1.全充填式注浆法简介
1.1全充填式注浆法的理论基础
注浆法治理水库大坝坝基裂隙是水利工程常用的一种加固地基的方法，经过多年的工作实践，已被水利水电规范为加固大坝地基的基本方案。随着我国高速公路建设的飞速发展，由于高速公路对线型、坡比、弯度的特殊要求，过去采用避绕式躲开煤矿采空区的方法已无法使用。如何样跨越煤矿采空区，在我省数条高速公路建设中已成为公路建设方的难题，山西省是我国煤炭资源的大省，大小煤矿星罗棋布，各种年代形成的采空区随处可见。尤其是改革开放以来，煤炭业已成为我省经济发展的主要支柱，采煤量逐年增大，新形成的采空区对高速公路建设危害更大，新形成的煤矿采空区因成年代短、回采率高、顶板管理方式为全跨落式，在地表形成的沉降盆地规模大，形成的张拉裂隙数量多。这些不利条件严重影响了高速公路运行安全，必须进行治理。
全充填式注浆法是在地表利用地质钻机钻至采空区煤层底板，通过注浆泵、注浆管、纯水泥浆或粉煤灰水泥混合浆液注入采空区冒落带及其上覆岩层裂隙中，浆液经过固化、胶结岩层裂隙带，与注入冒落带内的浆液形成结石体，提高了岩石的结构强度，对采空区上覆岩层形成支撑作用，进而保证了路基的稳定。全充填式注浆法治理煤矿采空区的理论基础源自于水利水坝注浆的工程实践。水利工程对坝基裂隙采用的是高压劈裂式注浆法，在高压的作用下使受注基岩裂隙劈开，浆液进入基岩裂隙，裂缝而固结，从而使大坝坝基固为一体。煤矿采空区的形成特点表明：由于煤层被大面积开采，使煤层顶板及其上覆基岩发生塌落变形，据矿山沉降学理论可知，煤层顶板在初次发生大面积垮落后，在其上覆基岩中自下而上形成了冒落带、裂隙带、弯曲带，即矿山沉陷学中常说的三带。沉陷学理论认为当采矿时间大于5年，采深采厚比大于80，且无新的开采扰动时，可认为对地面建筑物包括公路工程无特大危害，不需要治理，反则必须对高速公路下的煤矿采空区进行治理，由于煤矿采矿空区塌落后形成的空洞体积较大，其空洞体积的大小是在勘察阶段由技术人员依据勘察成果确定的，与采空区上覆岩层的剩余沉降量有关。经过公路建设科技人员的多年探索，认为采用全充填式注浆法治理煤矿采空区是较为科学，安全可靠的一种行之有效的方法。
1.2全充填式注浆法的使用条件
高速公路在国民经济建设中具有举足轻重的地位，改革开发以来我国高速公路建设从无到有、到目前为止，我国高速公路通车里程已名列世界前茅，极大地带动了国民经济的快速发展。我省的高速公路建设在近几年也有了飞速发展。太旧高速公路的建成已成为我省高速公路建设的里程碑。其中通过的阳泉矿业集团煤矿采空区是我省治理高速公路下伏煤矿采空区的典范，也开创了我国高速公路煤矿采空区治理工程的先河，当时设立的“公路下伏空洞勘察设计及处理方法研究课题”小组，经过数年的钻心研究，其科研成果已达到国内领先、国际先进的水平。根据这一科研成果而编制的《公路采空区勘察设计与施工手册》（2005年）是目前国内唯一的一本教科书。
全充填式注浆法的适用条件较为广泛，自1995年建成的太旧高速公路以来，我省已在大长、长晋、晋焦、大运等数条高速公路建设中普遍采用，经过数年的运行，已充分显示出其治理效果的安全可靠性。通过数十年的探索，公路建设人员对全充填式注浆法有了更新的认识，他们根据高速公路的特点，对重要构造物如隧道、桥梁下伏的煤矿采空区采用了纯水泥浆，对路基下方的采空区降低了水泥用量，从而节约了建设成本。总体认为，全充填式注浆法可适用于各种类型的煤矿采空区，不受开采年代、采煤方式、回采率及煤层顶板管理方式的影响，是一种经济合理、安全可靠的治理方案。
