一种空洞塌陷防治结构及施工方法与流程

本发明涉及一种空洞塌陷防治结构及施工方法，属于土工加筋技术和地基处理技术领域。

背景技术：

地下空洞的产生包括自然和（或）人类活动两大因素，自然因素多发生在岩溶地区，如石灰石或白云石岩床溶解形成地下空洞，土质疏松地层也容易在地下水冲刷和潜蚀下形成空洞；人为因素主要是地下资源开采和地下工程施工，在地层中形成空洞。地下空洞的存在给工程建设和运营带来了极大的安全隐患，比如下卧土体局部沉陷可能导致复合衬垫系统中的土工合成材料拉伸破坏而造成防渗功能失效从而对周围环境造成严重污染；隧洞道、矿山巷道因塌陷灾害而造成巨大的生命和经济损失；岩溶发育区修筑高速公路时由于土洞塌陷造成路基破坏，诱发地表局部沉陷时有发生。目前采用较多的岩溶土洞处治方法主要有填充法、刚性体跨越法、洞内支撑法、强夯法等，但这些方法都是建立在完全探明岩溶土洞的空间分布和水文地质条件的基础上，这恰恰是目前岩溶土洞勘察手段难以做到的；随着基础建设大规模增长，道路等构筑物经常不可避免地会建立在已探明的空洞或工后可能形成的空洞上面，因此道路常面临局部塌陷的风险致使交通安全受到极大挑战。

随着土工合成材料的发展，因其安装方便，施工工期短，工程建设成本少且对环境影响有限，国内外公路工程中常使用水平加筋法防止或延迟路基因空洞沉陷造成突发性的破坏。土工格栅、土工网、土工织物等土工合成材料可加固空洞上方顶板土体或邻近道路路基，有效减少路堤差异沉降及侧向变形；当空洞顶板土层厚度较小、洞室跨度不大时，水平加筋体可以防止路堤塌陷；然而当下卧空洞跨度较大时，由于土工合成材料属柔性材料以及锚固长度不足，加筋体无法完全防治因空洞的坍塌而产生的路基变形，但路基的沉降与失稳是渐进式演变，可以起到预警作用，减少交通事故的发生和人员的伤亡；公开号cn109355992a，名称为“一种岩溶区防突然塌陷路基结构及施工方法”的中国申请公开了“岩溶加固地基表层开槽嵌固钢筋混凝土框架结构，钢筋混凝土框架结构由横向间隔设置的纵向梁和纵向间隔设置的横向梁，且于纵向梁、横向梁交汇的节点处固结为一体，于加固地基表面、钢筋混凝土框架结构顶面上铺设高强土工材料，各纵向梁上方设置纵向延伸的预制压力梁，纵向间隔设置的固定棒穿预制过压力梁、高强土工材料与纵向梁固定连接，在高强土工材料与预制压力梁、纵向梁的接触面上将其夹紧固定”；公开号cn103628461a，名称为“一种岩溶土洞区路基水平加劲处治与塌陷预警装置”的中国申请公开了“钢筋混凝土格构梁和土工格栅作为岩溶土洞区路基的承载结构，根据土洞的深浅和密集情况，设计其格构梁厚度和格构梁截面，在钢筋混凝土格构梁上下两侧铺设土工格栅，当岩溶土洞沉陷时，钢筋混凝土格构梁与土工格栅仍可支撑路基，避免车辆落入洞内”；上述两种防塌装置中都采用了钢筋混凝土结构作为刚性体结合土工合成材料跨越空洞的方法，钢筋混凝土结构造价较高，如果用于已探明的较大跨度空洞上方土体的防治才显得有价值、不浪费，且施工需要支设模板，复杂程度高且工期较长。因此，探求一种能防治大、小跨度空洞塌陷兼具经济性的方法，特别是未探明的或工后可能发育形成的空洞时，具有重大意义。

技术实现要素：

本发明提供一种空洞塌陷防治结构及施工方法，不仅可以同时防治大跨度、小跨度空洞塌陷问题，而且能够降低施工成本，兼具经济性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空洞塌陷防治结构，在地下空洞塌陷区的上方架设防治结构；

