CN114108609B - 一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工工艺及方法，不仅解决了对采空区进行处治难易满足工程运行安全的难题，还节省了用料，同时能够对采空区进行注浆过程中进行精准控制，在保证质量的前提下降低工程造价，还能在各段进行注浆过程中进行密封处理，防止浆液渗出地表造成浪费，其解决的技术方案是，包括成桩方法以及在成桩过程中如何对注浆管道进行分段密封，同时还要能够进行随时进行更换密封位置，本发明结构巧妙不仅结构简单并且实用。

Description

一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法

技术领域

本发明涉及一种采空区成桩方法，特别是一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法。

背景技术

采空区是指将地下矿藏资源采出后地下形成的开采空间，当地下矿藏资源采出后，空洞周围原有的应力平衡状态受到破坏，引起应力重分布，采空区其上覆岩体会逐渐失稳而产生位移、开裂、破坏垮落，根据其上覆岩体变形和破坏程度将其大致分为“冒落带”、“裂隙带”、“弯曲带”，随着地下岩体向上的变形发展，当波及至地表时，地表产生移动和变形，根据地表移动变形的速率将其分为“初始期”、“活跃期”、“衰退期”、“残余变形期”。采空区沉降及变形是一个复杂的力学时空过程，岩体结构复杂，影响因素极多，为处治其过大形变，使其满足工程设计运行安全需要。

采空区岩层移动稳定后按岩层破坏程度，大致分为三个不同的开采影响带

1.冒落带(或垮落带)

用全部垮落方法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生破坏的范围称为冒落带。顶板岩层冒落到采空区后，其体积较未冒落前增大，这是冒落带的另一显著特点。通常用岩石碎胀系数来描述冒落带岩石的破碎程度，岩石的碎胀系数取决于岩石的性质，它的值一般恒大于1。冒落带的高度取决于采出煤层的厚度、岩石的碎胀系数和采矿方法，通常是煤层采出厚度的3～5倍，一般煤层越薄冒落带高度越小。

2.裂隙带(或断裂带)

冒落带以上到弯曲带之间为裂隙带。裂隙带虽然也发生下沉弯曲、垂直于层面的断裂和顺层面的离层裂缝，但仍保持层状状态而不垮落。

裂隙带与冒落带的界限不明显，一般合称导水裂隙带，总高度可达煤层采出厚度的9～12倍。

3.弯沉带

从裂隙带以上到地表的范围称为弯沉带。弯沉带岩层在重力作用下向法线方向弯曲、下沉，不再断裂，仍保持岩层的整体性和层状结构，弯沉带移动变形过程是连续而有规律的。

当在采空区进行工程建设时，构筑物必然会受到相应地层变形与沉降的影响，在开展工程建设前必须对采空区建设场地进行评价，根据构筑物的重要程度和建设场地的复杂程度确定处治措施及方案。

采空区地表产生的连续性或非连续性变形，对高速公路、高速铁路的危害主要有：采空区的失稳冒落，使地表剧烈变形，产生裂缝、陷坑和台阶等；路基沉降，造成路基路面局部开裂，使承载力下降，道路等级降低，或造成路面低洼积水，路面浸渍破坏；地表倾斜致使路面坡度发生变化，导致高速行驰车辆重心发生偏移，在弯道处侧翻事故频发；地水平变形和曲率使路面受拉伸开裂或压缩隆起，使路面发生波浪起伏以及路面与路基间局部离层。

越来越多的高速公路、高速铁路选址不可避免地穿越煤矿采空区，若对采空区处治不当，将给高速公路及铁路路基造成不同程度的形变量，影响其正常安全使用，甚至造成工程失效。

采空区的稳定性将成为公路与铁路建设的不良地质问题已越来越突出。我国是一个煤炭及矿产资源十分丰富的国家，随着经济、基础建设纵深协调发展，公路与铁路的投资与建设得到迅猛发展。高速公路与高速铁路下伏采空区的不良地质地质问题已越来越突出，采空区不良地质灾害治理越来越受到工程界的重视。

