高速公路跨越磷矿采空区处治技术研究_王晓飞.pdf

运输经理世界道路工程与技术0引言采空区变形是一个复杂长期的过程，采空区地基稳定性受地质条件、采掘方式、采深、开采时间等诸多因素影响，采空区下沉会造成地表坍塌，结构物损坏、开裂等破坏。因此，高速公路修筑前，需要对采空区进行处治。某高速公路受互通立交布设、地物分布影响，须穿越一磷矿采空区，工程以路基形式穿过。1区域自然地理条件1.1 区域地形地貌采空区所在区域地貌类型为河间平地，其次为低丘，低丘零星分布于采空区南部。河间平地地形较平坦，微起伏，向南东缓倾，分布标高 20.227.2m；低丘零星分布于高速公路建设区外的南部（孤山），分布标高 33.044.3m，丘顶浑圆，丘坡较缓，坡度 1218。1.2 气象条件采空区位于北暖温带南缘，属于暖温带半湿润季风气候区，有明显的过渡性特征，主要表现为气候温和，光照充足，四季分明。多年平均气温 14.7，多年平均降水量 808.6mm。1.3 工程地质概况采空区地表为耕植土，其下主要为第四系粉质黏土、粉土、中砂、粉砂及第三系灰白色泥灰岩夹砂岩，松散层最大厚度约 150m；其下基岩为二叠系、石炭系煤系地层的页岩、泥岩、砂岩及奥陶系、寒武系、震旦系的碳酸盐岩、钙质页岩、钙质粉砂岩，岩层断裂、节理发育。2采空区形成背景及特点此段磷矿始采于 1969 年初、闭坑于 1996 年底，累计开采约 100 万吨，共有主井、副井两个井口。主井井口位于主线左 560m 处，为斜井，坡度 28，走向 334，斜长约 290m；副井井口位于主井西北方向 135m 处，为斜井，坡度 30，走向 334，长约 151m，副井井口已被城市建设平整场地时掩埋。井下巷道呈东西向布置，长约 1100m，其中主井以西巷道长约 570m，以东巷道长约 530m。在不同的开采部位各有一个主巷道（运输巷道），共有 4 个。平面上呈平行状。主巷道高约 1.9m，宽约 2m，总长度约4400m。该矿开采矿层仅 1 层，矿层倾角约 60，走向 56，矿 层 厚 度 1.92.3m，分+35m、+10m、-20m、-50m（相对高程）四个开采水平，自然坍落式管理顶板，磷矿层回取率约 65。矿层大部分为井下巷道式分层开采，局部为露天开采。该磷矿开采深厚比 H/M40，属于浅层开采，通过钻探揭露，该磷矿层顶板岩性为震旦系钙质页岩、钙质粉砂岩；底板岩性为震旦系下统中厚层状砾岩（角砾成分为白云岩）。采空区埋深在 53.180.5m。依据采矿调查、工程调绘、物探综合确定的采空区范围为 K65+869K65+964，路线跨越该矿的采空区长度为 95m。3采空区稳定性评价依据 采空区公路设计与施工技术细则（JTG/TD31-032011）划分，属倾斜采空区，采空区地表移动变形计算采用细则“附录 D”中倾斜矿层（1575）高速公路跨越磷矿采空区处治技术研究王晓飞（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）摘 要：针对高速公路建设跨越采空区场地，难以准确对采空区稳定性进行评价及处治的难题,首先，通过收集磷矿采空区资料，开展现场调查对采空区稳定性加以预判，其次,依据规范及现场资料对磷矿采空区进行优化处治，最后,对高速公路跨越磷矿采空区进行质量复核。研究表明：磷矿已经停采，但磷矿开采导致地下空洞，采空区仍在下沉。根据方案比选，在高速公路跨越采空区影响范围采取注浆处治方案是保证工程质量的最佳方案，工程实践表明，采空区处治后，高速公路运营情况良好，在优化高速公路特殊地质线路选线方面有重要的实际意义。关键词：高速公路；采空区；稳定性评价；注浆中图分类号：U418文献标识码：A19运输经理世界道路工程与技术概率积分法计算1。