公路路基下伏采空区处治施工工艺.docx
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公路路基下伏采空区处治施工工艺
公路路基下伏采空区处治施工工艺
1前言
随着交通事业的发展进程，越来越多的人对行车公路的舒适度有着更高的要求，下伏采空区的公路修筑问题被一次又一次的反复提及。
针对此特殊地质情况，要求做出深入的研究。
路线方案经东平煤矿、大平煤矿和宏达煤矿三处煤矿采掘范围，位于采空区段落的长度为5.04km。
路线方案经大平煤矿采掘范围的长度为4.04km，但其中有1.73km为1993年以前已完成采掘活动，现阶段已沉降稳定，有0.52km处于煤层断层地带，今后无采掘活动。
路线向西经大平煤矿渣山南侧60m，跨塔湾河后进入宏达煤矿采掘范围。
对于经过煤层地带的道路修筑，情况比较特殊、技术较为复杂、施工难度较大，并且作为省道，质量要求较高。
针对已往类似工程较少，施工可借鉴的经验不多，要求在项目实施过程中，对施工方案及资源配置等各个方面做更为细致的论证。
经过攻关研究，施工方法节约材料、缩短工期、施工安全性好，具有良好的经济社会效益。
2工艺特点
应用水泥、粉煤灰等材料注浆充填有采空区的位置，费用低，不破坏原有路面，使施工对路面的占用和交通影响极小，不污染环境，施工处治工期短，耐久性好。
应用重锤夯击的处治方法加速路面沉降，经济，快速，实用。
采用无损探测技术，对于星罗棋布的采空区及不稳定的地层位置有着很精确的定位，定区域处治，保证工程质量，可操作性强。
3适用范围
本工艺适用于在采空区上方修筑道路及建筑物处治地基，加速沉降，保持地基稳定。
采空区综合处治施工技术以其良好的安全性能及经济效益可适用于特殊路基处理，亦可以根据实际工程特点，例如加固软土地基。
4工艺原理
采空区注浆法是将浆材注入采空区域中以改善岩层由于煤炭开采形成的空洞或者造成的局部不稳定现象。
在煤炭开采过后，绝大部分处理采空区的方法为全部垮落法，即在采后形成的空洞中回收液压支架，使直接顶自然垮落，以此来充填采空区，但由直接顶的充填的采空部分局部破坏岩层土体的内部结构而失去内聚力，造成不稳定。
使用注浆充填法可以很好的加固不稳定区域，达到很好的处置效果。
注浆前，采用散射地震波法或高密度电法快速勘测采空区的大概位置，确定采空区的大小、深度、范围，制定针对性的注浆加固方案或者强夯方案。
注浆后再进行无损检测，评价注浆效果。
强夯法处理前，同样使用散射地震波法或高密度电法勘测采空区的大概位置。
采空区强夯处治技术是在注浆完成之后，确定夯击面积和局部位置，制定合理的强夯方案，选择夯锤重量、夯实次数等，对注浆后采空区进行强夯。
击实之后填土进行第二次夯击。
综合处治采空区位置后，再次进行勘测，确保处治位置与采空区分布相对应。
这种治理方案不仅对施工安全更能保障，而且降低了施工成本，避免后期路面塌陷后的修复工作，即经济又实用。
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工准备→勘测采空区位置→方案设计→确定区域，机械就位→施工处治。
图5.1施工工艺流程
5.2操作要点
5.2.1施工准备
（1）调查现场及周边地区，对设计提供的地质、水文。
气象资料进行复核。
选择合理的施工工艺，向班组进行详细的技术、安全操作交底。
确保施工过程中的质量及人身安全。
（2）原材料进行检验，水泥浆配比试验，以满足施工工艺的要求。