1.3全充填式注浆法的优点
全充填式注浆法是公路建设者在数年的科研、实践，再科研、再实践中，探索出来的治理公路下伏煤矿采空区的一种行之有效的方法。其主要优点与：其一，经济合理，现采用的水泥粉煤灰混合浆液，将原来作为三废的粉煤灰变废为宝，粉煤灰在浆液中的用量最高已达85%，极大地降低了建设成本，减少了粉煤灰对环境的污染，实现了良好的社会效益和经济效益。其二，施工工艺简单可行。全充填式注浆法无论是成孔工艺，制浆工艺还是注浆工艺都是利用了现有的地质钻机、泥浆泵等普通设备，无需增加专门设备。而且其整个施工工艺简单，一般工人即可操作。其三是治理效果安全可靠，达到了高速公路对地基强度的基本要求，特别是近几年来对高速公路构造物下伏煤矿采空区治理方案的优化设计，使这一方法更为安全可靠。
2．全充填式注浆法的施工工艺
全充填式注浆法的施工程序可分为：钻孔→下注浆管（浇注孔口管）→制浆→灌浆→终止灌浆。其各分项工程施工工艺如下所述。
2.1帷幕孔，注浆孔的施工工艺
全充填式注浆法成孔是第一道工序，按照孔的用途可分为帷幕空和注浆孔，帷幕孔的用途是在采空区治理边界布设的一圈孔距较小的边缘孔，注浆中先注帷幕孔，使其注入的浆液形成一道帷幕墙，以阻止治理范围内的浆液流失，降低治理成本。注浆孔是在治理范围内布设的一排排孔，其用途是为了注浆。帷幕孔和注浆孔的施工工艺是相同的，不同处是先施工帷幕孔后施工注浆孔，其施工工艺和技术要求主要是：
注浆孔应用专业测量仪器、皮尺进行实地测量放样，钻孔实际位置原则上不应偏离设计位置1.0m。确因地形影响，钻孔不能放在设计位置时，应先施工其周围可以就位的钻孔，再根据钻探揭露采空区的情况予以调整。
鉴于煤矿开采和塌陷变形的复杂性，通过有限的勘探钻孔尚难精确查明地下的全部情况，施工时应先施工取芯孔，目的是进一步探明地层及采空区冒落情况，如出现与设计不符的情况，应及时与设计单位联系以便对原设计进行适当的修正。
2.1.1成孔工艺
用Ф130mm钻头开孔，钻至完整基岩5m后变径为Ф91mm。
用Ф91mm钻头，钻至采空区中的塌陷冒落带底板或煤层底板以下1-2m终孔。
2.1.2技术要求
钻孔要求采用清水正循环钻探工艺施工。
做好钻探原始记录和岩芯编录工作。
钻孔施工过程中，如发现漏水、吊钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量。
2.1.3浇铸孔口管
将一端带有法兰托盘的Ф50mm注浆管下入孔内变径处，孔内投入20cm厚碎石，以堵塞大的缝隙，之后投入30cm厚粘土，以防止浆液大量渗漏。然后
灌入水灰比为1:1.5-1:2的稠水泥浆，浇铸长度为4-6m，浇铸要求应达到注浆
过程中浆液不会从注浆孔壁四周溢出。注浆孔浇铸孔口管见结构示意图。
2.2注浆材料的选择及配比
注浆材料的选择是根据高速公路建设对构造物和一般路基的要求而确定的。从已有的经验可知，对于高速公路隧道洞身的采空区，由于沉陷变形而形成的破碎带对隧道掘进危害较大，常采用纯水泥浆液加固其破碎岩体，以提高破碎带岩体整体强度，使隧道掘进能安全通过采空区。对大桥下伏采空区可提高混合浆液中水泥的含量。现在普遍采用的水泥粉煤灰浆液对治理公路下伏采空区较为有效。其中水泥为32.5#普通硅酸盐矿渣水泥，该水泥产地较为普遍，其各种物理力学化验指数均达到了浆液配方的要求。粉煤灰也到处可取，其标准为三级以上即可使用，使用中要注意细度能满足制浆标准。