表 1 地表移动变形计算参数表参数矿层倾角矿层法线方向厚度下山边界采深上山边界采深下沉系数综合剩余沉降系数主要影响角正切值开采影响传播角水平移动系数符号mH1H2atanb参数值602.1m136m7.0m0.860.151.7660.455表 2 采空区稳定性计算结果表参数最大沉降量最大剩余沉降量剩余倾斜量剩余竖曲率最大剩余水平变形单位mmmmmm/m10-3/mmm/m结果3612541.89.03131.50.12948.50.11.935高速公路采空区路基容许变形值要求，倾斜值容许值为 4mm/m，水平变形值容许值为 3mm/m，曲率值容许值为 0.3mm/m2。该磷矿采空区钻探过程中仍揭露出较大的空洞体积，存在继续变形的空间；采空区地下水位较浅，距离地表仅 2.63.0m，采空区空洞内充水，采空区覆岩在地下水长期软化作用下，岩石强度降低，采空区覆岩存在继续向空洞内垮落的可能性较大，剩余空洞体积仍存在着引起采空区继续变形的危险，采空区未沉降稳定2。根据上述计算结果及采空区勘察成果，综合分析该磷矿采空区处于不稳定状态。4采空区处治设计采空区处治方案设计应充分收集区域自然地理条件和工程地质条件，以及采空区的形成背景及特点，查明采空区原矿开采范围、深度和开采方式，结合高速公路路基填筑方案和路面结构方案，在保证路基路面安全、耐久的条件下，坚持一次根治、不留后患的原则，尽可能采用经济、环保、方便施工、便于检测的处治方案，合理利用与保护矿产资源。采空区主要处治方案有注浆法、支撑法、开挖回填法、巷道加固法、强夯法、跨越法等。支撑法、开挖回填法、强夯法、巷道加固法适合埋深较浅的采空区；埋深较深的采空区适合使用注浆及跨越法进行处治。经综合比选，选择注浆方式进行采空区处治。4.1 采空区影响范围采空区的影响范围指采空区在沿公路纵向和法线方向的垂直影响区面积。路线纵向影响范围综合考虑采空区在路线纵向上的投影长度和采空区覆岩上、下山方向移动角影响长度。法线方向上影响范围应综合考虑路堤边坡宽度、围护带宽度和采空区上覆岩层的影响带宽度。覆岩影响角度取值依据钻探揭示的地层岩性分层确定。计算图式见图 1、图 2。图 1 采空区公路纵向影响长度计算示意图图 2 采空区公路法线方向影响宽度计算示意图在确定采空区范围及采空深度后，按照基岩移动角方向投影到采空区上部松散层底部，再按照松散层移动角方向延伸至地表，即确定采空区影响范围。经计算，该采空区影响范围为 K65+836K66+090，沿线路影响长度为 254m。因此，该采空区的处治长度为254m，处治宽度为 70157m，处治深度 0136m。4.2 注浆量计算采空区影响范围确定后，应对注浆量进行计算，首先对剩余空洞体积进行估算，估算公式（1）如下3。剩余采空区的体积（V）：V=S M K （1）式（1）中：S采空区平行于层面方向的面积（m2）；M矿层法线方向平均厚度（m）；K矿层回采率；综合剩余沉降系数，根据矿区开采情况，既有工程地质条件等综合确定。采空区处治深度为采空区底板下 1m 作为采空区处治深度。在工程所处采空区影响范围内的处治深度为按细则计算的影响裂隙带以下 5m10m 为处治深度。注浆量Q可按式（2）计算：20运输经理世界道路工程与技术Q=A S M K V /(c cos)（2）式（2）中：S为采空区处治面积（m2）；M为矿层平均采出厚度（m）；V为采空区剩余空隙率（%），0.15；K为回采率（%），通过实际调查确定，此处为 65%；A为浆液损耗系数，取 1.5；为充填率（%），经试验确定，取80%；c为浆液结石率（%），取 70%；为岩层倾角。