公路下伏采空区的治理方法单一，目前应用较广的注浆为全充填法，往往根据经验进行设计和布置注浆工作，盲目性很大，有时造成较大的浪费，也带有一定的风险性。因此，对采空区的注浆处治的方法应进一步完善，如对开采引起的不同深度的地层形变特征及地层特性进行不同的充填注浆加固方式。

本发明针对不同深度地层处所受采空而影响的地层特征开展有针对性地加固处治，通过对不同裂隙特征的地质体进行注浆加固，充分发挥原地质体的承载能力，填充或加固由采空带来的孔隙或空洞，从而使加固的地质体满足工程运行安全需要。该发明不仅从根本上对采空区进行处治以满足工程运行安全要求，而且本发明还充分发挥地质体的作用，节省用料，对注浆材料达到精准控制，极大地降低工程造价。因此，本发明对处治公路与铁路下伏采空区塌陷，提高采空区地层的稳定性具有极其重要的使用价值和社会环境经济效益。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法，不仅解决了对采空区进行处治难易满足工程运行安全的难题，还节省了用料，同时能够对采空区进行注浆过程中进行精准控制，在保证质量的前提下降低工程造价，还能在各段进行注浆过程中进行密封处理，防止浆液渗出地表造成浪费。

其解决的技术方案是，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1：基于拟建场地采空区分布特征、周边环境条件及建筑物特点，确定成桩地点，然后根据成桩地点来设计布桩平面及深度；

步骤2：根据钻孔深度以及岩土体强度确定成孔直径以及标准，孔径标准范围随着岩土体强度而进行确定，采用地质钻或潜孔钻钻孔，钻孔直径一百三十毫米，要求竖向布孔钢管穿过采空区入岩一米至两米；

步骤3：在钻孔上层的土层、风化岩内采用大孔径钻钻至基岩面以下，然后下入保护管，保护管为多孔结构，在防止孔壁坍塌的同时能够使得浆液进入到土层内；

步骤4：向钻孔内布设监测管，从钻孔内向下伸出注浆管直至钻孔底部；

步骤5：在注浆管注浆口上端通过密封结构将钻孔进行分割密封；

步骤6：然后对注浆管进行注浆，向孔内灌注不同稠度的浆液，浆液浓度与注浆压力随着注浆孔部位的土层变化而变化；

步骤7：收缩密封结构，使得密封结构与钻孔内壁脱离接触，然后向上提升注浆管到设定高度后停止，然后驱动密封结构恢复密封并进行注浆；

步骤8：注浆管在向上移动过程中重复步骤5至步骤7，直至注浆口上升到地面后停止。

作为优选，所述密封结构包括固定连接在注浆杆下端的注浆壳体，注浆壳体下端固定连接有密封圈，保护壳内固定连接有同轴布置的放置管，放置管用于放置检测管道，放置管与注浆壳体外侧面之间为注浆通道，注浆通道下端设有向下单向导通的出料口，放置管下端设有套设在检测管道上并竖向滑动的活动密封环，活动密封环上端竖向密封滑动连接在放置管上的气压腔体内，气压腔体下端与密封圈进行连通且通过进气管道进行输送压缩气体。