水泥单浆和水泥粉煤灰混合浆液的配比，是由设计人员按照高速公路构造物的要求而确定的。一般而言，对隧道、大中桥下伏的采空区可采用水泥单浆或水泥含量较大的混合浆，其水固比一般为1:1.0～1:1.3，对路基下伏的采空区水泥占固的比例为15%～30%，粉煤灰为85%～70%。各种浆液的配比是施工人员按施工图设计条件的要求，在施工前由实验室配制，并经监理工程师认可后确定的。
2.3注浆系统配置及技术要求
注浆系统是实施全充填式注浆法治理煤矿采空区的关键工序，直接关系到治理效果和施工质量。注浆系统配置及技术要求主要为：
2.3.1料场
堆放材料的料场场地要平整，运料车辆能正常通行，且紧邻搅拌机，利于材料运输、搬运，水泥库要求设有防潮、防雨设施，粉煤灰要做好防风扬尘措施。
2.3.2搅拌池
修建的搅拌池应满足正常施工需求，池为圆柱体，中间设置搅拌系统，使得搅拌后的浆液均匀，符合要求，一次搅拌量应≥3m3。亦可选用符合标准的搅拌机。
2.3.3水池
制浆站应根据施工注浆总量需要，建立数个水池，以保证正常施工，水池建筑规模及要求视工地具体情况而定。
2.3.4注浆泵
宜采用变档定量泵，其定额排浆量不小于200L/min，注浆泵压力应大于注浆最大设计压力的1.5倍。
2.3.5压力表
注浆用压力表最大指数应小于10Mpa。
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2.3.6采用ф50mm钢管，在管子前端20-30cm处焊接一法兰托盘（托盘直径120-130mm之间），下入孔内变径处。见浇铸孔口管（套管）示意图。
2.4注浆施工工艺及其有关参数
注浆施工工艺主要有注浆设备的选择、制浆工艺、灌浆工艺及注浆压力的控制。
2.4.1注浆设备
注浆设备主要由制浆设备和注浆泵组成，如前注浆配置系统所述，制浆设备由一次搅拌池和二次搅拌池构成，目前采用的是施工单位因地制宜自制的搅拌设备，其容量和数量应工程大小而定。注浆设备常选用250型以上泥浆泵，这种泥浆泵市场较为常见，而且结实耐用。
a) 浆液配制应按试验室确定的浆液配合比进行，并随机抽查浆液的各项指标。
b) 原材料：水用水表或定量容器计量；水泥按袋或按定量容器（散装水泥）计量；粉煤灰用定量容器计量，并要求用磅称抽查水泥、粉煤灰的数量。
c) 制浆工艺如下：
水泥、粉煤灰、清水--------一级搅拌池----------二级搅拌池--------注浆孔
d) 搅拌过程：每次搅拌时间不得少于5分钟。
2.4.3注浆工艺
注浆
注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。
注浆过程中若出现地表裂隙大量跑浆时，应采用间歇式注浆，或减小泵量及采取地表充填裂隙的措施，阻止浆液从地面大量流失。
当单孔注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工。
单孔注浆结束标准
a)在单孔注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，孔口压力在1.0-1.5Mpa，稳定10-15分钟，可结束该孔的注浆施工。
b)当注入一定浆量，孔口压力不小于0.3Mpa，若出现地表裂隙大量跑浆时，即可结束该孔的注浆施工。
注浆技术要求
a)注浆及间歇注浆前必须用清水洗孔，压水时间不得小于10分钟。
b)稀浆灌注量取单孔注浆量的30%为宜。
2.4.4注浆压力
