CN113047873A - 一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于厚硬顶板采空区（或灰岩溶洞）治理的大直径柱体植入方法，单柱体植入时，利用分段钻进、套管管靴钻进方法，钻入空洞底板完整基岩2D，钻孔完成后，分节提取孔内造价昂贵的专业钻进套管及管靴并更换较为廉价的普通钢套管进行全孔套管扫孔钻进至钻孔孔底标高；再将空洞顶板以上普通钢套管截断。孔内放入钢筋笼、浇筑混凝土至顶板以上5D，形成大直径钢筋混凝土柱。通过在采空区（或灰岩溶洞）区域植入一定数量大直径钢筋混凝土柱，利用钢筋混凝土柱顶部与岩体的嵌固作用，使钢筋混凝土柱承担一定的覆岩荷载从而减少顶板所受的弯矩，这样形成一种全新的支撑体系，该体系利用植入大直径柱体增强采空区（或灰岩溶洞）稳定性。

Description

一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植 入方法

技术领域

本发明属于地质灾害处治技术领域，具体为一种适用于厚硬顶板采空区（或灰岩溶洞）治理的大直径柱体植入方法，适合于人工较难进入拥有较厚坚硬顶板的采空区（或灰岩溶洞）的治理。

背景技术

随着我国城市化的发展，城市周边地区寸土寸金，很多重要项目需要在采空区上进行建设，对采空区进行加固和治理的需求日益旺盛。采空区空洞治理方法主要有注浆法和非注浆法。传统注浆法是要注入大量浆液材料，费时费料；传统非注浆法（如：干砌方法和浆砌方法）往往需要大量人员设备入洞，但是地下洞室中易产生有害气体，矿坑突水以及围岩局部掉块等极易对洞内施工人员造成严重的安全危害。同时，洞内空间狭小，不利于机械化施工，大型设备难以进入。随着我国套管钻进技术的提高，大直径旋挖钻机的普及，本发明提出了一种适用于厚硬顶板采空区（或灰岩溶洞）治理的大直径柱体植入方法。较传统方法大大减小了材料用量、节约了成本，缩短了工期，还更加安全环保。

发明内容

为保证采空区上建构筑物的安全，解决采空区洞内的施工不便的情况，本发明目的在于提供一种适用于厚硬顶板采空区（或灰岩溶洞）治理的大直径柱体植入方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，包括如下步骤：

（1）、岩体力学分析与设计

根据采空区（或溶洞）特征，如空洞范围、高度、覆岩厚度及强度等，通过岩体力学分析、计算确定植入混凝土柱的数量、间距、单柱的直径、配筋及与顶板的嵌固深度等。

（2）、大孔径钻孔

根据设计要求孔径、孔深采用相应钻机（建议采用旋挖钻机）地面钻孔，上部遇易塌孔松散覆盖层时应采用护壁套管进行护壁，钻进至空洞顶板。

（3）、套管钻孔

按设计柱直径采用旋挖钻全孔（确保钻孔垂直）分节下入套管加管靴钻进，钻穿空洞底部淤积层且进入底板岩体一定深度，确保钻进管靴全断面入岩0.5米以上并提取出相应芯体，钻孔完成。

（4）、换管、清孔

钻孔完成后，分节提取孔内造价昂贵钻进套管及管靴，采用旋挖钻机全孔重新分节下入普通钢套管放（钻）至孔底（为使普通钢套管顺利进入孔底，底部钢套管可制成简易管靴），然后完成孔内捞渣、清孔。

（5）、截管、放钢筋笼、嵌固段植筋、浇筑混凝土

利用现代套管钻进技术中正反转工艺将空洞顶板底面以上普通钢套管旋出并提出孔外，或利用孔内吊篮人工将空洞顶板以上普通钢套管截断并提出孔外；截断或旋出钢套管为使钢筋混凝土柱与覆岩顶板提供接触面形成嵌固力，其中钢筋混凝土柱与上覆岩层接触段称为嵌固段。孔内吊篮人工封堵管外壁与岩壁间缝隙，吊放按设计制作好的钢筋笼；放入浇筑导管，浇筑混凝土至设计柱顶标高。如果嵌固力不满足设计要求时，采用孔内吊篮人工在嵌固段岩层内植入钢筋，并与放置到位的钢筋笼相连接。

