張聯(lián)志

(湖南省有色地質(zhì)勘查局二總隊(duì), 湖南 湘潭市 411102)

壓密注漿在治理地面塌陷工程中的應(yīng)用與評價(jià)

張聯(lián)志

(湖南省有色地質(zhì)勘查局二總隊(duì), 湖南 湘潭市 411102)

以寧鄉(xiāng)縣煤炭壩鎮(zhèn)磚塘村洪山咀地面塌陷治理工程為工程背景，根據(jù)塌陷區(qū)的水文地質(zhì)條件，提出采用壓密注漿治理塌陷區(qū)。通過對注漿理論的簡單分析，研究分析了壓密注漿的在治理地面塌陷過程中的施工工藝和加固效果，監(jiān)測結(jié)果表明注漿1個(gè)月后，地表沉降變化在允許范圍之內(nèi)，達(dá)到了加固的目的。

地面塌陷；壓密注漿；注漿工藝；注漿效果

0 引 言

地表巖體或者土體，在自然作用或者人為活動影響下向下陷落，在地面形成凹陷、坑洞或裂縫的動力地質(zhì)現(xiàn)象，可分為巖溶地面塌陷和采空地面塌陷。巖溶洞隙上方的巖土體在自然或人為因素作用下發(fā)生變形破壞，并在地面形成陷坑的巖溶地質(zhì)作用和現(xiàn)象，簡稱巖溶塌陷。 巖溶塌陷的發(fā)育將會直接引起塌陷坑、地裂縫等，同時(shí)對居民住房，道路等帶來損失。根據(jù)不同的巖溶塌陷情況，可采取回填法、夯實(shí)法、跨越法，注漿法等工藝進(jìn)行治理[1￣3]。本文針對湖南省寧鄉(xiāng)縣煤炭壩鎮(zhèn)磚塘村洪山咀組巖溶塌陷治理工程進(jìn)行注漿機(jī)理、注漿工藝及效果的探討。

1 塌陷區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

塌陷區(qū)位于寧鄉(xiāng)縣煤炭壩鎮(zhèn)磚塘村(原碧塘村)洪山咀組。四周地形為西北面高，為丘陵山包，海拔高程為85.7～98.6 m；北東-南西為較開闊的田垅，海拔高程為63.3～66.7 m；塌陷場地為北西向田垅與丘坡交界處的村道上，地形比較平坦，地面高程為67.00～69.00 m。在地貌上總體屬湘中丘陵地帶。

1.2 區(qū)域地層

區(qū)域內(nèi)地層出露較齊全，地槽、地臺、地洼構(gòu)造層均有發(fā)育。根據(jù)本次勘查結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，塌陷區(qū)地層為第四系和二迭系下統(tǒng)茅口組(P1m)地層，自上而下依次為含礫粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化灰?guī)r。

(1) 含礫粉質(zhì)粘土(Qdel)：褐黃、棕紅色，硬塑，主要成分以粘、粉粒為主，切面稍光滑，韌性及干強(qiáng)度中等，土質(zhì)不均，其中含約30%角礫及砂粒，粒徑2～30 mm不等，礫石成分以灰?guī)r為主，呈棱角狀，表層0.2 m為砼路面。坡殘積成因，該層分布于整個(gè)場地，層厚20.5～38.5 m，頂面埋深為0 m。坡殘積成因。

(2) 粉質(zhì)粘土(Qdel)：棕紅色，流塑，主要成分以粘、粉粒為主，韌性較高，干強(qiáng)度較低，為高壓縮性土，鉆進(jìn)較快。該層僅在部分鉆孔區(qū)域有揭露，層厚8.3 m，頂面埋深為20.5 m，分布于本場地基巖頂面，坡殘積成因。

(3) 中風(fēng)化灰?guī)r(P1m)：灰色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙面可見鐵錳質(zhì)浸染及方解石脈充填，巖芯多呈短柱狀，少量碎塊狀，節(jié)長7～30 cm，塊徑2～6 cm，巖體較完整，巖石屬較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級，RQD約55。最大控制厚度3.3 m。頂面埋深28.6～28.8 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

