采空区钻孔注浆施工工法
中铁十九局集团第二工程有限公司 于占双 罗 莹 满学坤
一、前言
随着科学技术的发展和人类文明的进步，地下空间利用的形态，已千姿百态，越来越多的地下工程和地基基础工程实践证明：地下空间的利用将日益扩展，注浆工艺的研究已成为保证工程质量和安全的重要手段。2001年我公司承建的祁临高速公路十二标段采空区处治工程，有注浆孔274个，孔深在100～150m 之间，累计钻孔33288m 。在施工实践中，通过探索试验，总结出一套行之有效的施工方法，现加以分析研究、总结形成本工法。
二、工法特点
1、设备和工艺简便灵活。
2、施工占用空间小，对交通影响小，对市政环境影响小。 3、工期短、见效快，适用范围广。 4、加固深度易于控制。
三、适用范围
本工法适用于埋层较深的地下溶洞、煤矿采空区、井下巷道及市区内地下洞室的回填加固施工。
四、施工工艺
（一）工艺原理
本工法利用深孔钻机成孔，下注浆管，然后浇筑孔口管。先进行周边帷幕孔注浆再进行注浆孔注浆，浆液在压力作用下，进入土体，充填土体中的空隙，如果土体中有空穴（如采空区、巷道等），那么浆液就会充填固结起到加固作用。由于浆液的充填在压力作用下扩散前进，对周围的土体同时产生挤密效应和扩散效应，使土体的孔隙比减少。
（二）工艺流程
1、采空区钻孔注浆总体流程（见图1 ） 2、钻孔施工工艺流程 （见图2） 3、浇铸孔口管施工工艺流程（见图3） 4、帷幕孔注浆施工工艺流程（见图4） 5、注浆孔注浆施工工艺流程（见图5） 6、质量检查施工工艺流程 （见图6） （三）施工要点
1、施工准备：搞好“三通一平，建立注浆站，清理施工现场。钻孔注浆设备及施工人员，注浆
材料进场。
2、钻孔：首先按设计图纸上的孔位坐标，用GTS711全站仪逐孔测量放线，木桩红布标记，要求误差小于1m 。采用1000型钎孔锤钻机和300型钻机钻进。开孔采用130钻头，当穿过松散土层，进入好围岩2～3m 后下φ127套管，换110钻头钻进。
3、孔深达到设计深度后提钻杆，下注浆管，注浆管外露长度在0.5～1m 左右。
4、浇筑孔口管：浇筑孔口管的水泥应掺速凝剂，以缩短钻孔和注浆工序时间。孔口管的注浆高度要达到4～6m 。
5、帷幕孔注浆：首先，依据帷幕孔成孔过程中的岩芯破碎程度、孔内循环液的漏失量及钻进过程的掉钻、卡钻等现象，判断孔内采空区空洞、孔隙的大小，以选择确定灌注浆液（即水泥粉煤灰砂浆）的类型，并对帷幕孔进行单孔灌浆设计（包括材料、配合比、灌浆工艺、灌浆量等）。当地下采空区空隙较小时，可用水灰比为1：1.8的水泥粉煤灰浆。其中Ⅳ（1）区水泥占固相的77%，粉煤灰占固相的23%；Ⅳ（2）区水泥占固相的20%，粉煤灰占固相的80%，制浆材料中增添水泥重量1-2%的速凝剂。当地下采空区空隙较大时，可用水泥粉煤灰砂浆实施灌注，其砂浆流度应在130～200mm 之间，砂浆强度等级设定为M15。对于灌浆量较大的帷幕孔，采用低压稠浆小泵量多间歇的方法灌注，以工艺控制灌浆量，达到最佳的灌浆效果，防止浆液过量流失到非注浆部位或地段。
6、注浆孔注浆：注浆孔灌浆前，依据注浆孔成孔过程中提供的工程地质信息（岩芯破碎程度、循环液漏失量、掉钻等现象）进行单孔灌浆设计（包括浆液配合比、灌浆量等），采用水泥粉煤灰浆液一次灌浆结束的施工方案。对于单孔灌浆量较大的注浆孔，可采用稠浆多间歇的注浆方案，并适时在孔内投入骨料（如砂子等）。水泥粉煤灰浆可用BW-250/50型泥浆泵，通过注浆管路注入采空区。
