超前周边预注浆在隧道采空区加固处理中的应用

1、超前周边预注浆在隧道采空区加固处理中的应用摘要:对采用超前周边预注浆在赣龙铁路扩能改造工程加固处理煤层采空区进行了分析，认为在采空区中可以起到填满空洞，加固围岩，提高围岩的自稳性，减少沉降的作用，而采用超前周边预注浆进行采空区加固是有效的途径之一，同时也介绍了超前周边预注浆在隧道围岩加固中的应用及施工注意事项。关键词:超前周边预注浆 采空区 自稳性 沉降 赣龙铁路扩能改造工程是国家铁路网的重要组成部分，是江西、福建两省对外通道的主干线。线路西起江西省赣州市，东至福建省龙岩市。梓山隧道为全线高风险隧道之一，地质复杂，穿越煤层及采空区，主要特点是瓦斯涌出，采空区范围较大，富水。本文结合工程实例，阐

2、述超前预注浆处理采空区的效果，同时提出施工中应该注意的有关事项。一、地质概况赣龙扩能改造工程GL-1标段梓山隧道DK63+577DK66+939，全长3362m，其中DK66+750DK66+939段为煤层采空区。采空区地形地貌：坡度为20°25°，山体较陡，沟谷发育，附近有零星煤矿，采空区，巷道。地层岩性：石炭系中统黄龙组（C2h）灰岩，炭质灰岩，灰色，灰黑色，弱风化，中厚层状，裂隙较发育，溶洞发育。石炭系下统梓山组（C2z）炭质页岩，粉砂岩，钙质砂砾岩夹薄层煤层，青灰色，灰黑色，灰白色，全弱风化，岩层产状为142°45°，岩质较软，层间裂隙较发育，易

3、风化，工程性质较差，节理裂隙发育，岩体较破碎，稳定性较差。坡面及坳谷存在零星开采小煤洞，采空区，采空范围较大，巷洞较深，其中隧道穿越1#斜井、2#采空区、3#斜井、4#采空区、5#平洞、8#斜井、9#竖井、10#斜井、11#采空区。瓦斯绝对涌出量为0.04m3/min。水文地质条件：地表水：隧址区主要为冲沟水系，呈树枝状分布，径流条件良好，地表水不发育。地下水：主要为基岩裂隙水和构造裂隙水、岩溶水。二、超前周边预注浆的设计和加固原理(一)超前周边预注浆的设计隧道穿越煤层、采空区、巷道，岩溶发育，地下水发育。隧道施工安全及运营考虑地下水下渗要求，采空区不填满，不能满足施工安全及运营条件，为了解决

4、地下水及采空区对隧道施工及运营安全，需进行采空区超前周边预注浆处理。根据实际的地质情况的要求采用5m超前周边预注浆，每循环注浆长度20m，预留5m止浆岩盘，并设置混凝土止浆墙。浆液扩散半径为1m，孔底间距为3m。每循环共设4环102个注浆孔，注浆孔开孔直径不小于110mm，终孔直径不小于91mm，孔口管采用108mm，壁厚5mm的热轧无缝钢管，管长3m。注浆材料为普通水泥浆，注浆压力控制在12Mpa,注浆结束后选择35个孔作为检查孔，且弹孔涌水量小于0.2L/min.m。（二）加固原理在采空区进行超前钻孔，注水泥浆，浆液在注浆压力的作用下填满采空区，加固周边煤层，并将其中的气体、水分排出，使松

5、散的岩层固结，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性；在固结体的保护下进行开挖支护施工。其加固机理主要有以下几个方面：1填满加固采空区作用在超前探孔的配合下，确定采空区位置，施工注浆孔，注浆孔打穿采空区，其主要作用是浆液填满采空区，排出采空区的水、气体。2加固采空区周边松散围岩采空区周边为松散的围岩，采空区填满后，浆液还能扩散加固周边的围岩，使其具有自稳性，到达新奥法施工的条件。三、超前周边预注浆的施工工艺(一)施工工艺流程图搭建施工平台施工止浆墙测量孔位钻机就位钻孔是否偏孔、卡钻孔 位 检 查地质取芯评估地质情况确定注浆参数注浆注浆评估检查孔取芯，出水量