本塌陷區(qū)及其周邊未見基巖出露，本塌陷區(qū)位于煤炭壩復(fù)式向斜南段次級褶皺的五賀背斜的西南端西北翼，北邊有一條北東向板塘沖正斷層通過。該斷層距塌陷區(qū)較遠(yuǎn)，對塌陷區(qū)影響小。

1.4 地震與新構(gòu)造運(yùn)動

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本區(qū)未發(fā)現(xiàn)具繼承性的活動性斷裂構(gòu)造，新構(gòu)造運(yùn)動主要表現(xiàn)為區(qū)域整體緩慢抬升為主。

據(jù)歷史地震記載，寧鄉(xiāng)曾發(fā)生18次地震，但震級小，破壞性小。根據(jù)《中國地震參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，對照原地震基本烈度值相當(dāng)于6度區(qū)。

1.5 地下水

(1) 含水層為二迭系(P1m)灰?guī)r巖溶水含水層組，地層巖性為灰?guī)r，據(jù)區(qū)域資料最大厚度達(dá)200 m，溶蝕洞隙發(fā)育，但極不均一，地下水主要賦存在溶蝕洞隙中，富水性中等。

(2) 隔水層為第四系坡殘積隔水層，一般由含礫粉質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘土組成，該層含孔隙水，富水性較弱，為相對隔水層。

(3) 塌陷區(qū)域地下水的補(bǔ)給源主要為大氣降水，地下水沿溶蝕洞隙徑流，一般在溝谷下游以泉的形式排泄，由于塌陷區(qū)東南側(cè)為煤礦開采區(qū)，導(dǎo)致地下水向采空區(qū)徑流，礦山開采排水成為其主要的排泄方式，隨著開采深度的加大，排水量增大，例如1971年采深為120 m水平，水位降深187 m，平均排水量6683 t/h；到2007年，采深達(dá)到350 m水平，水位降深達(dá)417 m，平均排水量11727 t/h；由于礦山長期疏排地下水，導(dǎo)致該地下水位大幅度降低，同時(shí)地下水降落漏斗范圍也增大，如1980年為300 m2，2007年擴(kuò)大到510 m2。

2 注漿機(jī)理

注漿(Injection Grout)是指將一定注漿材料配置成漿液，用壓送設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)使其擴(kuò)散、膠凝或固化，以達(dá)到防滲或加固地層的目的。根據(jù)壓力大小和作用方式的不同，可將注漿劃分為靜壓注漿和高壓噴射注漿。靜壓注漿的壓力作用通常較小，受到的阻力作用越大，注漿產(chǎn)生的壓力也隨著升高。由注漿壓力、地質(zhì)條件、作用機(jī)理、運(yùn)動形式及替代方式，常見的靜壓注漿方式主要為四種：充填注漿、滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿。根據(jù)地質(zhì)地層情況和設(shè)計(jì)要求，本次注漿采用壓密注漿。

壓密注漿主要是指在地基處理過程中，為了保證土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，會在地層中灌入非常濃的漿液，漿液在一定應(yīng)力作用下形成球體或圓柱體漿泡，使周圍土體受到擠壓，進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形(見圖1)。壓密注漿壓力持續(xù)增大時(shí)，漿液在粘土中的擴(kuò)散大概包括三個(gè)階段，壓濾階段，壓密階段，劈裂階段。當(dāng)注漿壓力小于起劈壓力且水泥顆粒無法透過土體時(shí)，主要在土體中心形成漿泡，通過壓密作用使土體的密實(shí)度提高。隨著注漿壓力增大，當(dāng)注漿壓力大于起劈壓力時(shí)，沿著土體較薄弱面產(chǎn)生裂隙，漿液進(jìn)入裂隙并擠壓周圍土體，提高土體密實(shí)度，同時(shí)漿脈通過加筋效應(yīng)，提高土體強(qiáng)度[4￣5]。

圖1 壓密注漿

3 工程概況

寧鄉(xiāng)縣煤炭壩鎮(zhèn)磚塘村洪山咀組發(fā)生地面塌陷，據(jù)調(diào)查表明，本塌陷區(qū)共分布1個(gè)巖溶塌陷坑。塌陷坑大致呈圓形，形成一個(gè)直徑約13.6 m、深約5.0 m的大坑，坑壁近直立，坑內(nèi)積水，相應(yīng)水位標(biāo)高為65.8 m，塌陷面積125 m2，為土洞型塌陷。該塌陷坑導(dǎo)致該村道不能通行，同時(shí)嚴(yán)重威脅西側(cè)村民房屋及出行安全。