作为优选，所述活动密封环上端与气压腔体上端之间经复位弹簧进行连接。

作为优选，所述注浆浓度与注浆压力成正比关系，注浆浓度越高压力越大。

作为优选，所述检测管内设有位置传感器、声波发生器、声波接受器以及信号传输单元。

作为优选，所述保护管直径为八十九毫米正负零点五毫米范围内，长度为六米至八米。

作为优选，所述浆液的颗粒直径随着注浆高度的升高而降低。

作为优选，所述注浆时为分段注浆，在注浆过程中为从下向上逐段进行注浆，每段注浆完成后进行更换不同的浆液继续进行注浆直至地表。

作为优选，所述活动密封环包括弹性锥形体，弹性锥形体内穿设有拉杆，拉杆下端伸出弹性锥形体并固定连接有推动圈。

本发明有益效果是：解决了对采空区进行处治难易满足工程运行安全的难题，还节省了用料，同时能够对采空区进行注浆过程中进行精准控制，在保证质量的前提下降低工程造价，还能在各段进行注浆过程中进行密封处理，防止浆液渗出地表造成浪费的同时通过多级分段的方式来进行注浆。各个段落之间的浆液浓稠度向上依次增加，在下层裂隙部位采用粒度较大的浆液来进行大空隙的填充，而上层的浆液采用粒度较小同时较为浓稠的浆液进行注浆，将不同地层之间的不同大小的缝隙均进行填补，保证了填补后的支撑力的稳定，同时还解决了在成桩后桩基无法检测的问题。

附图说明

图1为本发明密封结构整体示意图。

图2为本发明密封结构整体示意图第二视角。

图3为本发明密封结构剖视图。

图4为本发明密封结构剖视图第二视角。

图5为本发明活动密封环示意图。

图6为本发明活动密封环示意图第二视角。

图7为本发明布桩示意图。

图8为本发明成桩注浆后示意图。

附图标记

1.注浆壳体，2.密封圈，3.放置管，4.检测管道，5.注浆通道，6.出料口，7.活动密封环，8.气压腔体，9.进气管道，10.复位弹簧，11.弹性锥形体，12.拉杆，13.推动圈。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。

该实施例在使用时，对采空区做出初步分析判断，依据设计规范及工程要求，布设相应的桩位，利用钻机对采空区进行开钻作业，在此过程中通过现场试验，取样分析获得不同深度地层的地质特征。依据地层分析特征布设套管，在孔隙较大深度处层布设侧壁上孔径较大的套管，以利于后续大粒径的注浆材料的灌入，为确保桩身的完整性，套管应穿过采空区一定厚度。

多次分段控制注浆是通过注浆管把浆液分区位注入地层中，利用液压、气压或电化学原理进行控制注浆压力，使浆液以充填、渗透和挤密等方式，充实地层中的空洞、裂隙及部分孔隙，将原来松散冒落带或裂隙带地层胶结成一个整体，形成一个尺寸可控、强度大、防水性能高和化学稳定性良好的“重构地质结合体”，进行注浆前先选定需要进行处理的位置，然后清理地表，然后采用地质钻或潜孔钻钻孔，钻孔φ130mm，要求竖向布孔钢管穿过采空区入岩1～2m，拉后在钻好的钻孔内插入布孔钢管，布孔钢管出厂长度6～8m、φ89×4.5mm无缝钢管，工程中可依据需要加长或截短，在上面布设孔眼，布孔钢管外设有对中环，保证布孔钢管在下管过程中布孔钢管位于钻孔中心部位，然后将注浆管道从布孔钢管内向下伸出到需要注浆的部位，然后想使用密封结构进行段落之间的密封，然后向密封部位的下方进行加压注浆，注浆的浆液浓度从下向上依次增加，一次注浆后8～14小时后，将橡胶注浆枪头深入布孔管内进行分段进行分段注浆，分段长度依据孔隙大小及进浆量，若进浆量大的地层即空洞或裂隙较大时可进行1m长度进行分段，进浆量小的地层即裂隙或孔隙较少时可进行2～4m长度进行分段压浆作业，通过布设在钢管上的孔向周围岩土体扩散，形成一定设计要求的注浆加固体，影响多次分段注浆主要因素有注浆压力、扩散半径、浆液粘稠度及地层的空洞、裂隙或孔隙情况，其关键控制因素是注浆压力和扩散半径。

