CN105715296B - 一种隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及隧道施工技术领域,具体涉及了一种隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法。该方法针对公路、铁路隧道穿越覆岩不稳定煤矿采空区的吹砂回填并注浆施工,可准确探明煤矿采空区、以实现隧道穿越煤矿采空区回填施工的信息化和机械化,降低人为因素的漏检或误判,最低限度的降低施工风险,尤其适用工期紧、结构安全要求高、施工难度大等特点的高速铁路隧道穿越煤层采空区回填注浆治理施工。

Description

一种隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域,尤其涉及一种隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法。
背景技术
目前,煤矿采空区覆岩层不稳定,岩性主要为泥岩和砂质泥岩,采空区附近围岩多为煤层或煤矸石地层,洞室内积水严重,围岩软弱破碎,极易风化剥落,无自稳能力,扰动后极易发生突水、突泥和坍方。在这种地质条件下方修建隧道时不能采用“全填充压力注浆、超前帷幕注浆”等常规方法进行采空区回填作业,这些传统的施工方法将水泥浆液直接注入采空区,其产生施工荷载全部是由覆岩层承担的,一般采空区回填注浆需要较长的时间后才能进行隧道开挖施工,靠覆岩层承担围岩荷载时间较长对于煤矿采空区地层在这段时间里极易发生坍塌、突水涌泥事故,使隧道开挖不能正常进行,威胁到施工作业人员的安全,拖延整体工期,加大工程投资费用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,可准确探明煤矿采空区、以实现隧道穿越煤矿采空区回填施工的信息化和机械化,降低人为因素的漏检或误判,最低限度的降低施工风险,尤其适用工期紧、结构安全要求高、施工难度大等特点的高速铁路隧道穿越煤层采空区回填注浆治理施工。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其包括如下步骤:
S1、通过对地表进行地质雷达短距离探测,并结合地质钻机的直观验证,判断出地表下方煤矿采空区的位置、大小和填充状态;
S2、根据判断结果在地表对应于煤矿采空区的位置进行测量放样并编号、标明位置、大小和深度;并在地表开挖排水沟,以使施工范围排水通畅;
S3、通过地质钻机对所标明位置进行第一次钻孔,并在钻至预设深度后进行变径钻孔,以使该第一次钻孔为上部直径大、下部直径小的钻孔;在钻孔终孔后安装细砂输送管至煤矿采空区的上沿,以作为吹砂主管;安装完吹砂主管后在其旁边进行第二次钻孔,在钻孔终孔后安装排气钢管下至煤矿采空区的上沿,以在吹砂时将煤矿采空区内的水、气及淤泥排出;
S4、将吹砂主管与混凝土干喷机连接,启动混凝土干喷机对煤矿采空区进行吹砂回填;
S5、吹砂回填完成后,将注浆管下入至第一次钻孔的孔内变径处,然后在孔内先投入砾石以堵塞缝隙,之后投入粘土以防止浆液渗漏;然后利用注浆泵向该注浆管输送水泥粉煤灰浆液,并通过与注浆泵连接的灌浆记录仪观察注浆泵的单位注浆量与注浆泵压力;浇筑要求达到止浆部位时,在水泥粉煤灰浆液中应加入速凝剂,以快速将注浆管与孔壁固结,等到排气钢管有水泥粉煤灰浆液流出时,停止注浆施工;
S6、完成注浆后,对地表进行平整与修坡,然后喷射混凝土进行封闭,将并积水引排至周围的排水沟;
S7、地表封闭完成后,隧道开挖施工采用洞内三台阶临时仰拱法,以确保隧道成功穿越煤矿采空区。
其中,步骤S2中还包括:在排水沟的底部铺设土工布和防水板,并浇筑10cm厚的混凝土;然后选择在地表低洼地方开挖小型沟渠,该小型沟渠与周围的排水沟连通。
其中,步骤S3中的第一次钻孔包括:在所标明位置钻设直径为220mm的竖向钻孔,钻至预设深度为8m后变径为180mm的竖向钻孔,且在钻至距煤矿采空区顶部以下1-3m处终孔,而且在钻进过程中完成钻孔记录;
步骤S3中的细砂输送管的安装过程为:在细砂输送管与地表的界面位置焊接定位钢筋,并通过管口固定架进行固定,以防止细砂输送管出现下沉,该细砂输送管的直径为160mm;
步骤S3中的第二次钻孔位置距第一次钻孔间隔为2m,第二次钻孔的直径为160mm,所安装的排气钢管直径为140mm。
其中,在步骤S3与S4之间还包括:采用高压风对煤矿采空区内进行清理,将其空腔内的水、淤泥吹出。
其中,在步骤S5中,所述注浆管的直径为50mm,在注浆管上设置有法兰托盘,法兰托盘的直径为140~150mm,法兰托盘设置于第一次钻孔的变径处。