前述的防治结构包括铺设在地下空洞塌陷区上方的土工织物，在土工织物上设置加筋空间体，且土工织物将加筋空间体整体包裹形成包裹结构，在包裹结构的顶端预设若干泵送管道入口；

防治结构还包括防护结构，其设置在包裹结构的上方；

前述的加筋空间体包括土工格栅、土工格室由下至上交错叠加铺设形成；

作为本发明的进一步优选，

前述的土工格栅包括若干土工格栅横肋和若干土工格栅纵肋呈十字形交错连接形成；土工格栅横肋与土工格栅纵肋交错处形成交接点，在交接点的表面或者交接点的底面或者交接点的表面以及底面安装加强节点；

作为本发明的进一步优选，

前述的土工格室包括若干呈波浪状的土工格条，若干土工格条位于同一平面，相邻的土工格条在弯曲处连接；

作为本发明的进一步优选，在土工格条上均匀开设若干孔洞；

作为本发明的进一步优选，前述的防护结构为球囊，球囊表面呈弧状结构，其底部扁平，与加筋空间体顶部贴合放置；

作为本发明的进一步优选，在土工织物的底部安装若干变形采集报警系统；

一种基于上述任意权利要求所述的空洞塌陷防治结构的施工方法，具体包括以下步骤：

第一步：制作土工格栅，将若干土工格栅横肋和若干土工格栅纵肋呈十字形交错固设连接形成土工格栅，十字形形成的交接点的表面或者底部安装加强节点，或者交接点的表面、底面同时安装加强节点；

第二步：制作土工格室，将若干呈波浪状的土工格条的面垂直地面放置，且若干土工格条平行布设，相邻的土工格条弯曲处绑扎；

第三步：在地下空洞塌陷区的表面铺设土工织物，在土工织物的上方按照土工格栅、土工格室的顺序交错叠加，土工格栅和土工格室之间通过绑扎连接，叠加的高度满足路堤填土高度和设计要求；

第四步：土工格栅与土工格室交错叠加后，形成加筋空间体，将土工织物包裹在加筋空间体周围，并在加筋空间体的顶部缝合形成包裹结构，在缝合后的包裹结构顶部预留若干泵送管道入口，在土工织物的底部安装若干变形采集报警系统；

第五步：在加筋空间体周围填筑路堤填料，直至填料达到加筋空间体顶部标高，启动泵将流动固化废弃泥输送至加筋空间体处，固化后的废弃泥与加筋空间体形成类钢筋混凝土梁的刚性体；

第六步：在加筋空间体顶部放置球囊，球囊的两侧连接管路伸出路堤边坡外，接着在球囊的顶部继续填筑路堤填料，直至达到设计高度，当地下空洞塌陷区发生塌陷后，土工织物包裹层的底部发生变形或者撕裂，触发变形采集报警系统，此时通过管路向球囊内注入液体或气体，在球囊的表面形成拱状。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的加筋空间体以及固化后的废弃泥形成类似钢筋混凝土梁的刚性体，跨越空洞可以有效防止路基塌陷，同时减少了路基沉降和边坡变形；

2、本发明土工织物将加筋空间体包裹形成防治结构，限制了加筋空间体的变形；

3、本发明设置的土工织物可以有效防止废弃泥料落入地下空洞内；

4、本发明在加筋空间体的顶部设置了防护结构，即球囊，当整个防治结构发生变形、撕裂时，触发变形采集报警系统后，球囊进行二次防护，可以抵抗顶部荷载。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明优选实施例的整体结构示意图；