3.1 工程地質(zhì)條件

綜合鉆探和調(diào)查結(jié)果，塌陷區(qū)分布的地層由上往下為第四系(Q)、二迭系(P)地層。第四系地層為含礫粉質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘土，下伏二迭系灰?guī)r。塌陷區(qū)位于煤炭壩背斜中段的東南翼，核部為二迭系地層，傾角20°～40°；東南為煤炭壩復(fù)式向斜的西北端，北東向斷層發(fā)育。但斷層距塌陷區(qū)較遠(yuǎn)，對塌陷區(qū)影響小。塌陷區(qū)未見大的斷裂構(gòu)造及次級斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡單。主要巖土參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 巖土參數(shù)建議值推薦

3.2 水文地質(zhì)特征及評價(jià)

塌陷區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水和巖溶水，根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)有關(guān)水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判定：該區(qū)水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。

3.3 巖溶塌陷形成機(jī)理

綜合塌陷區(qū)巖溶塌陷的形成條件、巖溶塌陷發(fā)育的動力因素、影響巖溶塌陷的自然因素和人為因素等，塌陷區(qū)巖溶塌陷的形成機(jī)理為：在自然因素和人為因素的共同影響下，塌陷區(qū)地下水活動加劇，地下水動力作用加強(qiáng)，首先，覆蓋層下發(fā)育的巖溶洞、隙在地下水的溶蝕、潛蝕、搬運(yùn)作用下形成開口巖溶洞、隙；然后開口的巖溶洞、隙在地下水位下降時(shí)，受巖溶洞、隙產(chǎn)生的負(fù)壓吸蝕作用，覆蓋層底部塌落，在巖溶水對塌落物質(zhì)的不斷搬運(yùn)和孔隙水補(bǔ)給巖溶水形成的潛蝕作用下，覆蓋層底部形成空洞(土洞)；最后隨著土洞向上發(fā)展，當(dāng)又一次地下水位下降時(shí)，覆蓋層失去浮托力，使覆蓋層不能承受相對增加的重量而垮塌至地面時(shí)，形成地面塌陷，或者是覆蓋層雖能承受因失去浮托力而相對增加的重量，但不能繼續(xù)承受覆蓋層浸潤增濕增加的重量或雨水下滲產(chǎn)生的滲透壓力而垮塌至地面時(shí)，形成地面塌陷。

3.4 巖溶塌陷預(yù)測

塌陷區(qū)塌陷體、土洞及塌陷坑壁不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)塌陷體擴(kuò)大及本次調(diào)查區(qū)外未發(fā)現(xiàn)的土洞發(fā)生新的塌陷，塌陷區(qū)巖溶塌陷危險(xiǎn)性大。

4 注漿治理

根據(jù)現(xiàn)場踏勘和治理工程勘查報(bào)告，本設(shè)計(jì)確定處理的內(nèi)容如下：

(1) 對塌陷坑進(jìn)行回填平整；

(2) 對塌陷坑范圍進(jìn)行進(jìn)行壓密注漿加固；

(3) 在塌陷坑北側(cè)修建擋墻，加固路基，修建水溝，恢復(fù)排水；

(4) 修復(fù)16.2 m村道，恢復(fù)村道行人、通車的功能。

由于塌陷區(qū)覆蓋層厚，下部存在軟弱夾層，在塌陷坑第一次回填后，進(jìn)行較高壓力壓密注漿，對軟弱夾層及充填的塊石進(jìn)行固結(jié)。壓密注漿治理高壓注漿范圍為塌陷坑外擴(kuò)2 m，面積約220 m2，注漿孔按方格網(wǎng)布置，共布設(shè)27個(gè)注漿孔，單孔深度30～38 m(見圖2)。本次治理工程共完成鉆孔總進(jìn)尺1404 m，注漿量總計(jì)約277 m3。本次施工要求回填塊石采用機(jī)械運(yùn)至現(xiàn)場，用挖掘機(jī)送入塌陷坑，并機(jī)械搗實(shí)；土方回填采用打夯機(jī)夯實(shí)，確保填土密實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 注漿工藝

