一种高速公路穿越煤层采空区段施工方法及系统与流程

本发明属于施工，尤其是一种高速公路穿越煤层采空区段施工方法及系统。

背景技术：

1、煤层采空区段是指在煤矿开采过程中已经被采完的煤层区域，也称为采空区或采空区域。由于煤层采空后，原来支撑煤层的岩石失去支撑，导致地表和地下水位下降、地面沉降等问题。同时采空区还可能产生有害气体和火灾等安全隐患，对煤矿安全生产和环境保护造成威胁。

2、高速公路穿越煤层采空区段是指高速公路在建设时经过已经开采完毕的煤矿地区，其中的采空区指的是已经被挖掘空了的煤矿区域。这些区域通常具有较大的地质不稳定性和沉降风险，因此需要采取一系列的技术措施来保证道路的安全和稳定。

3、现有技术中高速公路穿越煤层采空区段施工方法存在的弊端主要包括以下几点：

4、1、现有技术往往未能充分考虑多层采空区的深度、范围及岩土特性，可能导致地基处理不充分，无法满足高速公路的安全需求。

5、2、现有技术可能没有针对不同层采空区的空洞大小和形状进行合适的注浆材料选择，这可能会导致注浆效果不佳，甚至引发地基稳定性问题。

6、3、现有技术可能未根据土壤地质条件和注浆材料选择合适的注浆设备，这可能导致施工效率低下，无法满足高速公路建设的进度要求。

7、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、发明目的：提供一种高速公路穿越煤层采空区段施工方法及系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、技术方案：根据本发明的一个方面，提供了一种高速公路穿越煤层采空区段施工方法，该施工方法包括以下步骤：

3、s1、根据地质勘察结果，分析多层采空区的深度、范围及岩土特性，得到不同层采空区的空洞大小和形状；

4、s2、根据不同层采空区的空洞大小和形状，选择适用于采空区条件的注浆材料，使用专业钻机在不同层采空区的关键位置设立注浆孔，并对所述注浆孔的孔口进行加固；

5、s3、采用高精度测量设备对采空区的空洞大小进行实时监测，并根据土壤地质条件和注浆材料选择注浆设备；

6、s4、利用所述注浆设备进行分层立体交叉注浆，并使用注浆管道将浆液输送至注浆孔；

7、s5、采用阀门调节浆液的进出，实时监测地基内部存在的潜在危险现象，并调整注浆参数；

8、s6、采用地质雷达对注浆效果进行检测，分析检测数据，评估加固效果；

9、s7、根据注浆加固结果和地质条件，评估是否需要结合其他地基加固技术。

10、在进一步的实施例中，所述根据地质勘察结果，分析多层采空区的深度、范围及岩土特性，得到不同层采空区的空洞大小和形状包括以下步骤：

11、s11、根据工程需求，设定采掘方案，并收集采空区段施工现场的地质勘探数据；

12、s12、对所述地质勘察数据进行分析，得到采空区的基本情况；

13、s13、根据所述采空区的基本情况和所述采掘方案，识别出多层采空区的具体位置、深度和范围，并分析开采过程中造成的地基变形和稳定性问题；

14、s14、根据所述采空区的基本情况研究不同层采空区的岩土特性，对不同层采空区的空洞大小和形状进行计算。

15、在进一步的实施例中，所述根据不同层采空区的空洞大小和形状，选择适用于采空区条件的注浆材料，并使用专业钻机在不同层采空区的关键位置设立注浆孔，加固孔口防止塌陷包括以下步骤：