4.3 处治方案因该项目采空区范围位于公路互通范围，匝道和主线的处治措施和要求一致，总体处治面积较大。此次注浆处治方案为在采空区影响范围内满布注浆孔，采用梅花形布设，间距为 20m，路基范围以外局部区域可适当增加间距，影响区四周布设一排帷幕孔，孔距 10m，采空区处治布孔深度如图 3 所示。路基范围以外的施工区域，按临时征地展开施工作业面。图 3 采空区工程处治纵断面图（单位：m）为确保采空区范围内的注浆饱满和稳定，钻孔孔深为采空区底板以下 1m 处，孔口管设计深度至基岩下 310m。开孔孔径为 130mm，经 2 次变径，终孔孔径采用 91mm。变径位置依据地层条件现场确定。浆液材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成，浆液水固比例为 1111.3，水泥粉煤灰比例为 37。帷幕孔在浆液中掺加 1%2%的速凝剂。初始孔口注浆压力采用 13MPa，具体按现场施工结合注浆效果综合确定注浆压力和注浆结束标准。如遇采空区空间较大，且赋存地下水，可在早期优先注入适当粗骨料，并结合间歇性注浆或二次灌浆方式综合处治，这样即有利于节约浆液，又起到提高注浆充填效果的作用。鉴于采空区工程地质条件的复杂性，因而对采空区注浆处治过程中的各种工艺采用信息化动态设计的原则，即根据现场钻孔施工过程中地质信息反馈，随时对采空区处治设计进行优化及调整。5质量检测采空区工后质量检测检测方法为钻探、物探和沉降观测，钻探工程评价要素是检查孔内采空区深度范围内岩芯提取率和干燥注浆结石体的抗压强度，要求岩 芯 提 取 率 50%，干 燥 注 浆 结 石 体 的 抗 压 强 度 0.6MPa。钻探和物探一方面是检查施工质量，另一方面是评价处治效果4。5.1 钻探选取一定比例的注浆区进行钻孔取芯，直接观察采空区施工范围内的浆液充填率和结石效果，并可在钻探过程中通过钻探施工反馈的孔壁稳定性、地下水分布情况综合评价注浆质量。采空区处治 6 个月后，进行了钻探检测，全孔取芯，每孔取 5 组芯样，对所取芯样进行饱水抗压强度试验，处治浆液结石体抗压强度为 4.720MPa，满足设计要求。5.2 物探采用检查孔内注浆段岩体和注浆结石体的波速变化进行检测，当地层内注浆效果不好时，地层的不均匀性引起雷达波反射的能量不均匀，从而确定注浆后浆液的充填率、结石率，结合钻探检测成果，判断注浆效果。利用地质雷达，共布设 26 条测线，测线间隔1m，有效探测深度 20m，在有效探测深度内未发现不密实和空洞现象，局部反射点为黏性土或石块。6结语采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差的特点，加之早期开采方式落后、开采年代久远等原因，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治方案的关键技术难题。该项目采用此方案处治，有效地处治了采空区，保证了项目按期通车和安全运营，通车运营至今，未发现因采空区导致的塌陷，路面开裂等病害，取得了良好的经济效益和社会效益。参考文献：1中华人民共和国交通运输部.采空区公路设计与施工技术细则：JTG/T D31-032011S.北京：人民交通出版社，2011.2王锐，田娇.上覆煤层采空区对公路隧道的影响分析及处治技术J.中外公路，2019（5）：194-197.3杨加发，陈海.某高速公路采空区稳定性分析及治理研究J.交通科技，2021（6）：82-86.4谭化川，许源华.贵州某高速公路跨越煤矿采空区的治理方案研究J.黑龙江交通科技，2020（8）：11-12.作者简介：王晓飞（1983-），男，汉族，安徽太和人，本科，高级工程师，研究方向：路基路面设计21