注浆压力（终孔压力或最大允许压力）是通过实验确定的，它由注浆管路的距离、注浆泵额定压力及浆液输送高差大小等诸因素确定的，现行的治理工程施工图设计文件规定注浆压力应不小于3MPa，注浆压力的测定是以注浆机孔口压力为准的，压力表应选用0～10 MPa隔膜式压力表。
3．全充填式注浆法质量检验内容与方法
3.1施工质量检测基本要求
由于采矿空区治理工程的隐蔽性和复杂性，要求必须对治理工程质量的最终效果进行检测。为此，应在治理区域内选择一定范围的路段对采空区底板以上受注层进行质量检测。检测的目的是：采空区治理施工后地基稳定性是否满足设计的要求，并根据不同公路工程对其变形的允许范围确定评定标准。
采空区治理工程属隐蔽工程，对它的质量控制一直是一个难题。除了在施工过程中由业主和监理工程师严格按照设计文件和规范要求，对每一道工序进行监督外，在治理工程结束后，必须对施工质量进行检测，一般检测的时间应在注浆施工结束后6个月进行，主要是考虑到在注浆期间，注浆压力会对地下采空区产生较大的应力变化，注浆结束后，采空区内应有一个压应力调整的过程，才能达到采空区地基平衡稳定。
3.2施工质量检测内容
全充填式注浆法治理采空区后的特点是，施工过程是在地表进行的，施工结果 位于地表以下。所以，如何才能确定施工质量检测的内容？选择什么样的检测方法？目前还没有可参照的规范，根据已有的经验，针对检测目标隐蔽性这一特点，检测内容主要有：施工结束6个月以后，浆液结石体的强度指标已达到设计要求，按照全充填式注浆法的原理，浆液在一定压力作用下注入采空区的冒落带、裂隙带和弯曲带，浆液经过固化后，和采空区内的破碎岩块形成结石体，这些结石体经胶结固化后提高了强度，可通过抗压试验等方法，测定其强度指数。第二个检测内容为浆液充填率（以百分比表示），采空区经过塌陷沉降变形后，剩余的空洞体积被浆液充分充填，对照注浆前 的孔隙率，注浆后势必减少了孔隙率，可通过钻孔过程中冷却液的流失量和必要的压水试验，检测受注层的浆液充填率。第三个内容为地表变形分析，采空区经塌陷沉降变形后在地表形成沉降盆地和不规则的张拉裂隙，其剩余沉降量对公路或地面建筑物造成一定危害。经过全充填式注浆治理后，地表的剩余沉降变形可得到有效控制，所以，对治理后的采空区，建立固定的沉降变形观测也是评判施工质量的一个主要内容。
3.3施工质量检测标准
根据不同公路工程对其地基变形的允许范围，《高速公路采空区（空洞）设计与施工治理手册》（山西省交通厅．中交通力公路设计工程有限公司）确定的采空区治理工程质量评定标准度如下表所述：
工程质量评价标准值
评价指标 工程类型
评价项目 桥梁、隧道 高速公路 一级公路 二级公路
结石体抗压强度（MPa） ≥0.3 ≥0.3 ≥0.2 ≥0.2
充填率（%） ≥90 ≥75 ≥75 ≥75
单位压水量（L/min） ≤50 ≤70 ≤70 ≤70
孔内弹性横波（m/s） ≥160 ≥160 ≥160 ≥160
变形观测 倾斜i（mm/m） ≤±3.0 ≤±3.0 ≤±6.0 ≤±10.0
竖曲率k（×10-3/m） ≤±0.2 ≤±0.2 ≤±0.4 ≤±0.6
水平变形ε（mm/m） ≤±2.0 ≤±2.0 ≤±4.0 ≤±6.0
3.4施工质量检测方法
按照施工质量检测内容和标准，现在常用的检测方法主要有钻探取芯和物探为主。
3.4.1钻探
钻探取芯是采空区治理工程质量监测工作中的主要技术和方法。通过钻孔取芯，可根据钻探取芯率和提取的岩芯的破碎程度，判断浆液结石体与围岩的胶结程度。同时，根据钻探过程中冷却液的损失量，可判断浆液对破碎岩层充填和胶结后的完整程度，并采取一定量的浆液岩石结石体进行室内抗压强度试验，检测其强度是否达到质量要求标准值。另外，通过钻孔可进行孔内波速测试和压水试验，为物探检测和压水试验提供工作平台。
