黎炬鋒,陳遠(yuǎn)志,方 強(qiáng)

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,長沙 410219)

采空區(qū)是高速公路建設(shè)中較常見的一類復(fù)雜地質(zhì)問題,大多具有歷史久遠(yuǎn)、演變復(fù)雜、探明難度大、處治費(fèi)用高等特點(diǎn)。高速公路選線時(shí)一般應(yīng)避讓采空區(qū),但考慮城鎮(zhèn)規(guī)劃、地形條件、生態(tài)保護(hù)等重要控制因素影響,有時(shí)無法繞避采空區(qū)[1]。目前對于公路下伏采空區(qū)治理方式主要以注漿充填法為主[2-4],讓漿液在壓力作用下充填采空區(qū)的空腔及縫隙,最終形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體承載地表構(gòu)筑物[5]。注漿充填時(shí),對于注漿材料的選擇尤為關(guān)鍵。自20世紀(jì)40年代開始[6],國內(nèi)外相繼研究出多種成本低、固廢材料利用率高、結(jié)石體強(qiáng)度較高、可灌性好的注漿材料。

以在建的某高速公路采空區(qū)治理為工程背景,采用工業(yè)固廢材料對漿液進(jìn)行改性,通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬評估及處治后評價(jià)等手段,對采空區(qū)固廢改性注漿處治技術(shù)展開研究,探求一種適應(yīng)安全、經(jīng)濟(jì)、低碳、環(huán)保的建設(shè)新理念及具有較好應(yīng)用前景的高速公路采空區(qū)處治方案。

1 高速公路下伏采空區(qū)治理方案確定

1.1 工程概況

在建某高速公路現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查顯示,部分線路下方存在耐火黏土礦開采后形成的采空區(qū),選定具有代表性的某段作為研究區(qū)域(見圖1)。該段采空區(qū)埋深較深,以巷道開采為主,場地評價(jià)為欠穩(wěn)定區(qū),典型地層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 采空區(qū)注漿充填研究區(qū)域Fig.1 Grouting filling research area in goaf

圖2 研究區(qū)域鉆孔柱狀圖Fig.2 Drilling column chart of the study area

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露情況,研究區(qū)域采空區(qū)底板平均埋深約18 m,頂板均已垮落并充填采空區(qū),以砂質(zhì)頁巖及少量泥巖碎塊為主,不具備巷道內(nèi)施工條件,故采空區(qū)選用注漿充填法進(jìn)行處治。

1.2 注漿材料的選擇與優(yōu)化

漿液材料要求如下[7-8]:漿料性能好,有較好的流動(dòng)性及保水性,易于輸送及灌注。充填質(zhì)量高,充填體有較好的結(jié)石率,強(qiáng)度能滿足對采場覆巖的控制。工藝成本低,材料來源廣泛易獲得,價(jià)格低廉。

注漿材料的改進(jìn)?？紤]到研究區(qū)域有著較為充足的黏土材料,故初步方案考慮就地取材,采用水泥-黏土漿液注漿處治采空區(qū)。但單純的水泥-黏土漿液結(jié)石率較低,結(jié)石體強(qiáng)度較差,導(dǎo)致采空區(qū)處治效果不佳,故將施工場地附近的燃煤爐渣按照一定比例加到水泥-黏土注漿液中,添加改性激發(fā)劑,以制備具有高濃度、低灰砂比的改性固廢注漿充填材料。

注漿材料配比的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)原料:水為符合拌制混凝土要求用水,水泥為42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥,黏土在項(xiàng)目附近就近取材耐火礦,固廢主要為附近電廠的燃煤爐渣,最大粒徑≤10 mm;添加少量化學(xué)激發(fā)改性劑。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐,將黏土與固廢按照1:1進(jìn)行配合,以水泥為變量制備試件,進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),設(shè)置無固廢的水泥-黏土漿液作為對照組。不同配比及齡期(3 d、7 d、28 d)的試件實(shí)驗(yàn)性能指標(biāo)見表1。

表1 不同配比時(shí)各齡期試件強(qiáng)度Tab.1 Strength of specimens at different ages with different proportions

由表1中數(shù)據(jù)分析可知,其他條件相同的情況下,隨著水泥占比的增加,試件強(qiáng)度有所提高;使用固廢部分替代黏土之后,試件強(qiáng)度有著較為明顯的提高,相較于同齡期試件強(qiáng)度最高可以提高4倍以上。

對比兩種不同水固比方案。在水固比稍小的情況下,漿體流動(dòng)度雖有所降低,但試件的強(qiáng)度略有提高,尤其是在水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5時(shí)表現(xiàn)最為明顯,相較于水泥:黏土:固廢為1:2:2時(shí)的同齡期強(qiáng)度分別提高78.0%、93.8%、51.4%,有著較好的早強(qiáng)特性。水固比為0.60時(shí),水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5,相較于水泥:黏土:固廢為1:2:2時(shí)的強(qiáng)度有著較為明顯的提升,為93.8%。而水泥:黏土:固廢為1:1:1,相較于水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5的強(qiáng)度提升不明顯,僅提高30.0%。

綜合考慮,選取水固比0.60,水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的充填方案,漿液能夠滿足流動(dòng)度要求,有著較好的早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度。