其中,在步骤S5中,所述水泥粉煤灰浆液的水固比1∶1.2;所述注浆泵的注浆压力为0.8-1MPa。
其中,在步骤S5中,在水泥粉煤灰浆液中加入水泥质量2%的速凝剂。
其中,在步骤S6中,所述修坡的坡度设置为3%,且在其上铺设土工布和防水板。
其中,步骤S7中,在煤矿采空区的空腔下方掌子面上利用非爆铣挖机铣挖的方式进行三台阶预留核心土开挖;其中,上台阶的开挖为每循环进尺一榀拱架的距离,中、下台阶每循环进尺二榀拱架的距离,仰拱开挖每循环进尺3m。
其中,每榀拱架的距离为60cm。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果:本发明涉及一种隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,针对公路、铁路隧道穿越覆岩不稳定煤矿采空区的吹砂回填并注浆施工,可准确探明煤矿采空区、以实现隧道穿越煤矿采空区回填施工的信息化和机械化,降低人为因素的漏检或误判,最低限度的降低施工风险,尤其适用工期紧、结构安全要求高、施工难度大等特点的高速铁路隧道穿越煤层采空区回填注浆治理施工。该方法可将空腔内的水、气、淤泥吹出,大大减轻了隧道覆岩上方的回填荷载,使回填后的细砂与浆液迅速固化形成柱状的水泥粉煤灰砂浆胶结体,避免浆液注入岩层裂隙中,节省材料用量,固结程度较高,空洞充填浆块饱满、密实,达到了充填加固改良地层的目的,对采空区上覆岩层形成支撑作用,阻止上覆岩层的进一步冒落塌陷,进而保证了下穿隧道的稳定。
附图说明
图1为本发明实施例吹砂回填施工的工作状态示意图;
图2为本发明实施例注浆施工的工作状态示意图。
其中,1:隧道;2:空腔下部覆岩层;3:注浆区;4:空腔上部软弱岩层;5:细砂输送管;6:混凝土干喷机;7:管口连接器;8:管口固定架;9:排气钢管;10:地表混凝土层;11:吹砂回填区;12:法兰托盘;13:止浆部位;14:灌浆记录仪;15:注浆管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上;术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合图1、图2所示,本实施例提供的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法包括如下步骤:
S1、通过对地表进行地质雷达短距离探测,并结合地质钻机的直观验证,判断出地表下方煤矿采空区的位置、大小和填充状态。优选地,该地质钻机为C6地质钻机。本实施例中的煤矿采空区可结合图1所示,煤矿采空区的下方为空腔下部覆岩层2,上方为空腔上部软弱岩层4。该施工方法注重超前地质预报,根据超前地质预报结果,准确探明煤矿采空区、将采空区吹砂回填并注浆、改进隧道开工方法等措施,进而避免了盲目使用传统、保守的开挖方法、支护措施,实现了隧道穿越煤矿采空区施工的信息化和机械化,最低限度的降低施工风险。
S2、根据判断结果在地表对应于煤矿采空区的位置进行测量放样并编号、标明位置、大小和深度;并在地表开挖排水沟,以使施工范围排水通畅;
进一步地,在排水沟的底部铺设土工布和防水板,并浇筑10cm厚的C25混凝土,以形成地表混凝土层10;然后选择在地表容易积水的地方开挖小型沟渠,该小型沟渠与周围的排水沟连通,确保施工范围排水通畅,雨后不积水。
S3、通过地质钻机对所标明位置进行第一次钻孔,并在钻至预设深度后进行变径钻孔,以使该第一次钻孔为上部直径大、下部直径小的钻孔;在钻孔终孔后安装细砂输送管5至煤矿采空区的上沿,以作为吹砂主管;安装完吹砂主管后在其旁边进行第二次钻孔,在钻孔终孔后安装排气钢管9下至煤矿采空区的上沿,以在吹砂时将煤矿采空区内的水、气及淤泥排出;
优选地,第一次钻孔包括:首先,在所标明位置钻设直径为220mm的竖向钻孔,钻至预设深度为8m后变径为180mm的竖向钻孔,且在钻至距煤矿采空区顶部以下1-3m处终孔,而且在钻进过程中完成钻孔记录;
优选地,细砂输送管5的安装过程为:在细砂输送管5与地表的界面位置焊接定位钢筋,并通过管口固定架8进行固定,以防止细砂输送管5出现下沉,该细砂输送管5的直径为160mm。
优选地,第二次钻孔位置距第一次钻孔间隔为2m,第二次钻孔的直径为160mm,所安装的排气钢管9直径为140mm。
值得说明的是,上述各个参数限定只是一种优选方式,本领域技术人员可根据实际情况灵活调整。
S4、将吹砂主管与混凝土干喷机6连接,启动混凝土干喷机6对煤矿采空区进行吹砂回填;