（6）、柱顶孔洞回填

混凝土柱顶浇筑完成，待混凝土终凝后，拔出上部松散层护壁筒套管（如果有），采用低标号混凝土浇筑至孔口或用素土分层夯填至孔口即可，单柱施工完成。

（7）、重复步骤（2）至步骤（6）完成设计所需要的全部钢筋混泥土柱。

进一步优选的，步骤（1）中，为准确查明每根钢筋混凝土柱施钻时地层的情况，需要对每个柱体位置进行小口径超前钻孔。

进一步优选的，步骤（2）中，成孔直径宜大于设计柱径10~20cm。

进一步优选的，步骤（3）中，目前套管、管靴钻进效果比较理想。按设计柱直径采用全孔分段下入套管加管靴钻进，确保钻进管靴全断面入底板岩体2D（2倍柱直径）以上并提取出相应芯体，钻孔完成。利用套管钻进为了保证钻孔垂直度和确保套管钻入底板岩层。

进一步优选的，步骤（4）中，为使普通钢套管顺利进入孔底，底部钢套管可制成简易管靴。普通钢套管壁厚宜选用15~20mm，其主要作用是：1、钻孔护壁管，2、担当浇筑混凝土模板，3、节约成本。

进一步优选的，步骤（5）中，将空洞顶板底面10~20cm以上普通钢套管提出孔外。钢筋混凝土柱顶部凝固时由于岩体的嵌固作用与采空区覆岩顶板胶结为一体，保证嵌固段长度大于5D（5倍柱直径），这样形成一种全新的支撑体系，确保采空区（或溶洞）的稳定。在采空区区域植入一定数量大直径钢筋混凝土柱（鉴于目前钻进坚硬岩层的钻机性能，建议柱直径在1.5~2.0米之间）。

截断钢套管方法有：1、利用现代旋挖套管钻进技术中正反转工艺将空洞顶板以上钢套管旋出并提出孔外；2、利用孔内吊篮人工将空洞顶板以上钢套管截断并提出孔外。若需要提高嵌固力可增加嵌固段长度，也可在嵌固段植筋。嵌固段植筋可采用孔内吊篮人工在围岩内植筋，植筋角度与围岩临空面向下45°为宜，并与钢筋笼相连接。浇筑混凝土应当根据围岩与成本考虑选用较高标号混凝土，因为选用混凝土与围岩弹性模量越接近，两者之间嵌固力越高。

本发明所述适用于厚硬顶板采空区（或灰岩溶洞）治理的大直径柱体植入方法，通过在采空区（或灰岩溶洞）区域植入一定数量大直径钢筋混凝土柱，利用钢筋混凝土柱顶部与岩体的嵌固作用，使钢筋混凝土柱承担一定的覆岩荷载从而减少顶板所受的弯矩，这样形成一种全新的支撑体系，该体系利用植入大直径柱体增强采空区（或灰岩溶洞）稳定性。单柱体植入时，利用分段钻进、套管管靴钻进方法，钻入空洞底板完整基岩2D，钻孔完成后，分节提取孔内造价昂贵的专业钻进套管及管靴并更换较为廉价的普通钢套管进行全孔套管扫孔钻进至钻孔孔底标高；再将空洞顶板以上普通钢套管截断。孔内放入钢筋笼、浇筑混凝土至顶板以上5D，形成大直径钢筋混凝土柱，钢筋混凝土柱与覆岩体接触面形成嵌固力，将部分覆岩荷载通过柱体传入底板。

本发明较传统的常规注浆充填治理采空区相比，不仅减少了材料用量、节约了成本，缩短了工期，还更加环保。与传统的井下浆砌片石、井下墩柱支撑相比，避免了人工在井下作业所面临的有毒、有害气体、井下掉块等潜在危险，施工材料无需运送至井下。