2 注漿處治效果模擬分析

2.1 數(shù)值模擬方案

計(jì)算模型及參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘察情況,對工程地質(zhì)條件進(jìn)行概化,采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC 3D建立數(shù)值計(jì)算模型(見圖3),邊界條件采用底面三向約束,側(cè)面法向約束,地表自由。根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)及相似工程經(jīng)驗(yàn),綜合確定計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)表Tab.2 Physical and mechanical parameters of rock mass

圖3 采空區(qū)不同充填方式下模型位移云圖Fig.3 Model displacement cloud image under different filling methods of goaf

數(shù)值模擬步驟:①原始山體應(yīng)力平衡。②采空區(qū)開挖后,地面沉降至指定深度,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[8]與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),沉降系數(shù)取0.80。③采空區(qū)注漿充填,高速公路建成并計(jì)算至收斂。

模擬方案:采空區(qū)注漿充填時(shí),對采空區(qū)設(shè)置不同的注漿參數(shù)以模擬不同的注漿材料,分別模擬未充填、水泥-黏土注漿充填(水泥:黏土:固廢為1:3:0)和改性固廢注漿充填(水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5),注漿材料參數(shù)由1.2中實(shí)驗(yàn)測得,充填材料力學(xué)參數(shù)如表3。

表3 充填材料力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of filling materials

2.2 不同注漿材料控制效果評價(jià)

分別對不注漿、水泥-黏土漿液及改性固廢漿液的注漿充填效果進(jìn)行模擬。注漿后模型的位移云圖如圖3所示?？梢钥闯?采空區(qū)采取3種不同處理方式時(shí),模型的位移變化基本相似,但在不同方式下,采空區(qū)的最大沉降量有所不同。未充填時(shí),采空區(qū)將繼續(xù)沉降直至被頂板巖層充滿,最大沉降量為895 mm。采用水泥-黏土漿液充填或采用改性固廢漿液充填時(shí),可以在采空區(qū)形成承載結(jié)構(gòu),從而大幅減緩沉降。兩種不同方式的最大沉降量分別為485 mm、340 mm,采用改性固廢漿液充填相較于水泥-黏土漿液充填時(shí),采空區(qū)沉降量可減少29.9%,改性固廢漿液充填效果優(yōu)于水泥-黏土漿液充填。

受采空區(qū)形狀影響,該段高速公路路北與路南的變形差異較為明顯。由圖3可知,該段高速公路路北部分受到的采空區(qū)影響范圍較大,沉降也更加明顯。不同充填狀態(tài)下,高速公路北部路面處位移如圖4所示。采空區(qū)中部沉降最為嚴(yán)重,向兩邊逐步減緩,采空區(qū)向兩側(cè)的影響范圍約25 m。各地層使得采空區(qū)沉降影響減緩,最終路面在未充填時(shí)最大沉降量為754 mm,水泥-黏土注漿充填時(shí)最大沉降量為236 mm,改性固廢注漿充填時(shí)最大沉降量為152 mm。兩種采空區(qū)注漿充填方式都滿足高速公路一般路段沉降量≤300 mm的標(biāo)準(zhǔn),但采用改性固廢注漿充填時(shí)效果更好,相較于水泥-黏土注漿充填,路面最大沉降量降低了35.6%。

圖4 不同充填方式下路面沉降量Fig.4 Pavement settlement under different filling methods

對3種處理結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),采空區(qū)注漿改造對于高速公路路面沉降控制效果明顯,采空區(qū)充填水泥-黏土漿液和改性固廢漿液都可以令路面沉降符合控制標(biāo)準(zhǔn),而采用改性固廢漿液時(shí)漿體強(qiáng)度提高,控制效果更為明顯。

3 注漿處治后效果監(jiān)測分析

基于上述研究成果,現(xiàn)場施工對采空區(qū)采用改性固廢改性漿液進(jìn)行注漿處治。為評價(jià)采空區(qū)的充填效果,對高速公路路面沉降情況進(jìn)行監(jiān)測。各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)下沉結(jié)果隨時(shí)間的變化如圖5所示,采空區(qū)附近的測點(diǎn)沉降狀況基本相似,累計(jì)沉降量目前小于10 mm,說明采用固廢充填采空區(qū)后能較好地控制高速公路沉降。

圖5 2021年12月—2022年3月各測點(diǎn)路面下沉監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Monitoring results of road subsidence at each measuring point from December, 2021 to March, 2022

4 結(jié)論

高速公路下伏采空區(qū)路段的穩(wěn)定性主要取決于漿液對采空區(qū)的充填效果,通過添加固廢對漿液改性并進(jìn)行配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn),最終選用水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的充填配比。該配比在漿液滿足流動(dòng)度要求的情況下注漿充填體有著較好的強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了固廢的綠色利用,在注漿領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果表明,采用固廢充填時(shí),相較于水泥-黏土注漿充填,路面最大沉降量降低了35.6%,控制效果明顯。對采空區(qū)注漿處治后,高速公路路基沉降監(jiān)測結(jié)果顯示,采用水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的改性固廢漿液注漿寬度60 m的情況下,路基沉降量滿足設(shè)計(jì)要求。