钻探检测一般是在地表物探检测后进行的，钻孔数量可按治理工程注浆孔数的2%～3%确定（但最少不应小于2个钻孔），检测孔的位置原则上适宜布设在治理公路中线附近物探确定的可疑区域内，也可由业主会同监理工程师根据注浆施工判断的可疑区域。钻探中岩芯的采取率应大于80%，同时做好钻探记录，详细描述岩层变化情况，特别注意采取浆液结石体，并对其外观、形状、硬度、颜色、空隙等方面进行认真描述，对结石体试验在标准养护后72小时后 内实验室进行完内试块无侧限抗压强度测试。
3.4.2物探
物探检测也是采空区治理工程施工质量检测的重要方法之一，这是根据采空区治理区域内同一地点岩层在注浆前后物理性质的变化，对此，直观判断工程质量的优劣，其特点是成本低、速度快、效率高、方法简单，但由于物探对同一地质体具有多解性，只能对施工质量进行定性评价，所以，一般上宜采用两种以上物探方法进行检测。常用的方法有孔内波速测井法、瞬变电磁法、高密度电法。以下简单介绍比较常见的两种方法：
1. 波速测井法
地震波在不同岩性地层中的传播速度取决于岩石的密度，当采空区进行注浆治理后，破碎岩石的裂隙、空隙被浆液充填固结，使岩石密度发生变化。利用人工振动产生的横波，通过下入检测孔内的检测探头，经检波器接受地震波的直接信息，输入到地震仪主机自动记录，然后用专用软件进行资料处理，绘制解议图件，提交监测成果。波速测井是在检测孔施工结束后进行的，以钻孔取得的地质资料为基础，按不同岩性及岩石完整性分段对应的波速位，进行工程质量评价。
2．高密度电法
高密度电法是利用采空区治理前后的电性差异，也就是利用采空区治理前后岩层视电阻率变化，对治理工程施工质量进行评价。采空区在治理前，空洞充水时视电阻率为低值，当空洞无任何充填，以空气介质为主时，其视电阻率为高值。采空区注浆治理后，由于空洞内介质的变化，原充水空洞视电阻率升高，充气空洞视电阻率为高值。治理前后采空区内视电阻率的变化，可以定性判断采空区的治理效果。
3.4.3地表变形观测
通过地表变形观测，可以定量的评价治理后采空区的地基稳定性可否满足公路工程对地基变形的要求。该方法直观、精度高，但因其持续工作时间较长，且观测点的位置选择和保护比较困难，所以，不甚常用此法评价采空区治理工程质量，但对重要建筑物如长隧道、大桥等还是有必要进行地表变形观测。
4.临吉高速公路煤矿采空区治理工程实践
4.1工程简介
临汾至吉县高速公路是国家高速公路青岛至兰州公路山西境内的一部分，起点位于临汾枢纽互通顺接长临高速公路并衔接大运高速公路，终点在吉县壶口跨越黄河进入陕西境内。松卜岭隧道煤矿采空区位于S11标段，施工单位为中铁十七局建设集团第五分公司。松卜岭隧道全长约2.4km，其中2.1km穿越了2号煤和10号煤采空区。采空区治理工程施工图设计方是中交公路规划设计院有限公司。
松卜岭隧道煤矿采空区分为七个区，普通注浆孔总深为13.925万米，总注浆量为25.237万立方米。
4.2松卜岭隧道采空区治理等级及处理方案选择
4.2.1采空区处治设计原则
采空区处治后，地基变形应满足公路工程对地基稳定性的要求，即：经处治后的采空区，在公路施工和运营过程中，围岩质量能得到有效改善；地既能有效地承受公路和车辆荷载，不产生破坏和影响公路工程正常使用的变形，保证公路安全运营。
4.2.2采空区处治设计依据