7、质量检查：在灌浆施工结束6个月后，进行灌浆质量的检测工作。检测位置由监理工程师现场根据灌浆施工实际具体确定。检查孔按灌浆孔总数的3-5%来控制，并经监理工程师批准后选择一孔用波速测井法进行钻探检测，要求波速大于160m/s。
五、关键技术
1、为了有效地控制浆液凝固时间，速凝剂和其它添加剂先加在一级搅拌池的粉煤灰浆搅拌池中，以克服加入混合池中后，产生浆液提前凝固的失控现象。
2、发生因浇筑孔口管止浆不好或孔附近裂隙（缝）发育而引起的注浆孔周围的冒浆现象，宜先采用低压小流量间歇灌注，不奏效时，应重新浇筑孔口管，以获得单孔灌浆质量的最佳效果。
3、考虑到Ⅳ（1）、Ⅳ（2）区灌浆浆液的配合比不一样，故在本合同段注浆站修建二级搅拌池二个，保证不同配比浆液的同时造浆灌注，加快施工进度。
4、受注段过长时，应降低封孔高度至裂隙带上部，不可按标准高度封孔，同时钻孔变径点应降低。
5、单孔初灌前，必须进行注水试验，一方面起到洗孔作用，以保证各种空洞裂隙贯通；另一方面判断单孔可灌性，确定初始浆液配合比。
6、每个钻孔完成后，经注水试验和洗孔，再进行单孔灌注设计，根据单孔判定空洞带塌陷冒落带、裂隙带的高度及状态，确定浆液配合比、灌浆量；确定分序次的灌注方法和灌注压力。
7、一般灌浆孔多采用孔口封闭灌浆法，帷幕孔和胶结孔（隧道以上）采用自下而上灌浆法，单孔灌两层采用自上而下灌注法，当采用后一种方法时，注浆管下至受注层（冒落带），注浆管下部1m 用花管，管头封死。当灌注达到要求后，拔起1m 再灌，依此类推。深层封孔装置采用橡胶球形阀，冒落带灌完后采用法兰盘封口。
8、帷幕注浆时，如空洞或冒落带的空隙较大，适当灌一部分石屑，但不能超过空洞高度的三分之二，然后灌石屑“混凝土”（指不振捣混凝土）或水灰比大于1：1.8的稠浆。
9、对隧道洞身以上采空区进行胶结灌浆时，为保证冒落物在受注胶结后的整体强度满足设计要求（5-8Mpa ），同时保证隧道开挖时洞顶不漏浆漏水，保证隧道围岩类别不因采空区处治效果不好而大幅度下降，保证充填率90%以上，灌浆压力必须在3-4Mpa 以上。
10、保证浆液（或不振捣混凝土）不因自重而离析的措施。
①当地层塌陷，无明显孔洞时，以注浆为主。在搞好封孔装置的前提下，先灌水，后注稀浆，保证灌注管路全过程无空气时，再注入正常浆液，中间因灌注泵与流动配合不当等原因出现空气进入时，要用孔口的排气阀及时处理。
②当地下空洞较大时，要先灌一些石屑，同时把灌浆管头封死，采用花管灌注，有意识地降低流动速度，使之与灌浆泵的输出量相匹配。
11、在深层还原环境下，浆液和“混凝土”的凝固结石状态与地面氧化环境下的状态差异非常大，几乎没有任何比较性，因此，要根据地下水温状态调整水泥用量，合理增加速凝剂和其它添加剂，估计地下浆液凝固时间，保证结石率和结石强度满足设计要求，为进行质量控制打好基础。
六、机具设备（见表1）
表1 机具设备
序号 1 2 3 4 5 6
设备名称 空压机 钻机 钻机钻机钻机钻机
规格型号 20m
3
单位 台 台 台 台 台 台 台 台
数量 4 10 5 5 2 4 2 6
300型 150-Ⅱ型 1000型 TL98-1型 BW-250/50 200KV 8T
7 8
发电机 东风自卸车
七、劳动组织（见表2）
表2 劳力安排