（3）施工用水、电、钻机试运行，确保设备能正常开钻。
（4）测量放样、测定孔位点、复核孔间距。
（5）各种检测设备安装调试，确保设备能正常使用。
5.2.2勘测采空区位置
利用散射地震波法或高密度电法对路床有明显沉降区域或采空区可能分布的区域进行勘测，对所处岩层进行分段评价，判断采空区具体位置，确定注浆路段和注浆区域。
（1）散射地震波
采用散射地震波探测采空区的位置，根据结果分析地质构造，得出采空区大致位置。
方法如下：
1）荷载设置：
重锤式震源，设置施加荷载为20kg。
2）测点布置：
测点位置为延道路两旁土基平行分布，测点为锥形金属直接插入土基用来接收。
间距为3m，测点为15-20个。
若为高填方路基，则在边坡下布设测点。
（2）高密度电检测高密度电，顾名思义为测点密集的电法，采用高密度电检测时，测点分布在一条线上，分布密集。
高密度电测点与地震波测点布设方式相类似，位置间距同地震波测点，而不一样的是，高密度电测点布设长度要长于地震波测点，测点成直线分布的同时，应根据地形，测点分布越长越好，一般应为200-300m。
高密度电检测范围为在测点直线分布的基础上，延直线向下呈现倒梯形分布，测量最深处为直线的中点，测量时需将电极置于测点上，然后使用程控电极转换开关，微机工程电测仪实现数据的快速采集。
微机处理之后，分析得出地质构造图。
5.2.3方案设计
根据上述检测方法所得出采空区的具体位置大小可有以下分类：
（1）采空区为比较平缓的倾斜层，沿路床正下方均匀分布，深度50m或不同的深度，采高2m或4m或不同的厚度。
（2）采空区为比较平缓的倾斜层，在路面正下方不均匀分布，深度50m或不同的深度，采高2m或不同的厚度。
（3）采空区为急斜层，在路面正下方均匀分布，深度50m或不同深度，采高2m或不同厚度。
（4）采空区为急斜层，在路面正下方不均匀分布，深度50m或不同深度，采高2m或不同厚度。
（5）采空区为褶皱层，在路面正下方均匀分布，深度50m或不同深度，采高2m或不同厚度。
（6）采空区为厚度不均匀的煤层，在路面正下方均匀分布，深度50m或不同深度，采高2m或不同厚度。
以上给出的探测情况图均为剖面图，实际煤的分布以煤田为主，层状分布。
根据探测结果，依次将采空区的位置分布汇总成4个主要相关因素，即采空区形状、倾斜角、采空区深度、采面采高、是否均匀分布（即为连续或断开的）。
5.2.4确定区域机械就位
（1）首先采空区钻孔前先对采空区施工范围分片进行场地整平，保证钻机钻孔安全，设置必要的排水坡和四周的排水沟。
（2）钻孔前先测定孔位中心点，用竹签和红油漆来现场标记孔位，并复核孔间距。
5.2.5施工处治
（1）采空区注浆处治技术
图5.2.5注浆施工工艺流程
液压式压力试验机,量筒,电子天平,水泥胶砂振实台,水泥标准养护箱,泥浆测试仪,水泥胶砂搅拌机,水泥胶砂试模,水泥负压筛析仪等。
使用仪器和设备将水，水泥，粉煤灰使用一定的配合比进行配置带到现场。
1）注浆方案设计
根据检测采空区具体位置选择注浆方案。
针对由于采空区造成的不稳定，采用渗透注浆技术，或采用深部注浆技术。
对于注浆加固地基，从土基表面下注浆管，渗透或者劈裂注浆技术为挤压周围土体，增加土体压力进而加速沉降。
a渗透注浆
根据采空区的位置，确定需要加固的地层区域，将现场附近的土体由皮带运送到制浆机中进行搅拌，将配比好的水泥浆材料一同加入到储浆池中，加水使浆液达到固定比重。
从储浆池中取浆液加入注浆泵注入钻孔。