本次采空区处治设计依据的规范、规程、技术资料等主要有：
1．《高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册》，山西省交通厅、中交通力公路勘察设计工程有限公司，2005年；
2．《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，原国家煤炭工业局，2001年修订；
3．《国家高速公路青岛至兰州公路山西境临汾至吉县高速公路第LZI合同段祥勘松卜岭隧道工程物探技术报告》，北京建达道桥咨询有限公司，2009年6月；
4．《国家高速公路青岛至兰州公路山西境临汾至吉县高速公路第LZI合同段两阶段初步设计》，中交公路规划设计院有限公司，2009年3月。
4.3采空区治理等级
采空区治理等级主要是根据治理难度和工程量大小进行划分的。本工程采空区的治理难度属于三级：短壁或长壁式开采，地下空洞率较高，地表稳定性较差，采空区治理难度和工程量均较大。
4.4采空区处治方案的原则
采空区的处治设计是在采空区勘查基础上，经过对采空区覆岩稳定性的分析和评价后，针对采空区的特征、水文地质及工程地质条件、工程类型及其重要程度等，对采空区的治理方法进行筛选，选用最佳治理方案。在选择采空区治理方法时，一般应遵守的原则：
1．在技术上可行、经济上合理，又能满足进度的要求；
2．根据采空区的地基条件、道路条件及施工条件等进行选择。
4.5采空区处治方案
公路采空区的治理方法主要有注浆法和非注浆法（包括干砌法、浆砌法、开挖回填法和桥跨法）。采空区处治在我省目前常用的方法是全充填压式力注浆法。即在地表打孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥、粉煤灰浆注入采空区和上覆岩体裂隙中。浆液经过固化、胶结形成结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层进一步冒落，保证上部建筑物安全稳定。条件许可时，配合井下空巷回填、砌碹、阻浆墙等工程效果更好。
本项目区的采空区分布地段地形相对比较平缓，交通条件较好；分布的采空区有二叠系山西组2#煤和石炭系太原组10#煤两层采空区，埋深一般在22～162m，主要是在2000年前开采形成的，多数已坍塌或冒落；区内岩层产状相对较平缓，一般在5～10°；不适宜于非注浆法，采用全充填压力注浆法治理技术上可行，经济上也比较合理。考虑到地下采空区可能已大面积冒落，因而本设计方案为地面注浆处理。
理论和实践证明，采空区通过注浆治理后，地表倾斜值、曲率值和水平变形值满足建筑物地表容许变形值，具有良好的治理效果。
4.6采空区处治标准
本项目的采空区处治设计依据采空区勘查成果，结合工程类型及其重要程度采用不同的治理标准，工程类型分桥梁和隧道以及路基两大类，治理范围、注浆材料、注浆压力及充填率、检测视工程类型有所差异。
4.6.1注浆材料配比：水泥与粉煤灰比例桥梁和隧道段为3:7，路基段为1.5:8.5；
4.6.2结石体抗压强度：桥梁和隧道段≥2.5MPa,高速公路路基段≥1 MPa；
4.6.3浆液充填率：桥梁和隧道段≥90%，高速公路路基段≥75%；
4.6.4注浆压力：桥梁和隧道段为2～3 MPa，路基段为1～1.5MPa；
4.6.5单位压力量：桥梁和隧道段≤50L/min, 高速公路路基段≤70L/min;
4.6.6孔内弹性横波：桥梁和隧道段、高速公路路基段≥160m/s.