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
工 种 安全员 空压机 质检员 电 工 钻机机长 力 工 汽车司机 安全员 质检员 汽车司机 注浆泵机长 力 工
人 数 1 人 1 人 2 人 1 人 40 人 80 人 4 人 1 人 1 人 4 人 4 人 20 人
注浆值班 钻孔值班 工作内容
八、质保措施
1、 组织措施：建立健全项目经理、技术负责人、质量检验工程师参加的项目质量管理体系，制定详细的质量管理责任制，明确各级责任。认真执行三检制，坚持三不放过，把质量隐患消灭在萌芽状态。
2、 技术措施：严格技术检测制度，杜绝消灭不合格设备及原材料进场。建立工地试验室，配
齐试验设备及仪器，完备现场检测手段。强制工程质量自检。
九、安全措施
1、 对机械传动部位必须安装防护罩，高空作业人员必须配备安全带，施工人员必须配戴安全帽。
2、 安全员及特种岗位人员必须持证上岗。
3、 加强安全教育，使每个职工都牢固树立“安全第一、预防为主”的思想。 4、 危险设备及场地设立围栏，并挂明显警示牌。 5、 对易燃易爆物品设专人管理，并配备足够的消防设备。
十、效益分析
本工法施工工艺行之有效，便于操作，帷幕范围大，加固效果好，工程造价低，人员在地面施工，安全系数大，钻机占的空间小，对环境的破坏少，有利于环保，具有可观的经济效益和社会效益。
十一、工程实例
山西省祁临高速公路工程十二标段采空区处治工程。自2001年1月至2001年6月历时半年完工。完成钻孔注浆274孔，累计钻进33288m ，提前15天完工。由于该工程施工进度快，质量好，多次受到监理和业主的好评。
采空区钻孔注浆施工工法
中铁十九局集团第二工程有限公司 于占双 罗 莹 满学坤
一、前言
随着科学技术的发展和人类文明的进步，地下空间利用的形态，已千姿百态，越来越多的地下工程和地基基础工程实践证明：地下空间的利用将日益扩展，注浆工艺的研究已成为保证工程质量和安全的重要手段。2001年我公司承建的祁临高速公路十二标段采空区处治工程，有注浆孔274个，孔深在100～150m 之间，累计钻孔33288m 。在施工实践中，通过探索试验，总结出一套行之有效的施工方法，现加以分析研究、总结形成本工法。
二、工法特点
1、设备和工艺简便灵活。
2、施工占用空间小，对交通影响小，对市政环境影响小。 3、工期短、见效快，适用范围广。 4、加固深度易于控制。
三、适用范围
本工法适用于埋层较深的地下溶洞、煤矿采空区、井下巷道及市区内地下洞室的回填加固施工。
四、施工工艺
（一）工艺原理
本工法利用深孔钻机成孔，下注浆管，然后浇筑孔口管。先进行周边帷幕孔注浆再进行注浆孔注浆，浆液在压力作用下，进入土体，充填土体中的空隙，如果土体中有空穴（如采空区、巷道等），那么浆液就会充填固结起到加固作用。由于浆液的充填在压力作用下扩散前进，对周围的土体同时产生挤密效应和扩散效应，使土体的孔隙比减少。
（二）工艺流程
1、采空区钻孔注浆总体流程（见图1 ） 2、钻孔施工工艺流程 （见图2） 3、浇铸孔口管施工工艺流程（见图3） 4、帷幕孔注浆施工工艺流程（见图4） 5、注浆孔注浆施工工艺流程（见图5） 6、质量检查施工工艺流程 （见图6） （三）施工要点
1、施工准备：搞好“三通一平，建立注浆站，清理施工现场。钻孔注浆设备及施工人员，注浆