钻孔的位置由采空区位置形状所定，注浆为区域加固地基做准备。
注浆孔沿纵向边缘方向均匀分布，注浆孔距离0.30m。
孔间距1.2～1.5m。
对沉降地基，布孔注浆。
将沉降的地基进行加固。
并实现对周围软弱土层的有效加固。
注浆时，监控注浆过程，沉陷量较大的采用多次注浆加固方法。
每次加固注浆量控制在一定区域之内。
注浆孔沿注浆区域平均分布，注浆孔距边缘0.30m。
孔间距1.2～1.5m。
此为对于整个不稳定区域进行加固处理。
b深部注浆对于路基深部病害，需要采用深部注浆技术，即根据无损检测确定的下伏采空区病害位置，钻孔至病害位置深度进行注浆。
布孔情况依据特定地质条件布置。
2）钻孔按照设计的钻孔深度，利用冲击钻在标注的注浆孔位置钻孔至设计深度。
要求钻孔垂直，孔位误差不大于0.05m，钻孔深度不能小于设计深度。
3）注浆技术条件要求
单孔注浆段结束标准为：
吸浆量小于50l/min；受点的注浆终压不小于受注点静水压力的2倍，稳压时间不小于20min。
各个注浆段都要达到要求。
4）注浆操作
a注前压水：
注前压水是检查动力系统，机械系统，管道系统是否有问题存在。
同时冲刷注层段空隙，是钻孔达到的注层具有一定的吸水量，便于注浆进行。
压水为钻孔体积的2倍。
b造浆：
将特定比例的配置原料水泥，水，土等材料放入搅拌池进行浆液配置。
要求搅拌浆液材料使其不发生沉淀，定期监测比重变化情况，控制特定比重，尊重先稀后稠的原则控制。
c注浆：
当浆液符合要求后进行注浆，其中一定要定期看管、维护好设备注浆泵，观察泵压、泵头的活动及上水情况。
d结束后压水：
注浆结束后再次进行压水冲刷管路空隙，压水量不宜过大，与钻孔体积相当即可。
压水后释放孔口压力，停泵。
泵完全停止后拆除管路结束注浆。
（2）采空区强夯处治技术强夯法处治采空区路基施工工艺流程见图5.2.5-3。
图5.2.5-3强夯法施工工艺流程
1）夯击前检测采空区位置
利用散射地震波法或高密度电法对路面有明显沉降区域或采空区可能分布的区域进行勘测，对所处岩层进行分段评价，判断采空区具体位置。
2）强夯方案设计强夯法的加固有效深度经验公式:
一般的强夯法使用的夯锤重量在8-40t，提升高度在6-40m，其中参数D取0.65，由经验公式可得其夯击的有效加固深度在5-30m不等，其中参数受土质，渗透率等因素影响变化。
总体来说强夯法可加固的有效深度在百米左右。
对于下层有空洞的地方，或者地基产生不均匀沉降的地方，强夯点应集中在沉降区域位置，设置较多的夯击次数，夯击过后应在周围相关区域同样夯击，使周围土体不至于过度隆起。
夯击点半径为1m，孔间距为1m。
此夯击点位设置，为一般性布置，具体情况应根据采空区范围确定。
不同的采空区范围应该怎样确定夯击在综合处治中有赘述。
3）选取夯击位置范围根据探测采空区的位置形状范围，若为圆形，夯击点选为梅花状或三角状布置；若为矩形，夯击点选为长方形布置；选取夯击范围按照夯击点布测。
4）夯击土体
根据土质夯实土体，对于每个点位置大约需要3-5次夯击，要求最后一击下沉量必须小于50mm，对于饱和软土小于30mm，软弱土小于10mm。
若下沉量并没有小于当前情况，则填土后再次夯击，直到达到满意的标准。
其中，锤重由实际工程中，采空区的具体深度确定，在综合处治当中，要结合注浆法进行综合处理。
5）其它注意要点平整场地：
施工机具进入场地前，先用推土机平整场地。
铺砂垫层：