注浆时先用清水对孔内进行清洗与试压，在用清水在管内分段试压过程中，可再次推测评价各地层裂隙大小及注入难易程度。为后续对不同地层的注浆压力及灌注粒径大小的材料作好充分的准备，对裂隙不发育的地层可进行高压注浆，注浆材料可选择颗粒较细的水泥，在孔隙较大部位，可选用粒径较大的混合浆液作为灌注材料，同时在灌注前期阶段可通过较低压力间歇性灌注，从而控制注入量满足设计桩径要求同时减少过多的灌注量以造成的浪费，通过几次在钢管柱内浇筑混凝土使其与周围岩体成为一个锚塞体，从而在采空区内形成承载短柱，达到阻止、降低采空区继续变形满足上部建筑物变形的目的。针对于水源地采空区处理时，采用在钢管内浇筑混凝土不改变原有水文条件，将对地下水的扰动和污染降至最小，支撑于采空区顶底板间的钢管柱锚塞体解决了钢管桩穿越采空区所遇到的长桩压曲稳定性和作用于桩侧的负摩阻力问题，钢管柱锚塞体受力更合理，稳定性更高，较常规注浆处理，大大减小了采空区的治理面积，减小了材料用量、节约了成本，施工效率大大提高。

注浆扩散半径

浆液扩散半径是一定工艺条件下，浆液在地层中扩散程度值，是确定排数、孔距和排距布置等的重要参数，它对灌浆工程量及造价具有重要影响，如果注浆半径值不符合实际情况，还将降低灌浆效果甚至导致灌浆失败。

注浆半径可按理论公式估算，当地层条件比较复杂或计算参数不易选准时，就应通过现场灌浆试验来确定。

(一)首先可通过前期调查情况进行理论上的估算

在灌浆加固处理地层时，灌浆的主要目的是使浆液能够填充地层中的空洞、空隙及孔隙，从而使地层岩土体的强度提升。可用渗透灌浆中的球形扩散理论、柱形扩散理论和袖阀管法理论进行估算浆液扩散半径r。

被灌浆地层岩土体被视为均质和各向同性的，灌浆体为牛顿体；灌浆体从注浆管底端注入地层内，灌浆体在地层中逐渐扩散，扩散半径从理论上简化计算方法如下：

(1)按球状扩散半径：

式中：K--灌浆体的渗透系数cm/s；

β--灌浆体粘度对水的粘度比；

P--灌浆压力MPa；

r₀--灌浆管半径cm；

t--灌浆时间s；

n--地层岩土体孔隙率；

(2)柱形扩散理论的模型扩散半径为：

(3)袖阀管法扩散半径为：

式中：d_e--灌浆体的渗透系数cm/s；

袖阀管法理论假定浆液在砂砾中作紊流运动，袖阀管注浆法采用的单向密封阀管除特殊情况下采用钢管外，一般采用的是钙塑聚丙烯制造的塑料单向阀管，其内壁光滑，接头有螺扣，端部有斜口，在阀管首尾相接时保证接头部位光滑，使注浆芯管在管内上下移动方便无阻，其外壁有加强筋以提高抗折能力。塑料阀管分有孔、无孔两种，在加固范围内设置的是有孔塑料单向阀管，在其有孔部位外部，紧套着根据测定爆破压力为4.5MPa的橡胶套覆盖住注浆孔，这样就可保证浆液的单方向运动。

(二)试验法

先采用上述方法来进行初步确定注浆压力及其注浆半径，然后再通过现场试验进一步验证确定。

现场灌浆试验时，常采用三角形及矩形布孔方法，灌浆试验结束后，可通过下述方法对浆液扩散半径进行评价：1.钻孔压水或注水，求出灌浆体的渗透性；2.钻孔取样品，检查孔隙充浆情况；3.用大口径钻井或人工开挖竖井，用肉眼检查地层充浆情况，并采取灌浆样品供室内进行试验研究。