材料进场。
2、钻孔：首先按设计图纸上的孔位坐标，用GTS711全站仪逐孔测量放线，木桩红布标记，要求误差小于1m 。采用1000型钎孔锤钻机和300型钻机钻进。开孔采用130钻头，当穿过松散土层，进入好围岩2～3m 后下φ127套管，换110钻头钻进。
3、孔深达到设计深度后提钻杆，下注浆管，注浆管外露长度在0.5～1m 左右。
4、浇筑孔口管：浇筑孔口管的水泥应掺速凝剂，以缩短钻孔和注浆工序时间。孔口管的注浆高度要达到4～6m 。
5、帷幕孔注浆：首先，依据帷幕孔成孔过程中的岩芯破碎程度、孔内循环液的漏失量及钻进过程的掉钻、卡钻等现象，判断孔内采空区空洞、孔隙的大小，以选择确定灌注浆液（即水泥粉煤灰砂浆）的类型，并对帷幕孔进行单孔灌浆设计（包括材料、配合比、灌浆工艺、灌浆量等）。当地下采空区空隙较小时，可用水灰比为1：1.8的水泥粉煤灰浆。其中Ⅳ（1）区水泥占固相的77%，粉煤灰占固相的23%；Ⅳ（2）区水泥占固相的20%，粉煤灰占固相的80%，制浆材料中增添水泥重量1-2%的速凝剂。当地下采空区空隙较大时，可用水泥粉煤灰砂浆实施灌注，其砂浆流度应在130～200mm 之间，砂浆强度等级设定为M15。对于灌浆量较大的帷幕孔，采用低压稠浆小泵量多间歇的方法灌注，以工艺控制灌浆量，达到最佳的灌浆效果，防止浆液过量流失到非注浆部位或地段。
6、注浆孔注浆：注浆孔灌浆前，依据注浆孔成孔过程中提供的工程地质信息（岩芯破碎程度、循环液漏失量、掉钻等现象）进行单孔灌浆设计（包括浆液配合比、灌浆量等），采用水泥粉煤灰浆液一次灌浆结束的施工方案。对于单孔灌浆量较大的注浆孔，可采用稠浆多间歇的注浆方案，并适时在孔内投入骨料（如砂子等）。水泥粉煤灰浆可用BW-250/50型泥浆泵，通过注浆管路注入采空区。
7、质量检查：在灌浆施工结束6个月后，进行灌浆质量的检测工作。检测位置由监理工程师现场根据灌浆施工实际具体确定。检查孔按灌浆孔总数的3-5%来控制，并经监理工程师批准后选择一孔用波速测井法进行钻探检测，要求波速大于160m/s。
五、关键技术
1、为了有效地控制浆液凝固时间，速凝剂和其它添加剂先加在一级搅拌池的粉煤灰浆搅拌池中，以克服加入混合池中后，产生浆液提前凝固的失控现象。
2、发生因浇筑孔口管止浆不好或孔附近裂隙（缝）发育而引起的注浆孔周围的冒浆现象，宜先采用低压小流量间歇灌注，不奏效时，应重新浇筑孔口管，以获得单孔灌浆质量的最佳效果。
3、考虑到Ⅳ（1）、Ⅳ（2）区灌浆浆液的配合比不一样，故在本合同段注浆站修建二级搅拌池二个，保证不同配比浆液的同时造浆灌注，加快施工进度。
4、受注段过长时，应降低封孔高度至裂隙带上部，不可按标准高度封孔，同时钻孔变径点应降低。
5、单孔初灌前，必须进行注水试验，一方面起到洗孔作用，以保证各种空洞裂隙贯通；另一方面判断单孔可灌性，确定初始浆液配合比。
6、每个钻孔完成后，经注水试验和洗孔，再进行单孔灌注设计，根据单孔判定空洞带塌陷冒落带、裂隙带的高度及状态，确定浆液配合比、灌浆量；确定分序次的灌注方法和灌注压力。
7、一般灌浆孔多采用孔口封闭灌浆法，帷幕孔和胶结孔（隧道以上）采用自下而上灌浆法，单孔灌两层采用自上而下灌注法，当采用后一种方法时，注浆管下至受注层（冒落带），注浆管下部1m 用花管，管头封死。当灌注达到要求后，拔起1m 再灌，依此类推。深层封孔装置采用橡胶球形阀，冒落带灌完后采用法兰盘封口。
