDK630+330产状138。采空区根据形成的时间长短，可分为新采空区／38。，LDK630+030产状130。／14。。和老采空区。新的采空区可通过收集采矿资料，结1．3地层岩性合地勘报告，有针对性地采用开挖回填、强夯、灌主要由侏罗系中下统(J。一：)砂岩、泥岩及煤浆、桩基础等综合手段治理，保证上部建筑结构不层组成，强风化一弱风化，厚度大于100m。砂岩胶受采空区影响。结较差，易风化，泥岩具膨胀性，F=29％～但是，对老采空区，特别是古小煤窑，开采无52％，遇水易崩解、软化，失水收缩、干裂。规则，随意较大。虽然经过长期的自重压实，但煤层分布不稳定，不具规律性。具有开采价值开采引起的地下空洞、裂缝和冒落区土体的欠密实的煤层有5层，厚度不均匀，为0．8～2．0ITI。路堑等现象仍然存在。铁路选线时应尽量绕避，若必须下的采空洞洞顶埋深高程为1287．90～1319．93m，通过时，铁路路基工程通常采用压力注浆充填法。采空顶板距离路肩的厚度为4．0～34．0m。本文结合太中银铁路工程的LDK629+950～1．4古小窑老采空区情况LDK630+650段实例，阐述了老采空区地基处理的经调查、物探及钻探确定，本段路基下面有采设计方案及施工技术，实践结果保证了工程质量。空存在，开采时随意性较大，巷道式无序开采，见供类似工程参考。煤即挖，属于古小窑老采空。地面有大小不等的塌陷漫坑。1工程概况太中银铁路LDK629+950～LDK630+650段位2古小窑老采空区稳定性计算及评价于宁夏境内，线路以挖方通过，最大挖深24．5m。2．1顶板稳定性计算1．1地形地貌地下矿层采空后，矿层顶板一旦破坏，上部岩本工程位于宁夏灵武市以东的低山丘陵区，山(土)体失去支撑，平衡条件被破坏，采空区上方岩势平缓，起伏不大，山顶多呈圆顶状、梁状。体随之将产生较为复杂的移动和变形。采空区上方1．2地质构造岩体的变形，总的过程是自下而上逐渐发展的盆状磁窑堡向斜西翼，岩层呈单斜状，产状平缓，沉落。按岩体的破坏、移动程度，自下而上划分为从路堑边坡来看，地层分布连续，未发现褶皱构造三个不同的影响带，即冒落带，裂隙带，弯曲带。与断层形迹。岩层产状从改LDK629+950～2．1．1小窑采空顶板临界深度改LDK630+650，逐步从近于水平向倾角50。左右过顶板临界深度Hn按式(1)计算收稿日期：2013—05—17风：——(1)作者简介：张军(1973一)，男，内蒙古呼和浩特人。工程师tan(45。一)tan从事铁路勘察设计工作。E-mail：zjunhtsj@sina．eom。 张军，等：压力注浆在太中银铁路老采空区地基处理中的应用式中：2a为采空宽度，取3m(根据勘查取值)；掘活动等多种因素的影响，实际变化很大。为顶板岩层的内摩擦角l2'，取65。。经计算，／4o=28．5m3老采空区地基处理方案选择2．1．2小煤窖坍塌高度小型采空区一般变形的延续时间长，成为长期采用坍塌平衡法计算小窑顶板坍塌高度h，按隐患，宜尽量绕避。若线路必须通过时，根据勘察式(2)计算结果，采取以下处理方案：B／、(1)跨越：利用桥梁跨越，桩基穿过采空层。2—At—an0LzJ(2)强夯加固地基：对于埋深较浅的采空区域，式中：曰为洞穴宽度，取3m；A为侧压力系数，A根据采空深度并结合地层岩性，采用强夯法处理。=tan(45一／2)；为内摩擦角；0为滑移面的摩(3)回填：较浅的采空区域可以直接明挖回填。擦角，取0．9‘D。(4)压力注浆：对于埋藏较深的采空区，或多经计算，h=18．7m层次重叠交错开挖的小型采空区，采用压力注浆2．2小型采空区地基稳定性计算填充。当建筑物修建于小型采空区的影响范围以内时，本工程线路以挖方通过，采空区埋藏较深。开需验算地基稳定性j。采空区临界深度计算式为采随意，巷道无序，根据勘察报告，对于异常区域确定采用注浆加固。2aT+^／4a2y2+8ayRtar~·tan2(45。一詈)=———————————————2ytaru．ptanz(45。