具体而言:在正式吹砂回填之前(在上述步骤S3与S4之间),采用高压风对煤矿采空区内进行清理,将其空腔内的水、淤泥吹出,然后预注少量清水。之后,将隧道初期支护使用的5.5KW混凝土干喷机6通过管口连接器7与吹砂的主管道接好,在料斗人工装砂,启动混凝土干喷机6进行吹砂回填(图1所示的吹砂回填区11),当排气钢管9出气孔的出水含大量吹入的河砂,压力达到2.5Mpa,可停止吹砂回填施工。
S5、吹砂回填完成后,将注浆管15下入至第一次钻孔的孔内变径处,然后在孔内先投入砾石以堵塞缝隙,之后投入粘土以防止浆液渗漏;然后利用注浆泵向该注浆管15输送水泥粉煤灰浆液(图2所示的注浆区3),并通过与注浆泵连接的灌浆记录仪14观察注浆泵的单位注浆量与注浆泵压力;浇筑要求达到止浆部位13时,在水泥粉煤灰浆液中应加入速凝剂,以快速将注浆管15与孔壁固结,等到排气钢管9有水泥粉煤灰浆液流出时,停止注浆施工;
具体而言:采空区内吹砂回填完成之后,再将一端带有直径为140-150mm法兰托盘12的注浆管15下入孔内变径处,注浆管15的直径优选为50mm。法兰托盘12设置于第一次钻孔的变径处。然后向孔内投入少量砾石,以堵塞大的缝隙,之后投入少量粘土,防止浆液大量渗漏;
然后通过注浆泵(优选采用变档定量泵,其额定排浆量不小于200L/min,注浆泵压力大于注浆最大设计压力的3倍的注浆泵)利用细砂输送管5灌入水固比为1∶1.2水泥粉煤灰浆液,水泥含量占固相的40%,粉煤灰占固相的60%,同时采用CMS2008灌浆记录仪14,该灌浆记录仪14与注浆泵连接,可以观察注浆泵的单位注浆量与注浆泵压力,降低人为因素的漏检或误判。
浇筑要求达到止浆部位13时,在水泥粉煤灰浆液中应加入水泥质量2%的速凝剂,快速将注浆管15与孔壁固结,等到出浆孔(即,直径为140mm排气钢管9)有水泥粉煤灰浆液流出,才能停止注浆施工。
根据实际情况,该注浆加固范围及基本参数:
一、横向注浆范围:隧道开挖轮廓线外10m范围的煤矿采空区;
二、注浆材料:水泥粉煤灰浆液,水固比为1∶1.2;
三、注浆压力:0.8-1MPa。注浆前应进行现场注浆试验,根据实际情况确定注浆参数;
通过钻探检查孔、现场观测和统计等方法对注浆工程质量进行了综合评估。通过计算及芯样显示,注浆浆液填充系数达到90%以上,符合设计控制标准。通过吹砂回填、地表注浆达到了充填加固改良地层的目的,并顺利完成了煤矿采空区地段的隧道掘进施工。
S6、完成注浆后,对地表进行平整与修坡,修坡的坡度设置为3%,且在其上铺设土工布和防水板;然后喷射C25混凝土进行封闭,将并积水引排至周围的排水沟,将雨水引排到周围的排水沟,防止积水和雨水下渗,减少洞内围岩及空腔的水量。
S7、地表封闭完成后,隧道1开挖施工采用洞内三台阶临时仰拱法,以确保隧道成功穿越煤矿采空区。可见,通过采用洞内三台阶临时仰拱开挖支护等技术措施,并结合监控量测反馈信息,不断调整、修正开挖支护方案,确保安全、顺利地穿越煤层采空区。
其中,在煤矿采空区的空腔下方撑子面上利用非爆铣挖机铣挖的方式进行三台阶预留核心土开挖;其中,上台阶的开挖为每循环进尺一榀拱架的距离(60cm),中、下台阶每循环进尺二榀拱架的距离(即,120cm),仰拱开挖每循环进尺3m。每榀拱架的距离为60cm。初期支护拱架采用高强的HW175的型钢,每榀拱架锁脚锚管采用8根φ50的无缝钢管,喷射混泥土采用早强纤维喷射混凝土。
综上所述,本发明隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法主要施工工艺流程如下:地质钻机地质预报将煤矿采空区准确定位;地表测量放样;地表防排水施工;吹砂回填孔及排水、气孔的钻设;吹砂管及排水、气管的安装;对煤矿采空区吹砂回填;对吹砂回填后区域注浆;回填、注浆效果评估;隧道开挖施工。
该工法适应性强、施工组织合理、安全质量可靠、施工机械化程度高、综合经济效益显著等特点,打破了传统的超前大管棚、超前帷幕注浆穿越煤矿采空区的施工方法,大大缩短了隧道穿越煤矿采空区的施工工序循环时间,提高了工作效率,从而缩短了施工的周期,保证了施工安全及质量,为隧道穿越煤矿采空区施工提供了宝贵的经验,对类似工程(煤矿巷道、高速公路隧道、地铁)的施工具有重要的实用和参考价值,具有良好的推广前景。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的,而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用,并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、通过对地表进行地质雷达短距离探测,并结合地质钻机的直观验证,判断出地表下方煤矿采空区的位置、大小和填充状态;