8、帷幕注浆时，如空洞或冒落带的空隙较大，适当灌一部分石屑，但不能超过空洞高度的三分之二，然后灌石屑“混凝土”（指不振捣混凝土）或水灰比大于1：1.8的稠浆。
9、对隧道洞身以上采空区进行胶结灌浆时，为保证冒落物在受注胶结后的整体强度满足设计要求（5-8Mpa ），同时保证隧道开挖时洞顶不漏浆漏水，保证隧道围岩类别不因采空区处治效果不好而大幅度下降，保证充填率90%以上，灌浆压力必须在3-4Mpa 以上。
10、保证浆液（或不振捣混凝土）不因自重而离析的措施。
①当地层塌陷，无明显孔洞时，以注浆为主。在搞好封孔装置的前提下，先灌水，后注稀浆，保证灌注管路全过程无空气时，再注入正常浆液，中间因灌注泵与流动配合不当等原因出现空气进入时，要用孔口的排气阀及时处理。
②当地下空洞较大时，要先灌一些石屑，同时把灌浆管头封死，采用花管灌注，有意识地降低流动速度，使之与灌浆泵的输出量相匹配。
11、在深层还原环境下，浆液和“混凝土”的凝固结石状态与地面氧化环境下的状态差异非常大，几乎没有任何比较性，因此，要根据地下水温状态调整水泥用量，合理增加速凝剂和其它添加剂，估计地下浆液凝固时间，保证结石率和结石强度满足设计要求，为进行质量控制打好基础。
六、机具设备（见表1）
表1 机具设备
序号 1 2 3 4 5 6
设备名称 空压机 钻机 钻机钻机钻机钻机
规格型号 20m
3
单位 台 台 台 台 台 台 台 台
数量 4 10 5 5 2 4 2 6
300型 150-Ⅱ型 1000型 TL98-1型 BW-250/50 200KV 8T
7 8
发电机 东风自卸车
七、劳动组织（见表2）
表2 劳力安排
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
工 种 安全员 空压机 质检员 电 工 钻机机长 力 工 汽车司机 安全员 质检员 汽车司机 注浆泵机长 力 工
人 数 1 人 1 人 2 人 1 人 40 人 80 人 4 人 1 人 1 人 4 人 4 人 20 人
注浆值班 钻孔值班 工作内容
八、质保措施
1、 组织措施：建立健全项目经理、技术负责人、质量检验工程师参加的项目质量管理体系，制定详细的质量管理责任制，明确各级责任。认真执行三检制，坚持三不放过，把质量隐患消灭在萌芽状态。
2、 技术措施：严格技术检测制度，杜绝消灭不合格设备及原材料进场。建立工地试验室，配
齐试验设备及仪器，完备现场检测手段。强制工程质量自检。
九、安全措施
1、 对机械传动部位必须安装防护罩，高空作业人员必须配备安全带，施工人员必须配戴安全帽。
2、 安全员及特种岗位人员必须持证上岗。
3、 加强安全教育，使每个职工都牢固树立“安全第一、预防为主”的思想。 4、 危险设备及场地设立围栏，并挂明显警示牌。 5、 对易燃易爆物品设专人管理，并配备足够的消防设备。
十、效益分析
本工法施工工艺行之有效，便于操作，帷幕范围大，加固效果好，工程造价低，人员在地面施工，安全系数大，钻机占的空间小，对环境的破坏少，有利于环保，具有可观的经济效益和社会效益。
十一、工程实例
山西省祁临高速公路工程十二标段采空区处治工程。自2001年1月至2001年6月历时半年完工。完成钻孔注浆274孔，累计钻进33288m ，提前15天完工。由于该工程施工进度快，质量好，多次受到监理和业主的好评。