在地表有饱和细粒土时，在表面铺设1-2m的砂石，可作为承受强夯机械的持力层，可减少由于冲击波而造成的上部土层的松动。
夯点确定与吊机就位：
标出夯点的位置，吊机就位，测量地面高程，夯前锤顶高程。
强夯地基处理：
最后一遍夯击后，将场地平整到设计高程，压实。
6）施工要点强夯前应试夯，施工前应检查锤重和落距，夯击能量应符合设计要求。
夯击过程中应记录每个夯点的沉降量，保证记录完整。
夯击前选择有代表性的路段进行试夯，确定必要参数，最佳夯击能、间歇时间、夯击间距。
夯击次数应由沉降曲线关系获得。
垫层材料应选择透水性好的材料。
7）填土在每次夯击过后，适当的进行填土压实，准备下次夯击。
（3）采空区综合处治技术对于5.2.2中所述的比较典型的几类采空区分布情况，结合注浆处治和强夯法处治的工作流程，给出对于每种采空区分布情况的具体的处治方法，如下：
1）对于深度为50m的平缓倾斜煤层采空区、有褶皱的采空区，采高2m或不同厚度。
由于其为平缓采空区范围，造成路基沉降应为均匀沉降，处理措施为强夯法，加速土基均匀沉降，选择20t的重锤，其中夯点布设应为路基表面整体范围
2）对于深度更深的平缓倾斜煤层采空区、有褶皱的采空区，采高2m，采高4m。
由于其所处深度较深，加上平缓的煤层分布，沉降时间较长，处理措施为路基表面整体渗透注浆，强夯加速沉降。
应先进行注浆加固，加大土体密实度，后进行夯击，整体加速固结沉降。
3）对于深度为50m或更深的平缓不均匀分布倾斜煤层采空区、采厚不均的采空区，采高2m，采高4m。
根据实际情况处治。
对于深度为50m，应进行单一的注浆处理，由于强夯法会影响到周边稳定土体，使用注浆法针对空洞或者不密实地带直接进行注浆加固是最理想的方式。
图5.2.5-13，深度为50m，关于厚度不均的情况，应加大最厚区域的注浆量、夯击次数。
4）对于深度为50m或更深的急斜煤层采空区、急斜不均匀的采空区，采高2m，采高4m。
此类采空区为最容易产生不稳定的恶劣病害，尤其是深度为50m的浅层采空区，由于煤层的分布呈现急斜，当开采过后造成顶板内力整体向斜下方偏移，应该结合注浆法与强夯法进行综合处治，对于最薄弱的上方土体必要的情况下还需进行长时间的监测。
对于深度更深的情况应结合注浆与强夯法同时处治。
其右侧的注浆区域与强夯区域明显要多于左侧，为保证采空区上部岩层的稳定性，加速右侧沉降非常有必要性。
5）综合处治结果由于不同形状及位置的采空区分布，对于上部岩层的影响是不同的，应根据特殊情况，
结合注浆法与强夯法的特殊施工工艺，进行适当处理，为加固岩层，加速土基沉降做出充足的准备，保证上部路面的建设安全，后期保养。
在必要的路段，应布设沉降基准点和沉降观测点。
在采空区附近设置3个沉降基准点，一个为混凝土浇筑永久点。
沉降观测，是根据基准点进行的，因此要求基准点的位置在整个变形观测期间稳定不变。
为保证基准点高程的正确性和便于相互检核，布设基准点数目应不少于三个并构成基准网。
埋设地点应保证有足够的稳定性，设置在受压、受震范围以外。
为了观测方便及提高观测精度，基准点距观测点不要太远，一般应在100m范围内；否则，还应布设工作基点。
基准点在开工前埋设并精确测出其高程。
沉降观测点是固定在待测对象上的测量标志，应牢固的与待测对象结合在一起，便于观测，并尽量保证在整个观测期间不受损坏。
观测点的数量和位置，应能全面反映待观测对象的沉降情况，尽量布置在沉降变化可能显著的地方。
观测人员应经常注意观测点变动情况，如有损坏及时设置新的观测点。