在确定好当前地区的各个地层的注浆浓度以及压力以后进行注浆，在注浆前需要将检测管道4通过放置管3向下插入到钻孔内，然后对钻孔与检测管道4之间的空间部位进行注浆，在注浆过程中需要进行各个段落之间的分割以及密封动作，在需要进行密封时，通过对进气管道9内进行输送高压气体，然后通过高压气体将密封环向上推动，密封环在向上运动过程中会堵塞注浆壳体1下端的放置管3与注浆通道5之间的间隙，同时通入密封圈2内的高压气体会将密封圈2进行扩大，密封圈2的材质采用弹性材质制成，内部的空心结构可以在通入高压气体时将密封圈2的体积进行扩大，扩大后的密封圈2会与钻孔之间的侧壁进行接触，然后对钻孔的部位进行隔断并密封，然后注浆通道5向下通过单向出料口6向下进行注浆，在一段进行注浆完成后停止高压气体的输入，此时密封圈2在弹性作用下复位，而检测管道4在已经注入浆液部位会进行初步的固定，此时将注浆管道向上运动并不会拖动检测管道4同步的向上进行运动，然后将注浆管道向上移动到设定位置，然后重新对密封圈2以及气压腔内充入高压气体，然后密封圈2以及活动密封环7恢复密封，此时对注浆管道内通入混合好的相应浓度的浆液，然后通过高压注浆，将浆液从单向导通的出料口6向下进行注浆，注入的浆液浓度随着注浆部位的不同而进行改变，重复上述步骤直至注浆到达地表。

Claims (7)

1.一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1：基于拟建场地采空区分布特征、周边环境条件及建筑物特点，确定成桩地点，然后根据成桩地点来设计布桩平面及深度；

步骤2：根据钻孔深度以及岩土体强度确定成孔直径以及标准，孔径标准范围随着岩土体强度而进行确定，采用地质钻或潜孔钻钻孔，钻孔直径一百三十毫米，要求竖向布孔钢管穿过采空区入岩一米至两米；

步骤3：在钻孔上层的土层、风化岩内采用大孔径钻钻至基岩面以下，然后下入保护管，保护管为多孔结构，在防止孔壁坍塌的同时能够使得浆液进入到土层内；

步骤4：向钻孔内布设检测管，从钻孔内向下伸出注浆管直至钻孔底部；

步骤5：在注浆管注浆口上端通过密封结构将钻孔进行分割密封；

步骤6：然后对注浆管进行注浆，向孔内灌注不同稠度的浆液，浆液浓度与注浆压力随着注浆孔部位的土层变化而变化；

步骤7：收缩密封结构，使得密封结构与钻孔内壁脱离接触，然后向上提升注浆管到设定高度后停止，然后驱动密封结构恢复密封并进行注浆；

步骤8：注浆管在向上移动过程中重复步骤5至步骤7，直至注浆口上升到地面后停止；

所述密封结构包括固定连接在注浆杆下端的注浆壳体（1），注浆壳体（1）下端固定连接有密封圈（2），保护壳内固定连接有同轴布置的放置管（3），放置管（3）用于放置检测管道（4），放置管（3）与注浆壳体（1）外侧面之间为注浆通道（5），注浆通道（5）下端设有向下单向导通的出料口（6），放置管（3）下端设有套设在检测管道（4）上并竖向滑动的活动密封环（7），活动密封环（7）上端竖向密封滑动连接在放置管（3）上的气压腔体（8）内，气压腔体（8）下端与密封圈（2）进行联通且通过进气管道（9）进行输送压缩气体；

所述活动密封环（7）上端与气压腔体（8）上端之间经复位弹簧（10）进行连接。

2.根据权利要求1所述一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法，其特征在于，所述注浆浓度与注浆压力成正比关系，注浆浓度越高压力越大。

3.根据权利要求1所述一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法，其特征在于，所述检测管内设有位置传感器、声波发生器、声波接受器以及信号传输单元。

4.根据权利要求1所述一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法，其特征在于，所述保护管直径为八十九毫米正负零点五毫米范围内，长度为六米至八米。

5.根据权利要求1所述一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法，其特征在于，所述浆液的颗粒直径随着注浆高度的升高而降低。

6.根据权利要求1所述一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法，其特征在于，所述注浆时为分段注浆，在注浆过程中为从下向上逐段进行注浆，每段注浆完成后进行更换不同的浆液继续进行注浆直至地表。

7.根据权利要求1所述一种采空区多级分段精准充灌深成桩施工方法，其特征在于，所述活动密封环（7）包括弹性锥形体（11），弹性锥形体（11）内穿设有拉杆（12），拉杆（12）下端伸出弹性锥形体（11）并固定连接有推动圈（13）。

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