图2是本发明优选实施例的加筋空间体结构侧视图；

图3是本发明优选实施例的土工格室结构示意图；

图4是本发明优选实施例的土工格栅结构示意图；

图5是本发明优选实施例的球囊未鼓起的结构示意图；

图6是本发明优选实施例的球囊鼓起的结构示意图。

图中：1为地下空洞塌陷区，2为土工织物，3为土工格栅，4为土工格室，5为管路，6为球囊，7为裂缝，8为路堤填料，9为加强节点，10为土工格栅横肋，11为土工格栅纵肋，12为土工格条，13为孔洞，14为变形采集报警系统，15为废弃泥，16为泵送管道入口。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在现有的地下空洞塌陷区设置防治结构的技术中，通过采用钢筋混凝土结构刚性体，或者是采用土工合成材料作为防治结构的主体，但是当下卧空洞跨度较大时，土工合成材料较柔性，加筋体无法完全防治因空洞的坍塌而产生的路基变形；钢筋混凝土结构刚性体跨越法效果是较好，但是造价高，用于已探明的较大跨度空洞上方土体的防治显得有价值，但是对于一些较小跨度空洞或者工后有可能发育形成空洞的土体防治，显得不够经济，施工复杂且工期较长。

基于上述缺陷，本申请提供一种空洞塌陷防治结构，其架设在地下空洞塌陷区1的上方；从图1可以看出防治结构的整个结构特征，包括铺设在地下空洞塌陷区1上方的土工织物2，在土工织物2上设置加筋空间体，土工织物2同时将加筋空间体包裹，并在顶端进行缝合后预设若干泵送管道入口16，在泵送管道入口16的上方再设置防护结构。

本申请中，加筋空间体包括土工格栅3、土工格室4由下至上交错叠加铺设形成。

实施例1：

在优选实施例中，土工格栅3如图4所示，包括若干土工格栅横肋10、若干土工格栅纵肋11，将土工格栅横肋10和土工格栅纵肋11按照十字形交错进行绑扎，为了增加叠加后的截面摩擦和侧阻力，在十字形的交叉处安装加强节点9，加强节点9可以设置在交叉处的表面，也可以设置在交叉处的底部，也可以在交叉处的表面、底部同时设置；

土工格室4如图3所示，包括若干呈波浪状的土工格条12，若干土工格条12位于同一平面，相邻的土工格条12在弯曲处连接，在每根土工格条12的表面还开设若干孔洞13；

在已探明或未探明的地下空洞塌陷区1或者工后可能发育形成地下空洞塌陷区1的表面先铺设一层土工织物2，土工织物2的四周应预留足够的长度，在土工织物2的表面顺次叠加铺设土工格栅、土工格室4、土工格栅3、土工格室4，也就是说在土工织物2的表面交错叠加铺设土工格栅、土工格室4，在本优选实施例中，土工格栅铺设了四层，土工格室4铺设了三层，最顶部为土工格栅3，最终形成了加筋空间体，土工织物2将加筋空间体包裹，最终形成了优选实施例给出的空洞塌陷防治结构；土工织物2将加筋空间体包裹后，限制了加筋空间体的变形，即使空洞塌陷导致加筋空间体底部先行开裂，土工织物2层也可以防止废弃泥15料落入空洞内；同时，使用土工织物2进行包裹加筋空间体，可以将土工织物2作为固型模板，对后期向加筋空间体注入浆液固化起到定型作用，也约束了固化成型浆体受到荷载作用之后的开裂和变形。

在这里实验者想说的是，随着城市建设的发展，钻孔灌注桩、地下连续墙、顶管工程以及盾构隧道等工程中，不可避免的会产生大量的废弃泥15，同时我国每年河道疏浚都会产生大量高含水率疏浚泥，工程废弃泥15和河道疏浚泥的含水率均极高，一般处于流态，因此都属于流态泥范畴；由于流态泥具有含水率高、强度几乎为零的特点，无法直接用在工程建设上，属于废弃物；基于此现象，本申请在地下空洞塌陷区1上方架设的防治结构，图2所示，在顶部缝合后，预留几处泵送管道入口16，通过泵送管道入口16连接管路5，向防治结构内泵送流动固化废弃泥15，加筋空间体与固化后的废弃泥15形成一个类似于钢筋混凝土梁的刚性体，跨越空洞可以有效防止路基塌陷，同时也起到加筋作用减少路基沉降和边坡变形；在流动固化废弃泥15中也可以添加植物纤维，待植物腐蚀后，形成孔隙，使固化废弃泥15具备一定的透水性；