本发明设计合理，更加适合人类无法进入的空洞支撑，如废弃已久石灰矿、铁矿、厚硬顶板的小窑煤矿采空区及灰岩溶洞等，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示本发明单柱成孔时的示意图。

图2表示本发明单柱施工完成时的示意图。

图3表示本发明整体处置效果剖面示意图。

图中：100-采空区（或溶洞），1-松散层区域，2-覆岩顶板，3-采空区，4-淤积区，5-采空区底板，6-回填区，7-嵌固段，8-植柱区，9-护壁套管，10-钻进套管，11-普通钢套管，12-钢筋笼。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术细节，下面结合附图对本发明的较佳实施案例进行详细阐述。

实现保证地面变形要求的基础上，作业人员不进入采空区且工期短、效果好、成本低。本发明方案利用大型旋挖机在地面作业，下钢护筒在空洞内形成模板，植入的钢筋混凝土桩会与硬质的厚层顶底板形成整体，减小采空跨度，增加采空区稳定性。本发明技术具体为利用现代钻孔灌注桩套管钻进成孔技术，在采空区区域植入一定数量大直径钢筋混凝土柱（鉴于目前钻进坚硬岩层的钻机性能，建议柱直径在1.5~2.0米之间），钢筋混凝土柱顶部凝固时由于岩体的嵌固作用与采空区覆岩顶板胶结为一体，嵌固段（钢筋混凝土柱与上覆岩层接触段）要求一般大于5倍柱直径。这样形成一种全新的支撑体系，确保采空区（或溶洞）的稳定。

以长沙恒大童话山水乐园地块观音堂采空区及岩溶地质灾害治理项目方案为例介绍本发明的技术细节。该项目属石灰岩采空区，采空区上部拟建有悬挂式特效过山车、互动黑暗骑乘等六个大型单体建筑，地下采空面积约16000m²，采空跨进20~40m。采空区顶板为石灰岩，饱和单轴抗压强度标准值＞45Mpa，RQD=82~90，厚度30m左右，围岩完整性较好。采空区曾为泥浆收纳场、污水垃圾排放区，泥浆、污水垃圾充填采空区后，淤积物长期处于浸水状态，可能产生有害气体。

步骤一、岩体力学分析与设计

前期勘察根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》、《岩土工程勘察规范》等规范规程与现代探测手段，查明采空区（或溶洞）特征，如空洞范围、高度、覆岩厚度及强度等。为准确查明每根钢筋混凝土柱施钻时地层的情况，需要对每个柱体位置进行小口径超前钻孔。设计阶段根据《混凝土结构设计规范》、《混凝土结构后锚固技术规程》等规范规程，结合Flac3D数值模拟计算确定植入混凝土柱的数量、间距、单柱的直径、配筋及与顶板的嵌固深度等；本实施例中对采空区进行岩体力学分析与设计，总植入58根钢筋混凝土柱，柱身采用C35混凝土、HRB400钢筋，直径为2.0m。柱间距控制在10.0~15.0m，柱基伸入底板稳定基岩不小于4.0m（2倍柱直径），柱基与顶板有效接触长度（嵌固段要求大于5倍柱直径）不小于10m。

步骤二：大孔径钻孔

如图1所示，采用SR445R旋挖钻机地面钻孔成孔直径2.3~2.4m，穿过松散覆盖层时，放入2.2m的护壁套管9进行护壁，支撑图1中的松散层区域1。换用直径2m旋挖钻头，钻进至空洞顶板并取出岩芯，钻通图1中覆岩顶板2。

步骤三：套管钻孔

如图1所示，采用直径2m的旋挖钻，分节下入专业钻进套管加管靴钻进，钻穿空洞底部淤积区4进入采空区底板5岩体（图1中灰岩底板区域）不小于4.0m，并提取出相应芯体，钻孔完成。

