粘土封闭灌浆施工方案

黄衢南高速公路ZK32+218—ZK32+266路基段煤矸石填筑层粘土封闭灌浆方案一、基本情况黄衢南高速公路（开化段）ZK32+218—ZK32+266位于后塘隧道左幅出口处，该段路基填筑由浙江省交通工程建设集团黄衢南B5标承建。该段路基总长50米，路基宽度35米，左幅宽度17米，路基填筑高度为14~20米不等，部分底层路基填筑材料采用了后塘隧道洞渣煤矸石。在2008年8月份，由于连续高温导致填筑材料产生自燃,当时自燃现象不是很严重。随着自燃现象的愈加严峻，我施工单位在2009年8月24日和2009年11月19日两次对这段路基进行处理，得到了明显的效果。现阶段该段路线已营运通车，由于雨水的渗入和填筑层内部问题不断升高，煤矸石填筑层再次自燃，使得高速公路路基承载力不断降低，产生不均匀沉降导致路面产生裂缝，为高速公路营运车辆带来极大的不稳定安全因素。二、编制说明为彻底解决黄衢南高速公路（开化段）ZK32+218—ZK32+266路基段煤矸石填筑层自燃现象的再次发生，特编制此“煤矸石填筑层粘土封闭灌浆”施工方案。三、编制依据1、地基加固新技术北京机械工程出版社1994年2、建筑施工工程师手册建工出版社1994年四、煤矸石填筑情况该段路基（黄衢南高速公路（开化段）ZK32+218—ZK32+266）位于我标段读经畈大桥至后塘隧道段，我施工单位对此段路基清表后采用外运土进行了清表回填。由于施工环境的局限性，我施工单位为尽快打通读经畈大桥至后塘隧道的施工便道、隧道施工队伍的拌合场地和驻地建设，在2007年底，施工班组采用了部分后塘隧道洞渣对施工便道、场地平整和拌合场建设等进行填筑，并充当填筑材料对后塘隧道洞口部分路基段进行填筑。该段路基从2008年7月开始对底层进行填筑，至2009年10月底该段路基填筑完成。在路基下部几层的填筑过程中采用了部分后塘隧道洞渣煤矸石进行填筑。该段路基填筑厚度在14m~20m之间。具体填筑情况参见该段路基纵断面图和横断面图。五、煤矸石填筑层分布情况从隧道的洞身开挖情况看，煤矸石在整个后塘隧道洞身部分呈夹层状，厚度约为2米，从右上至左下呈夹层带斜线分布。同时，我施工单位在K32+000附近读经畈大桥桩基人工挖孔施工过程中，均有发现原地质土层中存在煤矸石的现象。根据我施工单位对地质情况的分析，从读经畈大桥至后塘隧道均分布有斜长的夹层煤矸石带。该段路基段原地面下存在大量煤矸石岩层，埋藏深度很浅。目前，该路段现阶段已处高速公路营运期间，路基边坡上仍然有少量白烟冒出，路面出现局部纵向开裂现象。部分开裂现象比较严重，出现了车辙现象。为进一步路基填筑情况和地面下地址情况，我施工单位联系委托浙江城建勘察研究院有限公司进行了地质取芯钻探。钻孔观察工作于2012年1月17日开始，在春节前完成了4个地质观测孔的钻孔工作。春节后，根据省设计院地质专家调整和细化的监测和钻孔新方案，对此段路基分别再开钻5个地质取芯分析孔，分别取芯至原地面以下五米进行地质分析。在钻孔取芯过程中，钻孔至5m以下时，孔内冒出大量有刺鼻气味的水蒸气，8m以下填层材料显黑色灰质岩，岩芯破碎无完整芯样。从测得芯样温度情况来看，路基顶芯样温度在50度左右，随着钻孔深度的加深，温度越来越高。取芯过程中，在原地面下已取出带有未自燃的煤矸石成分的岩石。具体情况详见钻孔取芯平面图、断面图。六、煤矸石自燃原因分析及处理措施选定1、煤矸石自燃理论1.1、黄铁矿氧化理论这是长期以来解释煤矸石自燃起因的主要理论。它认为，煤与矸石中的黄铁矿，在低温下发生氧化，产生热量，并不断积聚，使矸石内部温度升高，在某一局部达到一定温度后，引起矸石中的煤和可燃物燃烧。矸石中黄铁矿的氧化，一般概括为以下几个步骤：(1)充足的条件下，产生二氧化碳气体：4FeS2+1102—2Fe203+8S02+3412KJ(2)如供氧不足，则释放出硫磺：4FeS2+302一2Fe203+8S+917KJ(3)如有水分参与，还会产生硫酸，从而加剧黄铁矿的氧化作用：2FeS2+2H20+702—2FeS04+2H2S042S02+02—2S03+189．