一)4老采空区注浆加固处理设计二4．1采空区处理深度(3)路堑基床顶面以下小于1．5(45m)的采空层，式中：2o为采空宽度，取3m(根据勘查取值)；需作处理。为顶板岩层的内摩擦角；为上岩层容重，kN／m；4．2采空区治理宽度R为建筑物基底单位压力，kN／m。治理宽度为受保护对象外留围护带向两侧按岩取值：：65。，=22kN／m，R=60．9kN／m层移动角考虑，所确定的边界宽度经计算，no=31．0m。B=受保护对象+围护带宽度+r左-ct左+2．3地基稳定性评价H右·ctg8右(4)依据临界评价，采空区顶板及地基稳定性的式中：B为治理宽度，m；受保护对象为路堤以两侧方法：路堤坡脚外1m为界，路堑以两侧堑顶边缘为界，(1)当顶板厚度H1．5风时，顶板及地基稳定，在采空芹、卢右为采空区上覆岩(土)移动角。区上的建筑工程可不作工程处理。经计算确定采空区处理宽度，见表1，路堑处顶板为第四系土层时，按照3：1换算为岩层理范围示意，如图1。厚度。表1采空区处理计算宽度m根据勘察结果，采空顶板距离路肩的厚度为4．0～34．0m，基本小于临界深度Ho(按30．0m考里程譬虑)，属于顶板不稳定区。需要处理该段采空区。LDK629+95081．140．0103．170．4173．5由于采空区的塌陷受各种因素的控制，本次所LDK63O+080109．540．0123．283．0206．2采用的两种计算方法，均对其各种假设条件进行了+17O123．240．0130．91O2．3233．2简化。考虑到铁路工程的安全、采空分布的复杂和+250118．240．O116．794．82I1．5煤层长时间风化的失稳，以及目前采空段落地面变+400l10．O40．0114．4108．8223．2形等情况，该区该类型的采空区临界深度按30．0m考虑。需要说明的是，该数值不仅仅受岩体+5ooll4．140．0l19．196．9216．0结构的影响，同时受洞穴形态、地下水以及附近采注：LDK630+500～+650按LDK630+500宽度处理。 路基工程·176·SubgradeEngineering2014年第2期(总第173期)程度的大小综合确定，遵循路基面宽度范围加密，1n丑一，。其它部分适当放宽的原则。、．、路基基床平面范围注浆孔间距采用5m×5m；路基边坡范围注浆孔位于边坡平台上，每级平台设置一排注浆孔，纵向间距51TI，横向间距12m；其它区域孔间距采用12m×12m。煤层倾向较低侧设图1路堑处理范围示意(单位：m)置一排帷幕注浆孑L，孔间距为3mX3m。桩孔布置4．3采空区注浆孔间距设置原则见采空区桩孔平面布置，如图2。注浆孔间距根据路基各部位对于铁路安伞影响图2采空区处理桩子L平面布置4．4浆液材料钟，可结束该孔的注浆施工。采用水泥粉煤灰浆液灌注，其水胶比为1．0：1．0注浆开始后，要定时观测泵的输浆量和泵压，～1．0：1．4。普通注浆孔水泥与粉煤灰的重量比为记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，3：7。施工前，按施工时使用的水泥和粉煤灰，在试并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。验室做浆液配合比试验，试验内容包括，浆液在不4．5．3注浆注意事项同配比下每立方米浆液中干料含量、浆液比重、初施工帷幕孔时，如输浆量过大，则需要采用间凝时间、终凝时间、结石率和试块无侧限抗压强度歇式注浆法施工，或在孔口加一漏斗状的投砂器，等，设计中无侧限抗压强度按0．3MPa控制。帷幕用浆液将砂或石屑带人孔内，必要时增加浆液浓度孔浆液材料选用水泥与粉煤灰的重量比，为4：6浆或加大速凝剂的掺人量，以减小浆液的流失。液，并在浆液中掺加水泥重量2％的速凝剂，使注普通加固孔注浆过程中，若出现地表大量跑浆入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液时，应采用间歇式注浆，或减小泵量及采用地表充流失。