S2、根据判断结果在地表对应于煤矿采空区的位置进行测量放样并编号、标明位置、大小和深度;并在地表开挖排水沟,以使施工范围排水通畅;
S3、通过地质钻机对所标明位置进行第一次钻孔,并在钻至预设深度后进行变径钻孔,以使该第一次钻孔为上部直径大、下部直径小的钻孔;在钻孔终孔后安装细砂输送管至煤矿采空区的上沿,以作为吹砂主管;安装完吹砂主管后在其旁边进行第二次钻孔,在钻孔终孔后安装排气钢管下至煤矿采空区的上沿,以在吹砂时将煤矿采空区内的水、气及淤泥排出;
S4、将吹砂主管与混凝土干喷机连接,启动混凝土干喷机对煤矿采空区进行吹砂回填;
S5、吹砂回填完成后,将注浆管下入至第一次钻孔的孔内变径处,然后在孔内先投入砾石以堵塞缝隙,之后投入粘土以防止浆液渗漏;然后利用注浆泵向该注浆管输送水泥粉煤灰浆液,并通过与注浆泵连接的灌浆记录仪观察注浆泵的单位注浆量与注浆泵压力;浇筑要求达到止浆部位时,在水泥粉煤灰浆液中应加入速凝剂,以快速将注浆管与孔壁固结,等到排气钢管有水泥粉煤灰浆液流出时,停止注浆施工;
S6、完成注浆后,对地表进行平整与修坡,然后喷射混凝土进行封闭,将并积水引排至周围的排水沟;
S7、地表封闭完成后,隧道开挖施工采用洞内三台阶临时仰拱法,以确保隧道成功穿越煤矿采空区;
在步骤S3与S4之间:采用高压风对煤矿采空区内进行清理,将其空腔内的水、淤泥吹出,然后预注少量清水;之后,将混凝土干喷机通过管口连接器与吹砂的主管道接好,在料斗人工装砂,启动混凝土干喷机进行吹砂回填,当排气钢管出气孔的出水含大量吹入的河砂,压力达到2.5Mpa,可停止吹砂回填施工。
2.根据权利要求1所述的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,步骤S2中还包括:在排水沟的底部铺设土工布和防水板,并浇筑10cm厚的混凝土;然后选择在地表低洼地方开挖小型沟渠,该小型沟渠与周围的排水沟连通。
3.根据权利要求1所述的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,步骤S3中的第一次钻孔包括:在所标明位置钻设直径为220mm的竖向钻孔,钻至预设深度为8m后变径为180mm的竖向钻孔,在钻至距煤矿采空区顶部以下1-3m处终孔,而且在钻进过程中完成钻孔记录;
步骤S3中的细砂输送管的安装过程为:在细砂输送管与地表的界面位置焊接定位钢筋,并通过管口固定架进行固定,以防止细砂输送管出现下沉,该细砂输送管的直径为160mm;
步骤S3中的第二次钻孔位置距第一次钻孔间隔为2m,第二次钻孔的直径为160mm,所安装的排气钢管直径为140mm。
4.根据权利要求1所述的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,在步骤S5中,所述注浆管的直径为50mm,在注浆管上设置有法兰托盘,法兰托盘的直径为140~150mm,法兰托盘设置于第一次钻孔的变径处。
5.根据权利要求1所述的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,在步骤S5中,所述水泥粉煤灰浆液的水固比1∶1.2;所述注浆泵的注浆压力为0.8-1MPa。
6.根据权利要求1所述的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,在步骤S5中,在水泥粉煤灰浆液中加入水泥质量2%的速凝剂。
7.根据权利要求1所述的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,在步骤S6中,所述修坡的坡度设置为3%,且在其上铺设土工布和防水板。
8.根据权利要求1所述的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,步骤S7中,在煤矿采空区的空腔下方掌子面上利用非爆铣挖机铣挖的方式进行三台阶预留核心土开挖;其中,上台阶的开挖为每循环进尺一榀拱架的距离,中、下台阶每循环进尺二榀拱架的距离,仰拱开挖每循环进尺3m。
9.根据权利要求8所述的隧道穿越煤矿采空区的吹砂回填注浆施工方法,其特征在于,每榀拱架的距离为60cm。
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