2KJS03+H20—H2S04+79．5KJ以上反应都是放热反应。放热反映产生的热量积聚在煤矸石内部，不易扩散，随着时问的推移，热量不断积累，促使煤矸石内部温度不断升高，最终使可燃物燃烧发火。1.2、煤氧复合燃烧理论煤矸石中通常夹带着10％～25％的碳质可燃物，在低温的情况下，矸石中的碳会发生缓慢的氧化反应同时放出热量，当热量积聚到一定温度时，便产生燃烧。其化学反应如下：C+02一C0+4．09×105kJC+02一C02+4．09×105kJ上述两式都是放热反应。所放出的热量，当积聚到一定温度时即引起矸石自燃。2、煤矸石自燃特性分析2.1、煤的物理、化学性质某矿的煤种主要是长焰煤和气煤一号，它们自然倾向性高、发火周期短，挥发份高达47．25％。炭化程度低，水份较多，使其风化粉碎性增强，吸氧面积增大，氧化速度加快。2.2、煤矸石自燃条件煤矸石要发生自燃，必须具备以下4个条件：(1)含有能够在常温下氧化的物质或可燃物，即煤矸石具有自燃倾向性；(2)有氧气存在；(3)有使热量积聚的环境；(4)维持足够的时间以达到引燃温度。其中条件(1)为煤矸石自燃的内部特征，条件(2)、(3)和条件(4)为其自燃的外部条件。对于某一确定的煤矸石山(即其组成、含量及分布情况已定时)，当分析其自燃发火时，可着重分析煤矸石山自燃的外部条件。2.3、煤矸石自燃的特征煤矸石自燃具有两个特征：一是从矸石内部先燃烧；二是属于不完全燃烧。1、从矸石内部先燃烧煤矸石的自燃取决于供氧条件，供氧是沿着矸石之间的孔隙和孔道向内部补给的，矸石山内的中部有利于氧化反应生成热的积聚，所以燃烧首先在这里开始。自燃后，燃烧地带具有燃烧中心的特性。2、不完全燃烧煤矸石在堆积时，颗粒的形状和大小是不规则的，从而在煤矸石之间形成孔隙和孔道。在自燃之前，这些孔隙和孔道为黄铁矿和碳质可燃物的氧化提供空气；在自燃之后，又为可燃物质燃烧补给空气。由于煤矸石的燃烧在煤矸石山的中部开始，因此通过孔隙和孔道输送空气的速度比较缓慢；另外，孔隙和孔道所占容积较小，煤矸石内可燃物质不能与氧充分化合，也就是不能充分燃烧。所以，从整体上说，煤矸石燃烧是在供氧量不足情况下进行的，其燃烧性质属于不完全燃烧。2、4、煤矸石自燃的3个过程煤矸石的自燃与其它含碳物质的燃烧一样，符合燃烧物理学原理，即必须经过缓慢反应一氧化自动升温一稳定燃烧3个过程。在初始阶段，煤矸石中的黄铁矿和碳在常温下与氧气缓慢反应，放出热量，使煤矸石的温度缓慢上升。当矸石温度达到临界温度时，反应的速率随着温度的升高而自动加速。一旦温度达到矸石的着火温度（即燃点），即开始激烈的反应。另外，还说明了着火与灭火的不可逆性。当温度升至煤矸石的着火温度（即燃点）时，矸石开始燃烧，但对于燃烧的矸石即使温度降至煤矸石的着火温度（即燃点）：，它仍不能灭火，只有把温度降低到煤矸石的临界温度以下灭火才能实现。这说明，灭火要在比着火更不利的条件才能实现。煤矸石的氧化从缓慢升温阶段过渡到自动加速阶段时的温度即为煤矸石自燃的临界温度。临界温度和着火温度不是煤矸石所固有的物化常数，它是化学动力因素和流体动力因素的综合，与煤矸石的化学活性、煤的燃烧活化能、矸石的导热系数、发热量和对周围的环境散热条件等都有关。3、煤矸石的自燃防治可行性措施3.1、清除可燃物法矸石内可燃物的存在是矸石发生自燃火灾的内因，清除煤矸石中可燃物是预防其自燃的最根本途径。矸石中的可燃物主要以煤和黄铁矿为主。堆积前，如能加以分选回收，不仅能有效预防自燃，且能提高经济效益，也可有效地避免自燃。3.2、泡沫法泡沫法是向火区灌注泡沫灭火剂，用来隔绝氧气和吸收热量，以此降低矸石温度，从而达到灭火目的。但矸石山时常经受风吹雨淋，所以很难保持泡沫的稳定性。3.3、挖除火源法挖除火源法是最直接也是相当有效的方法，在确定燃烧范围后，挖出着火矸石，使其自然冷却。