填裂隙的措施，阻止浆液从地表大量流失。4．5注浆注浆压力，一般维持在0．3～0．5MPa，当达到4．5．1施工顺序单孑L注浆标准时，结束注浆。先施工帷幕孔，再施工路基加固孔。按采空区4．6注浆量计算的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置的注4．6．1单孔注浆量浆孔及构造物工点处的注浆孔，再沿倾斜方向由低单孔注浆量计算式为向高、由边部向中心展开施工，钻孔分二序次进行。q=Q／n(5)4．5．2单孑L注浆结束标准式中：q为第i区域单孔注浆量，m，根据采空区采在灌浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量取率、塌落充填及地层岩性等，将注浆加固范围划小于5L／min，孑L口压力≥0．3MPa时，稳定l0分分为m个区域，第i区域内注浆孔个数为rb，其中i 张军，等：压力注浆在太中银铁路老采空区地基处理中的应用取值为1，2，⋯m；Q为第i区域内注浆量，111，Q=A叼／C，其中Ai为第i区域浆液损耗系数，取1．25，vi为第i区域内的采出煤层体积，取0．2～0．3倍煤层体积，叼为第i区域内采空区及上覆岩层中的裂隙的充填率，取0．75，C为第i区域内浆液的结石率0．75，以上各参数根据勘察资料拟定。4．6．2总注浆量总注浆量按式(6)计算图3工艺流程imi；rtknP=∑Q=∑∑‰(6)5．1测量放孔位注浆孔应用全站仪器法实地测量放样，钻孔实式中：k取值为1，2，⋯，n。由于采空区域的隐蔽性和地层的复杂性，现场际位置，原则上不应超过设计位置1．0m。5．2成孔注浆量往往与理论计算存在一定差距，最终应以实(1)采用4,130mm钻头开孔，钻至完整基岩5m际发生量为准。后，下人西127mm套管护壁，然后变径为91mm。4．7质量检测在第四系卵、砾石层的钻探过程中采用跟管钻进。采空区治理工程竣工6个月后，对注浆质量进(2)采用西91rnm钻头，钻至采空区中的塌陷行检测，作出综合评价。冒落带底板或煤层底板以下不小于2．0m终孔。4．7．1钻探5．3浇筑孔口管采用钻孑L检测采空区注浆工程质量，按施工注将一端带有4,120～130mm法兰盘的50mm浆孔的2％布置检测孔，位置宜布置在可能存在问注浆管下人孑L内变径处，孔内投入20em厚砾石，题的地段。检测孔深度等同注浆深度，孔径采用108以堵塞大的缝隙；之后，投人30em厚黏土，防止mm，钻孔施工工艺与注浆孑L施工工艺相同，通过孔浆液大量渗漏，再灌入水灰比为1：1．5～1：2．0的稠内取芯直接观察采空区的浆液充填情况。要求取芯水泥浆，浇筑高度4～61TI。浇筑要求达到注浆过程完整，基岩裂隙浆液充填痕迹明显。有水泥结石体中浆液不会从注浆孔壁四周溢出，水泥浆液中加入范围，浆液基本填满，可见裂隙。取芯注浆岩体无水泥重量2％的速凝剂，快速将注浆管与孔壁固结。侧限抗压强度不小于0．3MPa。灌浆孔浇注孔口管示意，如图4。4．7．2物探jk力表通过测定波速的方法，检验注浆质量。根据本工程地层岩性，孔间地震波纵波波速不小于1300松散m／s[2]孔内剪切波速不小于160m／s[6]。，4．7．3压水试验通过压水试验，确定空洞及裂隙的充填情况。裂隙透水率不大于l0Lu。4．7．4沉降观测每100m设置1个沉降观测断面。观测期为采空区治理施工前1个月至施工结束后12个月，其中施工前1个月至施工后3个月每周观测1次，以后每月观测1次。在全面分析研究这些资料的基础上，最终确定5．4质量是否合格，是否需要补充注浆。5．4．对浆液中主要材料水、水泥、粉煤灰的质量，5注浆加固处理施工要求严格监控，必须符合国家质量检测标准，禁止工艺流程，见图3。不合格材料进场地。 路基工程SubgradeEngineering2014年第2期(总173期)5．4．2性能指标检测水泥结石率达到85％以上，未发现空洞及其它异常注浆前的试验工程中，按1：1．