使用全站仪每天进行观测并记录高程数据，绘制图形。
通过长期观测评价处治效果。
5.3劳动力组织（见表5.3）。
表5.3劳动力组织情况表
序号
人员配置
所需人数（人）
备注
1
管理人员
10
2
技术人员
20
3
安全人员
4
4
钻孔工人
55
5
水电工
3
6
修理工
3
7
司泵
12
8
汽车司机
10
9
普工
20
10
其他人员
4
合计
141
6材料与设备
6.1材料
水泥是一种细磨材料，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地粘结在一起，形成坚固的石状体的水硬性胶凝材料。
材料及配比见下表。
表6.1.1材料及配比表
序号
规格/型号
水灰比
用水量kg/m3
1
P.O42.5
0.5
350
6.2设备
主要设备包括检测设备和注浆系统，强夯主要包括起重机和夯锤。
供电系统，供水系统，供土制浆输浆系统，止浆阀，强夯机，重锤、下述为浅层物探设备，对于浅层采空区的探测很为准确。
检测设备见下表。
表6.2.1检测设备表
序号
设备名称
数量
备注
1
地震波
1
/
2
高密度电
1
/
3
数据采集系统检波器
1
/
4
数据分析系统
1
/
6.3水泥浆注浆设备见下表。
表6.3.1水泥浆注浆设备表
序号
设备名称
数量
备注
1
发电机
1
/
2
空压机
1
/
3
变压器
1
/
4
机械搅拌器
1
/
5
高压胶管
1
/
6
注浆泵
1
/
7
蝶阀
1
/
6.4强夯机及内集成设备见下表。
表6.4.1强夯机及内集成设备表
序号
设备名称
数量
备注
1
强夯机
1
/
2
重锤
1
/
3
发动机
1
/
4
履带式
1
/
5
提升设备
1
/
7施工质量控制措施
7.1注浆孔
注浆孔间距、钻孔深度和孔径根据设计要求控制，注浆孔距离0.30m。
孔间距1.2～1.5m要求钻孔垂直，孔位误差不大于0.05m，钻孔深度不能小于设计深度，质量验收标准见下表。
表7.1.1质量验收标准表
序号
检验项目
允许偏差及允许值
检查方法
1
注浆称量误差
<3%
抽查
2
注浆孔位
±20
用钢尺量
3
注浆孔深
±100
量测注浆管长度
4
注浆压力
±10
检查压力表读数
7.2注浆压力
（1）注浆压力根据工程设计和实际调整，一般可设置为（1MPa）
（2）注前压水：
注前压水是检查动力系统，机械系统，管道系统是否有问题存在。
同时冲刷注层段空隙，是钻孔达到的注层具有一定的吸水量，便于注浆进行。
压水为钻孔体积的2倍。
（3）造浆：
将特定比例的配置原料水泥，水，土等材料放入搅拌池进行浆液配置。
要求搅拌浆液材料使其不发生沉淀，定期监测比重变化情况，控制特定比重，尊重先稀后稠的原则控制。
（4）注浆：
当浆液符合要求后进行注浆，其中一定要定期看管、维护好设备注浆泵，观察泵压、泵头的活动及上水情况。
（5）结束后压水：
注浆结束后再次进行压水冲刷管路空隙，压水量不宜过大，与钻孔体积相当即可。
压水后释放孔口压力，停泵。
泵完全停止后拆除管路结束注浆。
（6）单孔注浆段结束标准为：
吸浆量小于50l/min；受点的注浆终压不小于受注点静水压力的2倍，稳压时间不小于20min。
各个注浆段都要达到要求。
7.3强夯数据检测
检查强夯施工过程中的各项测试数据和施工记录，不符合要求的及时采取补救措施。
7.4地基质量检验
强夯施工结束后隔一定时间对地基质量进行检验。