当藿火范围不大时，该法实施较简单，成功率高。但对大面积自燃，人员及设备难以进入火区，挖除火源工作量大，并有一定危险性。因此该方法仅用于矸石山自燃初期或为灭火方法的一种辅助措施。3.4、表面封闭法表面封闭法(覆盖法)一般是在矸石山表面覆盖黄土等惰性物质，来隔绝空气防治自燃。这种方法最好先灭火再覆盖，防治的关键是必须将覆土压实，降低黄土与矸石的渗透率，也就是减小矸石堆的孔隙率，使空气不易进入矸石的内部，从而使矸石堆内物质缺少氧化反应条件，达到防止矸石山自燃的目的。3.5、注水法注水灭火法是一种经济有效的、操作简便的防治煤和煤矸石自燃的技术措施。但是水分对矸石自燃的作用具有两重性。当煤矸石的湿度增加到某一程度，其表面将形成含水液膜，可起到阻止矸石和氧接触，即起到隔氧阻化的作用。同时，水受热蒸发时能吸热降温，可消耗矸石在氧化时产生的热量，因而热量难以聚积，避免产生升温现象。但当矸石的外在水分蒸发减少到一定程度时，矸石的外在水分可由原来的阻化作用转变为催化作用，从而促使煤氧化和自燃。注水法会形成水流通道，为氧气的进入提供了条件，由此又会引发新的矸石的自燃。3.6、注浆法注浆法是目前国内外在治理自燃时都广泛采用的灭火技术。工艺过程为先将灭火材料(一般碱性物质)制成一定浓度的灭火浆液，再在火区布置一系列钻孔，然后用注浆泵将灭火浆液注入矸石山内部。当灭火浆液接触到高温矸石后，浆液的水分急剧蒸发，同时带走大量热量，使矸石迅速降温。此时，浆液中的固体物质包裹在矸石表面，或充填在矸石问的缝隙中，起到隔绝空气的作用。注浆法是通过降温与隔氧两方面的共同作用达到灭火目的。选择防治自燃方法的原则4、煤矸石自燃处理措施的选定根据煤矸石自燃的特征，在选择防治方法时，必须考虑这种方法是否能够根除矸石内部及表面的自燃点。首先通过勘探测温手段确定矸石燃烧的深度和范围。一般第一燃烧区出现在矸石堆积体有裂隙和斜坡的地带，温度在40～170℃之间；第二燃烧区在堆积体表面下2～3m区域内，为300～700℃之间；第三燃烧区位于堆积体延伸7～10m的范围内，温度在700～1200℃。对于仅存在第一燃烧区的小型的矸石堆积体，可以通过表面封闭法等处理。对于存在第二燃烧区的中型矸石堆积体，应该采用浅孔注浆为主的方法处理。对于3个火区并存的大型矸石堆积体，必须采取以深孔加压注浆为主的方法治理。通过一系列的比对和客观分析，使用粘土浆液封闭地下可燃煤矸石填筑层不仅技术可行，而且成本低、易施工、工期短、效益高，是一种简易可行的施工处理方法。七、煤矸石填筑层粘土封闭灌浆施工方案使用粘土封闭灌浆的施工方案对煤矸石进行处理的主要工艺是通过粘土浆液在填筑层中形成一层固结粘土层，起到隔氧阻化杜绝自燃的作用。7.1、灌浆孔布置方式根据地质取芯情况看，煤矸石的主要分析范围为。灌浆孔的布置采用梅花形布置，孔距为5m，孔深为8m；局部自燃现象严重的部位采用加密孔布置，间距为3m；整个孔位布置覆盖煤矸石填筑范围。为防止煤矸石继续产生自燃现象，要求对其严格封闭，在施工灌浆过程中，分两道工序。第一道工序是钻孔深度至4m，然后进行粘土浆液灌注；第二道是在第一道工序的基础上将孔深增加到8m，进行第二次粘土浆液全孔灌注。具体孔位布置详见孔位布置图。7.2、压力选择由于煤矸石及路基填其他填筑材料具有一定的松散性，灌浆孔没有栓塞位置，故只能采用小压力、半自流式注浆，钻孔开口孔径为146mm，开口用￠110-130mm的套管，下接￠146mm的法兰盘，套管长0.7m，四周用粘土封闭，进行夯实，这种栓塞约可以承0.1MP的压力。由于灌浆孔深8m，故孔底可大致有0.2MP的压力，这种压力扩散半径可达2m，再加上路基填筑层的缝隙、煤矸石自燃留下的空洞等因素，可以满足要求5m间距的灌浆孔的要求，个别地区扩散半径较小，采用加密灌浆孔提高灌浆效果。7.3、泥浆配比在泥浆封闭灌浆初期，对使用的粘土原材料泥浆配比进行试验，选出三级配比，即浆水比重1:1、1:2、1:4，在灌浆初期用稀浆，即1:1比重泥浆，由