16、s21、根据不同层采空区的岩土特性、空洞大小和形状选择合适的注浆材料；

17、s22、分析不同层采空区的结构特点，确定注浆孔的关键位置；

18、s23、使用专业钻机在关键位置钻设注浆孔，并对所述注浆孔的孔口进行加固；

19、s24、依据注浆孔的关键位置的具体情况，制定注浆方案；

20、s25、根据所述注浆方案，使用专业注浆设备对各个所述注浆孔进行注浆处理。

21、在进一步的实施例中，所述分析不同层采空区的结构特点，确定注浆孔的关键位置包括以下步骤：

22、s221、获取不同采空区的地质勘察数据、开采历史及监测数据；

23、s222、根据地质勘察数据、开采历史及监测数据确定不同采空区的几何形状、岩层结构和物料特性；

24、s223、按照不同采空区的几何形状、岩层结构和物料特性划分网格，并为网格中每个单元分配相应的材料属性；

25、s224、设置边界条件和载荷，采用求解器，对有限元模型进行求解，得到采空区的变形和应力分布情况；

26、s225、将所述采空区的变形和应力分布情况输入有限元分析模型，计算得出，出现塌陷、空洞连通密集和易产生渗漏的关键位置；

27、s226、根据计算结果和工程实际情况，对注浆孔的位置进行综合判断并确定注浆孔的关键位置。

28、在进一步的实施例中，所述采用高精度测量设备对采空区的空洞大小进行实时监测，并根据土壤地质条件和注浆材料选择注浆设备包括以下步骤：

29、s31、选用高精度测量设备，对采空区的空洞大小进行实时监测并获取空洞尺寸、深度及形态信息；

30、s32、根据监测数据分析空洞的稳定性、存在的风险以及周围土壤地质条件；

31、s33、采用数值模拟评估空洞稳定性；

32、s34、根据土壤地质条件和空洞特点，选择合适的注浆材料；

33、s35、综合考虑土壤地质条件、空洞特征和注浆材料的性能，并以施工项目综合耗损值最低为优化目标建立设备选型优化模型，得到施工项目中各施工工序的优选注浆设备；

34、s36、根据空洞的具体情况和注浆方案，部署优选注浆设备并进行施工，监测注浆效果，确保采空区的稳定性和安全。

35、在进一步的实施例中，所述采用数值模拟模型评估空洞稳定性包括以下步骤：

36、s331、根据所述采空区地质勘察数据、开采历史及监测数据，创建空洞三维几何模型；

37、s332、根据所述空洞三维几何模型，结合周围土壤地质条件，利用数值模拟法对空洞及其周边土壤进行力学分析，得到空洞及其周边土壤的应力分布、变形特征及潜在失稳区域；