0～1：1．4水胶比现象。取芯注浆岩体无侧限抗压强度均大于分别调配浆液，进行其密度、结石率和试块的无侧0．3MPa。限抗压强度值检测，最终由设计单位和监理单位共(3)压水试验测定，裂隙透水率基本小于同确定，作为现场检测的依据。10Lu[引。5．4．3注浆泵校核(4)孔问地震波CT结果显示，波速范围均在注浆泵流量是控制注浆量的唯一合法计量依据，2000～5000m／s，孑L内剪切波速均大于160m／s，注必须定期抽检校核，维护其准确性。浆效果较好。注浆压力是反映注浆终孑L的一项指标，要求定期对压力表进行校核。7结语5．5注浆结束标准实践证明，在铁路路基工程中，采用压力注浆灌浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小充填法对老采空区处理时，方法简捷，工序单一，于5L／min时，孔口压力i>0．3MPa，稳定10分钟，治理效果明显，保证了工程质量。可结束该孔的注浆施工。5．6注浆量记录参考文献：[1]孟庆文，张军，等．宁东占小窑采空区处理[R]铁道第=：勘察设计注浆量是注浆孔内空洞、裂隙被浆液充填的真院集团有限公司，2010．实数据反映，施工中，按时记录、汇总每个孑L的注[2]铁道部第一勘测设训院铁路工程地质手册『K]北京：中国铁道出浆量。资料要齐全，数据要真实。版社，1999[3]董红霞．采空区注浆地基处理方案的设计与施工『J]11l西建筑，2012，38(32)：61—62．6加固效果[4]JTGD30-2004公路路基设计规范Sj．北京：人民交通出版检测单位于2010年11，12月，对注浆加固区社．2oo4域采用钻探、物探等综合方法进行了检测。[5]王晓峰．高速公路下采窀区充填注浆治理技术研究[J]．科技情报开发与经济，2012，22(24)：I39．(1)沉降观测。地基基本处于稳定状态，观测[6]工程地质手册[K]北京：中国建筑工业出版社，2007桩最大累积沉降值小于5mm。[7]中铁第五勘察设计院集团有限公司．太中银铁路宁东段采区注浆效(2)充填密实度检测。钻探取芯完整，加固体果评估报告[R]．2011ApplicationofPressureGroutinginFoundationTreatmentinOldMined-outAreaalongTaiyung--Zhongwei-·YinchuanRailwayZHANGJun，YANLicheng，ZHANGGuangqian(InnerMongoliaRailwaySurveyandDesignInstituteCorporation，Hohhot010050，China)Abstract：Whenpassingtheuntreatedmined—outareaalongtheLDK629+950～LDK630+650SectionofTaiyuan—Zhongwei—YinchuanRailway，serioushazardmayoccur．Theschemeforthefoundationtreatmentinsucholdmined—outareawasanalyzedtotheextentthat，combiningthesiteexample，thetreatmentdepth，width，holepositionarrangementandmixtureratioofgroutandotherconstructiontechniquesthereofwereelaborated．Thepracticalresultprovesthattheengineeringqualityisguaranteed．Keywords：oldmined—outarea；stabilityevaluation；~undationtreatment；groutingreinforcement；designandconstruction