步骤四：换管、清孔

提取专业钻进套管加管靴，采用旋挖钻机全孔，重新分节下入普通钢套管10放（扫）至孔底，然后完成孔内捞渣、清孔。

专业钻进套管厚度0.02m、长度60m的重量约在53t。钻机起重能力有限现场配置相应能力的起重机协助下放、提出护筒。

步骤五：截管、放钢筋笼、浇筑混凝土

如图2所示、利用孔内吊篮人工将空洞顶板的底面以上10~20cm普通钢套管截断并提出孔外，人工封堵管外壁与岩壁间缝隙。若需要增大嵌固段7区间的嵌固力，可以采用孔内吊篮人工在柱身范围内的顶板岩层内植入钢筋，并与钢筋笼相连接；吊放按设计要求制作的钢筋笼12，钢筋笼中心与桩孔中心偏差不超过10mm，主筋的混凝土保护层厚度偏差不超过20mm。钢筋笼下端主筋的端部应加焊加强筋一道，以防止下端钢筋笼在下入时插入孔壁或在导管提升时卡挂导管。选择直径为225mm导管灌注混凝土，浇筑过程中导管埋入混凝土宜为2~4m。浇筑混凝土至设计柱顶标高位置。

步骤六：柱顶孔洞回填

混凝土柱顶浇筑完成，待混凝土终凝后，如果有的话，拔出上部松散层区域的护壁套管（钢护筒），然后采用素土分层夯填至孔口，单桩完成时如图2所示。

步骤七：重复步骤二至步骤六完成设计所需要的全部钢筋混泥土柱，如图3所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (8)

1.一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、岩体力学分析与设计

根据采空区或溶洞特征，通过岩体力学分析、计算确定植入混凝土柱的数量、间距、单柱的直径、配筋及与顶板的嵌固深度；

（2）、大孔径钻孔

根据设计要求孔径、孔深采用旋挖钻机地面钻孔，上部遇易塌孔松散覆盖层时应采用套管护壁，钻进至空洞顶板；

（3）、套管钻孔

按设计柱直径采用旋挖钻全孔分节下入套管加管靴钻进，钻穿空洞底部淤积层且进入底板岩体一定深度，确保钻进管靴全断面入岩0.5米以上并提取出相应芯体，钻孔完成；

（4）、换管、清孔

钻孔完成后，分节提取孔内钻进套管及管靴，采用旋挖钻机全孔重新分节下入普通钢套管放（钻）至孔底，然后完成孔内捞渣、清孔；

（5）、截管、放钢筋笼、嵌固段植筋、浇筑混凝土

利用套管钻进技术中正反转工艺将空洞顶板底面以上普通钢套管旋出并提出孔外，或利用孔内吊篮人工将空洞顶板以上普通钢套管截断并提出孔外；孔内吊篮人工封堵管外壁与岩壁间缝隙，吊放按设计制作好的钢筋笼；放入浇筑导管，浇筑混凝土至设计柱顶标高；

（6）、柱顶孔洞回填

混凝土柱顶浇筑完成，待混凝土终凝后，拔出上部松散层护壁筒套管，采用低标号混凝土浇筑至孔口或用素土分层夯填至孔口即可，单柱施工完成；

（7）、重复步骤（2）至步骤（6）完成设计所需要的全部钢筋混泥土柱。

2.根据权利要求1所述的一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，其特征在于：步骤（1）中，为准确查明每根钢筋混凝土柱施钻时地层的情况，需要对每个柱体位置进行小口径超前钻孔。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，其特征在于：步骤（2）中，成孔直径宜大于设计柱径10~20cm。

4.根据权利要求3所述的一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，其特征在于：步骤（3）中，钻孔伸入底板岩体稳定基岩不小于2倍柱直径。

5.根据权利要求4所述的一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，其特征在于：步骤（5）中，将空洞顶板底面10~20cm以上普通钢套管提出孔外。

6.根据权利要求5所述的一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，其特征在于：步骤（5）中，嵌固段长度大于5倍柱直径。

7.根据权利要求6所述的一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，其特征在于：混凝土柱直径在1.5~2.0米之间。

8.根据权利要求6所述的一种适用于厚硬顶板采空区或灰岩溶洞治理的大直径柱体植入方法，其特征在于：步骤（5）中，若嵌固力不满足设计要求时，采用孔内吊篮人工在嵌固段岩层内植入钢筋，并与放置到位的钢筋笼相连接。

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