碎石土和砂土地基，1周后可进行检
验：
粘性土地基2周后可进行检验。
使用室内土工试验，或者现场使用压板载荷试验。
质量检验的数量应根据设计夯击位置确定。
7.5钻孔
按照设计的钻孔深度，要求钻孔垂直，孔位误差不大于0.05m，钻孔深度不能小于设计深度。
7.6夯击下沉最后一击夯击下沉量应小于50mm。
7.7封孔
封孔前应放水降低水压，用水泥封堵，密封做好，应做到不漏水。
8施工安全措施
8.1按照国家相关规程和办法执行。
坚决贯彻“安全第一,以人为本”的方针。
8.2施工时，严格按照施工工序进行，设备机具操作按照设备操作规程作业。
8.3施工前应检查施工机械的运行状态、良好情况。
8.4现场指挥人员及机械操作手应进行岗前培训及安全教育。
8.5机械操作手工艺在施工操作时，必须听从指挥讯号，不得随意离开岗位。
应经常注意机械的运转情况，发生异常立即检查处理。
8.6操作人员在工作中不得擅离岗位，不得操作与操作证不相符合的机械，不得将机械设备交给无本机种操作证的人员操作。
8.7设备在施工现场停放时，应选择安全的停放地点，关闭好驾驶室（操作室），要拉上驻车制动闸。
坡道上停车时，要用三角木或石块抵住车轮。
夜间应有专人看管。
8.8应采取隔振、防振措施消除强夯对邻近建筑物的有害影响。
8.9在强夯时作业人员要在安全距离以外。
8.10作好宣传和现场管理工作，非施工人员禁止入内。
8.11夯锤下落后，应在吊钩降至夯锤吊环附近时，操作人员方可下坑挂钩。
8.12作业完成后，夯锤应放实在地面上。
9施工环保措施
9.1防止大气污染
钻孔时，使钻头通过专门处理的料桶对注浆孔位置进行钻孔，钻出的废料直接进入到料桶中，防止尘土飞扬；钻孔完毕后，及时对钻孔处进行清理，避免灰尘扩散。
9.2防止噪声污染
选用低噪音设备，降低施工过程中的施工噪音。
9.3确保工人身体健康
工人施工时必须佩戴劳保用品。
9.4防止其他不利因素污染
根据客观存在的粉尘、污水、噪声、废气和固体废物等环境因素，实施全过程污染预防控制，尽可能地减少或防止不利的环境影响。
9.5防止施工废水污染
a所有施工、生活废水在排放前必须取得相关部门的批准、同意。
b施工中产生的废弃泥浆必须经过沉淀池沉淀处理后，方可排入市政污水管，严禁直接排入市政污水管。
废浆沉碴必须用密封的槽车外运，送到指定地点处置。
c各类土方、建筑材料运输车辆在离开施工现场时，为保持车容清洗车辆轮胎及车厢，清洗废水接入施工现场的临时排水系统。
10经济、社会效益
10.1经济效益
相对于传统工艺，每100m采空区段，采空区深2m，节省注浆材料300吨，400元/吨，计12万元；节省机械台班25次，1000元/次，计25万元；节省人工150个，200元/个，
计3万元；缩短工期36天，节省施工管理费、资金占用费等45万元，合计节省成本90万元。
由于水泥浆注浆针对性强，不破坏原有路面，因此与开挖换填方案相比，可以节省直接维修经费30%以上。
强夯法加速土体固结，使下伏采空区空洞和松软地带快速挤压，达到地层稳定，防止后期不均匀沉降，节省后期维修费用。
10.2社会效益
注浆施工快捷，不需养生，可以节省70%以上的工期，减少对交通的干扰，减少汽车行驶成本，减少道路使用者的时间成本，减少交通事故损失，综合社会效益十分显著。
另外高聚物注浆技术避免了开挖维修产生的废料造成的环境污染。
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