(1) 鉆孔采用XY-100型鉆機(jī)，開孔110 mm，終孔不小于91 mm；

(2) 灌漿采用通長一次注漿，分兩序進(jìn)行。

(3) 注漿壓力采用2～3 MPa，在注漿壓力長時(shí)間低于正常值或地面出現(xiàn)冒漿、周圍樁孔串漿，吸漿量較大的情況下，采用間歇灌注方法進(jìn)行灌注(間歇時(shí)間30～60 min)或加入速凝劑。

(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場情況,水灰比采用由稀至濃的原則，采用0.45～0.65與0.7～0.9兩個(gè)比級進(jìn)行，以吸漿量75 L/min的限量法變換漿液濃度。

(5) 灌漿結(jié)束條件：灌漿的單位吸漿量小于0.4 L/min，繼續(xù)灌注20 min即可結(jié)束。

圖2 鉆孔布置

4.2 注漿流程

施工順序?yàn)樗菘踊靥?第一次)→高壓注漿→砌筑擋墻、水溝澆筑→塌陷坑回填(第二次)→恢復(fù)村道。

(1) 塌陷坑回填(第一次)：回填塊石至67.0～69.0 m；

(2) 高壓注漿：成孔→埋注漿管→注漿；

(3) 擋墻砌筑、水溝澆筑：鋼筋混凝土板→砌筑擋墻→抹面；鋼筋混凝土板→澆筑C20混凝土水溝；

(4) 塌陷坑回填(第二次)：分層回填黏性土，并夯實(shí)；

(5) 修復(fù)村道：回填碎石墊層→澆筑路面。其中注漿工藝見圖3。

4.3 注漿效果評價(jià)

對寧鄉(xiāng)縣煤炭壩鎮(zhèn)磚塘村洪山咀組地面塌陷進(jìn)行壓密注漿，通過在注漿區(qū)域設(shè)置8個(gè)簡易沉降觀測點(diǎn)，施工過程中一號和二號監(jiān)測點(diǎn)沉降量較大分別達(dá)到33 mm和25 mm，其余各點(diǎn)沉降量均小于10 mm。且施工過程中對由原有塌陷引起的房屋裂縫采用貼紙法進(jìn)行觀測，施工過程中未發(fā)生斷裂。通過施工完成后一個(gè)月的監(jiān)測，沉降量最大1號點(diǎn)和2號點(diǎn)不足2 mm，小于0.06 mm/d，認(rèn)為沉降已初步穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保了道路的安全通行，保障了當(dāng)?shù)卮迕竦淖》堪踩?/p>

圖3 注漿工藝流程

5 結(jié)論與建議

對地面塌陷區(qū)進(jìn)行水泥漿液壓密注漿，塌陷區(qū)已有效充填和封堵，且達(dá)到了加固效果，消除了地質(zhì)災(zāi)害隱患，達(dá)到了治理效果，具有良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。但實(shí)際施工過程中與設(shè)計(jì)有一定的出入，尤其是注漿量的大小。因此在治理地面塌陷過程中地質(zhì)補(bǔ)勘必不可少，實(shí)行動態(tài)設(shè)計(jì)，施工過程及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案和施工方案，在此基礎(chǔ)上可更好的控制注漿量和注漿效果，使得治理工程更經(jīng)濟(jì)合理。

[1]巖土注漿理論與工程實(shí)踐協(xié)作組.巖土注漿理論與工程實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2]張聯(lián)志.水泥-粉煤灰-黏土漿液配比優(yōu)化及室內(nèi)注漿試驗(yàn)研究[D].湘潭:湖南科技大學(xué)，2014.

[3]葛家良，陸士良.注漿模擬試驗(yàn)及其應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1997,19(3)：28￣33.

[4]王建霞,李志杰,鐘雪光.巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害治理方案[J].西部探礦工程,2009,21(08):73￣76.

[5]洪玉明,孫 健.關(guān)于巖溶塌陷區(qū)綜合治理方法的探討[J].安徽地質(zhì),2014,24(03):220￣224.(收稿日期：2017￣08￣23)

張聯(lián)志(1988-)男，江蘇沛縣人，碩士，中級工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害治理工程勘查和設(shè)計(jì)工作,Email:1269798059@qq.com。