6、测试(二)施工工艺1施工准备（1）调查了解采空区工程地质条件和环境情况，对地表巷道及采空区进行回填处理等；（2）施工机械及配套设备进场，并且性能情况良好能够满足工程需求；（3）现场钻孔取样，以判定围岩、地下水、溶洞及采空区等情况；（4）注浆材料选定及注浆参数的确定（5）施工机械：超前探孔钻机、取芯机、注浆机、装载机、作业台车。2施工步骤（1）在掌子面采用C20混凝土施工2.0m厚的止浆墙；（2）钻孔： 钻孔正面图钻孔平面图钻孔要点：1）先在掌子面用红油漆按设计标定孔位，再移动钻机，将钻头对准孔位，并按该孔偏角调整钻机角度后固定，开孔时做到轻加压，速度慢。2）钻孔记录：按表格填写，主要内容有按孔

7、号、进尺、起始时间、裂隙发育情况、采空区位置，涌水位置、涌水量和涌水压力等。3）出水量与钻孔：钻进过程中若单孔出水量小于30L/min，可继续钻进，若单孔出水量大于30L/min，立即停钻进行注浆。（3）注浆：1）注浆材料选定，选择普通水泥浆；2）注浆参数确定；3）注浆程序；4）检查孔取芯及测试涌水量进行注浆评估。3.施工预案(1)注浆过程异常情况处理：1）钻孔过程中遇见突泥、突水情况，立即停钻，进行注浆处理；2）有小裂隙漏浆，先用水泥浸泡过的麻丝填塞裂隙，并调整浆液配比，缩短凝胶时间，若仍跑浆，在漏浆处用普通风枪钻浅孔注浆固结。3）当注浆压力突然升高，则只注纯水泥浆或清水，待泵压恢复正常时，

8、再进行双液注浆，若压力不恢复正常，则停止注浆，检查管路是否堵塞。4）当进浆时很大，压力长时间不升高，则调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量、低压力注浆，以使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶；亦可采用间歇式注浆，但停留时间不能超过浆液凝胶时间。（三）实验分析1.注浆后现场取芯：3-1#取芯图片如下：3-6#取芯图片如下：3-21#取芯图片如下：根据芯样显示结果，注浆效果良好，多处能见到水泥浆块，而且部分段有柱状的水泥块体，固结程度较高，有劈裂渗透浆块、空洞充填浆块，根据钻孔取芯浆液充填情况判断，浆液填充效果良好，浆液填充系数达80%以上。注浆总量为652.94m3，加固山体体积约为

9、5906.2m3（295.31（截面积）*20（长度）m3，理论填充率约为：652.94/5906.2=11%浆液填充系数计算过程如下：因为 Q1000vn那么 =Q/1000vn =6.4*1000/（1000*62.83*0.1 *1.2） =0.84Q每米注浆量（L）； v加固土体积（m3）；n土的孔隙率； 浆液填充系数；浆液损耗系数；2.检查孔砂浆堵孔及检查孔压水实验注浆检查孔在取芯完成后采用M10水泥砂浆进行全孔封堵填塞饱满并安装法兰盘，下套壳料封孔，封孔浆液达到强度要求后，安装注浆芯管，做压水试验，在压水过程中压力上升较快，在压力达到1.0MPa时，经过计算吸水量均小于2L/min

10、，满足设计小于2L/min的标准要求，说明加固填充效果较好。3.注浆过程P-Q-t曲线分析经过分析注浆的P-Q-t曲线，注浆情况基本一致，下图为随机抽取的3-1#孔、3-6#孔、3-21#孔注浆过程中的P-t及Q-t曲线。 3-1#孔注浆P-t曲线图3-1#孔注浆Q-t曲线图3-6#孔注浆P-t曲线图3-6#孔注浆Q-t曲线图3-21#孔注浆P-t曲线图3-21#孔注浆Q-t曲线图通过曲线图可以看出，注浆施工中P-t曲线呈上升趋势，Q-t曲线呈下降趋势，在注浆结束时，注浆压力均在0.81.0MPa，注浆速度在5L/min以下，满足注浆设计要求。四、实验结果分析综合以上各项指标检查结果表明，通过超前周边预注浆并根据取芯出的岩芯中浆液固结体的含量，以及固结体的强度可以判断注浆效果良好，且检查孔内无裂隙和填充物涌出，不塌孔，涌水量小于0.2L/min，满足设计注浆效果。五、结论从以上的分析结果可知，经超前周边预注浆处理后的采空区、溶洞及巷道，可完全消除施工及运营中地下水对隧道的影响，大幅度提高围岩自稳性及地下水影响，减小围岩大变形及运营安全