在本优选实施例中，土工格室4的竖向结构对固化废弃泥15可以起到约束作用，防止其过早开裂，即使固化废弃泥15开裂，土工格栅的设置也可以起到类似钢筋的作用，继续承担上部荷载引起的变形，多层格栅和多层格室形成多层防护功能，防止地下空洞塌陷诱发的地表沉陷；即使位于地下空洞塌陷区1上方的固化废弃泥15部分开裂后形成裂缝7，土工格栅层外露，但其两端仍旧锚固在固化废弃泥15中，相当于固接，可以解决传统水平加筋法中土工合成材料与填料之间界面摩擦不够导致的变形过大问题。

在包裹结构的上方还布设有一个防护结构，本优选实施例中，防护结构选用的是一个球囊6结构，此球囊6结构如图5和图6所示，图5为未鼓起来的时候，其底部为扁平状，与包裹结构紧密贴合，球囊6表面呈弧状结构，球囊6两侧连接管路伸出路堤边坡外，图1中还可以看出，在土工织物2的底部安装了若干变形采集报警系统14，当地下空洞塌陷区1发生塌陷，土工织物2层底部发生变形、撕裂时，触发了变形采集报警系统14，此时可以通过管路5向球囊6内注入液体或者气体，球囊6底部扁平，其顶部此时形成如图6所示的拱状结构，类似于“土拱”的作用，又多了一层防护，可以抵抗上部荷载。

实施例2：

基于上述任意空洞塌陷防治结构的施工方法，具体包括以下步骤：

第一步：制作土工格栅3，将若干土工格栅横肋10和若干土工格栅纵肋11呈十字形交错固设连接形成土工格栅，，十字形形成的交接点的表面或者底部安装加强节点9，或者交接点的表面、底面同时安装加强节点9；

第二步：制作土工格室4，将若干呈波浪状的土工格条12的面垂直地面放置，且若干土工格条12平行布设，相邻的土工格条12弯曲处绑扎；

第三步：在地下空洞塌陷区1的表面铺设土工织物2，在土工织物2的上方按照土工格栅3、土工格室4的顺序交错叠加，土工格栅3和土工格室4之间通过绑扎连接，叠加的高度满足路堤填土高度和设计要求；

第四步：土工格栅3与土工格室4交错叠加后，形成加筋空间体，将土工织物2包裹在加筋空间体周围，并在加筋空间体的顶部缝合，在缝合后的顶部预留若干泵送管道入口16，在土工织物2的底部安装若干变形采集报警系统14；

第五步：在加筋空间体周围填筑路堤填料8，直至填料达到加筋空间体顶部标高，启动泵将流动固化废弃泥15输送至加筋空间体处，固化后的废弃泥15与加筋空间体形成类钢筋混凝土梁的刚性体；

第六步：在加筋空间体顶部放置球囊6，球囊6的两侧连接管路伸出路堤边坡外，接着在球囊6的顶部继续填筑路堤填料8，直至达到设计高度，当地下空洞塌陷区1发生塌陷后，土工织物2包裹层的底部发生变形或者撕裂，触发变形采集报警系统14，此时通过管路5向球囊6内注入液体或气体，在球囊6的表面形成拱状；球囊6上部的路堤荷载形成正压力，有助于流动固化废弃泥15中的水份从透水的土工织物2中流出，加快固化速度并提高强度。

需要说明的是，在加筋空间体内注入废弃泥15时，可以一边填筑路堤填料8，一边浇筑流动固化废弃泥15，也可以在填筑完周边填料后，一次性浇筑，施工方便，解决了废弃泥15处置难的问题；通过本申请提供的空洞塌陷防治结构，不仅造价低廉，施工方便，同时又能解决现在固体废弃物处理的问题，具有良好的环保效应。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。