38、s334、根据空洞及其周边土壤的应力分布、变形特征及潜在失稳区域判断空洞是否具有稳定性风险，若存在稳定性风险，则进一步优化注浆方案；

39、s335、依据空洞稳定性分析和优化后注浆方案，重新评估空洞稳定性；

40、s336、重复执行s331-s335，直到最终生成满足施工要求的注浆方案并保证空洞的稳定。

41、在进一步的实施例中，所述设备选型优化模型的公式如下：

42、k(x)＝λ1a(x)+λ2b(x)，λ1+λ2＝1

43、式中，k(x)为项目综合耗损值；

44、x为施工项目的名称；

45、a(x)为施工项目的成本；

46、b(x)为施工项目的工期；

47、λ1和λ2分别为施工项目的成本和施工项目的工期的权重。

48、在进一步的实施例中，所述采用阀门调节浆液的进出，实时监测地基内部存在的潜在危险现象，并调整注浆参数包括以下步骤：

49、s51、利用物联网传感器技术收集注浆过程中的施工参数数据；

50、s52、利用所述空洞三维几何模型和所述数值模拟法对实时施工参数数据进行分析，评估地基内部存在的潜在危险现象；

51、s53、根据分析结果，调整阀门以控制浆液的进出，并相应调整注浆参数，确保地基加固效果。

52、在进一步的实施例中，所述根据注浆加固结果和地质条件，评估是否需要结合其他地基加固技术，以提高多层采空区地基的整体稳定包括以下步骤：

53、s71、对比注浆加固前后的空洞及其周边土壤的应力分布、变形特征及潜在失稳区域的特征变化，评价注浆加固效果；

54、s72、根据采空区地质条件和施工环境，分析地基稳定性是否满足工程要求；

55、s73、若注浆加固效果不理想或地基稳定性仍不满足工程要求，则考虑采用其他地基加固技术；

56、s74、根据具体情况，选择适合的地基加固技术并制定相应的施工方案；

57、s75、实施所述制定相应的施工方案，并监测地基加固效果，评估多次加固后地基整体的稳定性。

58、根据本发明的另一方面，还提供了一种高速公路穿越煤层采空区段施工系统，该系统包括：地质勘察与分析模块、材料选择与注浆孔布置模块、空洞监测与设备选择模块、注浆施工模块、浆液调节与监测模块、注浆效果评估模块及综合地基加固技术评估模块；

59、其中，所述地质勘察与分析模块，用于根据地质勘察结果，分析多层采空区的深度、范围及岩土特性，得到不同层采空区的空洞大小和形状；

60、所述材料选择与注浆孔布置模块，用于根据不同层采空区的空洞大小和形状，选择适用于采空区条件的注浆材料，使用专业钻机在不同层采空区的关键位置设立注浆孔，并对所述注浆孔的孔口进行加固；

61、所述空洞监测与设备选择模块，用于采用高精度测量设备对采空区的空洞大小进行实时监测，并根据土壤地质条件和注浆材料选择注浆设备；

62、所述注浆施工模块，用于利用所述注浆设备进行分层立体交叉注浆，并使用注浆管道将浆液输送至注浆孔；

63、所述浆液调节与监测模块，用于采用阀门调节浆液的进出，实时监测地基内部存在的潜在危险现象，并调整注浆参数；

64、所述注浆效果评估模块，用于采用地质雷达对注浆效果进行检测，分析检测数据，评估加固效果；

65、所述综合地基加固技术评估模块，用于根据注浆加固结果和地质条件，评估是否需要结合其他地基加固技术。

66、有益效果：

67、1、本发明根据不同层采空区的空洞大小、形状和岩土特性进行分析，选择适合的注浆材料和设备，使加固效果更为明显，通过实时监测地基内部潜在危险现象和采用地质雷达检测注浆效果，可以对施工过程进行动态调整，提高工程质量和安全性，采用地质雷达对地下结构进行检测，无需破坏地面或地基，可以在施工过程中准确评估加固效果，根据注浆加固结果和地质条件，评估是否需要结合其他地基加固技术，使得整个流程具有很强的适应性，可根据实际情况灵活调整，分层立体交叉注浆可使浆液充分填充空洞，减少浆液浪费，实时调整注浆参数可以避免不必要的加固过程，节约材料和人力资源，此施工方法可以有效地改善地基加固效果，提高工程质量和安全性。

68、2、本发明通过对不同层采空区的岩土特性、空洞大小和形状进行细致分析，选择合适的注浆材料和关键位置，提高了地基加固的针对性和效果，利用有限元分析建立地质模型，计算得出采空区的变形和应力分布情况，从而确定注浆孔的关键位置，使注浆孔布置更加精确合理，在注浆过程中，对孔口进行加固防止塌陷，确保施工安全，同时，在注浆过程中监控压力变化及周边环境，确保注浆效果和安全性，整个流程系统化、科学化，有助于准确、快速地制定注浆方案，提高施工效率。

69、3、本发明高精度测量设备能够实时监测采空区的空洞大小，及时获取空洞尺寸、深度及形态信息，有助于及时发现潜在的安全隐患，通过对空洞大小的准确测量和土壤地质条件的分析，可以为选择合适的注浆材料和注浆设备提供依据，提高地基加固工程的精确性，数值模拟评估空洞稳定性，有助于识别空洞及其周边土壤的应力分布、变形特征及潜在失稳区域，从而优化注浆方案，降低安全风险，通过优化注浆方案和选择合适的注浆设备，可以提高注浆速度和效果，缩短工程时间，降低项目成本。