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        撫順西露天礦北幫地表斷裂帶注漿加固試驗(yàn)研究

        2023-03-27 02:38:48韓曉極李慧發(fā)紀(jì)玉石
        煤礦安全 2023年2期
        關(guān)鍵詞:空化斷裂帶斷層

        韓曉極,申 力,李慧發(fā),紀(jì)玉石,郭 霽,焉 博

        (1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113112;3.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限公司 西露天礦,遼寧 撫順 113000)

        撫順市作為國務(wù)院確定的第2 批32 個(gè)資源枯竭城市之一,是伴隨著煤田開采逐步建設(shè)發(fā)展起來的城市。撫順煤田礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量大且分布集中,礦區(qū)布局緊湊、相關(guān)產(chǎn)業(yè)圍繞礦區(qū)分布。早在1901 年煤炭開始采掘時(shí),在千臺(tái)山北麓的千金寨(現(xiàn)西露天礦坑內(nèi))形成了城市雛形,1924 年因西露天礦生產(chǎn)剝離,千金寨被迫拆遷[1]。由于當(dāng)時(shí)掠奪式開采,限于時(shí)局、生產(chǎn)技術(shù)水平與煤田地質(zhì)情況不清等諸多因素,將遷建的新?lián)犴?、站前、永安臺(tái)、東公園等居住區(qū)及相應(yīng)建設(shè)的石油一廠、發(fā)電廠、挖掘機(jī)廠、電瓷廠等大型工業(yè)企業(yè)都建在了煤層之上。城市布局不可避免的延續(xù)了集中分布型空間結(jié)構(gòu),進(jìn)而在城市化進(jìn)程中制約了礦城發(fā)展與前景。

        撫順西露天礦工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜,同時(shí)受到井工采動(dòng)的影響,在如此復(fù)雜的工程地質(zhì)和采礦技術(shù)條件下進(jìn)行露天開采,形成采深達(dá)400 m 的高大邊坡,邊坡變形破壞(滑坡)規(guī)律極為復(fù)雜。由于礦山毗鄰城區(qū)的特殊地理位置局限性,相較于其他礦業(yè)城市,面臨的城市安全問題更為突出、典型、易發(fā)和敏感?;诟鞣N原因,目前礦區(qū)面臨產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、礦山地質(zhì)災(zāi)害防治、城市空間結(jié)構(gòu)調(diào)整等諸多資源枯竭城市轉(zhuǎn)型期問題,成為制約工礦企業(yè)與城市規(guī)劃建設(shè)的瓶頸[2-4]。在礦山開采期間,撫順西露天礦北幫地表原石油一廠、發(fā)電廠廠區(qū)為滿足安全生產(chǎn)的要求,企業(yè)聯(lián)合科研院所專業(yè)技術(shù)人員,基于采動(dòng)影響下地廠區(qū)地表變形破壞規(guī)律以及地質(zhì)條件相互作用關(guān)系研究,采用多種加固技術(shù)手段進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)與工程處置,以減緩變形擾動(dòng),防治地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害,取得了一定時(shí)間段減緩變形作用,保障廠區(qū)安全生產(chǎn)的目的效果[5-13]。限于地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜性,現(xiàn)階段斷層帶一線地裂縫仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),并有可能進(jìn)一步擴(kuò)展。因此,需加強(qiáng)觀測并進(jìn)行必要的防治[14-16]。

        基于此,結(jié)合以往地質(zhì)災(zāi)害防治成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),在地裂縫災(zāi)害現(xiàn)狀與趨勢預(yù)判的基礎(chǔ)上,結(jié)合綜合治理規(guī)劃,重點(diǎn)關(guān)注西露天礦退煤治理期間城市地裂縫災(zāi)害易發(fā)且危害程度大的區(qū)段防災(zāi)減災(zāi),區(qū)別對待現(xiàn)階段及趨勢性的多因素影響下地城市構(gòu)造變形區(qū)域地質(zhì)環(huán)境惡化帶來的不確定問題:①斷裂帶(尤其是F1A)及其邊緣區(qū)域部分嚴(yán)重變形破壞的建筑物避險(xiǎn)搬遷;②場地整合利用過程中的加固改造治理,防范災(zāi)害趨勢性變形破壞。針對構(gòu)造變形區(qū)災(zāi)害集中發(fā)育、危害程度大的區(qū)段,在現(xiàn)場實(shí)施條件允許的情況下,進(jìn)行地裂縫災(zāi)害分區(qū),并針對性地開展注漿加固技術(shù)試驗(yàn),以期為城市安全地質(zhì)災(zāi)害綜合治理提供參考依據(jù)。

        1 北幫地表斷裂構(gòu)造及地裂縫發(fā)育特征

        1.1 地表斷裂構(gòu)造分布

        露天礦坑內(nèi)工程揭露的對于北幫及地表穩(wěn)定影響較大及規(guī)模較大斷層有2 條,其中F1斷層自西向東在北幫上部沿走向共揭露1 600 m,它是控制北幫上部邊坡穩(wěn)定性的主要地質(zhì)構(gòu)造因素。

        1)F1A斷層。走向80°~85°,傾向北西,傾角70°~75°。礦坑內(nèi)水平探巷揭露該斷層破碎帶寬度為80 m,上盤巖石為基底片麻巖系,下盤為白堊系玄武巖、砂巖及砂頁巖等。破碎帶主要由夾角礫斷層泥構(gòu)成,并夾有巨大片麻巖包裹體,說明了其活動(dòng)的多期性和活動(dòng)性質(zhì)變化。破壞帶寬度西寬東窄,至原發(fā)電廠廠區(qū)寬約30 m。據(jù)區(qū)域總體構(gòu)造形跡判斷,F(xiàn)1A斷層呈右旋平移。F1A斷層在北幫于W1600左右位于地面境界附近,向東以與礦坑走向10°~15°夾角遠(yuǎn)離礦坑,北幫地表的石油一廠、發(fā)電廠廠區(qū)均坐落在該斷層帶上。由于該斷層的存在,地表廠區(qū)變形嚴(yán)重。

        2)F1斷層。走向80°,傾向北,傾角47°~52°,上盤為白堊系龍鳳坎組地層,下盤為第三系煤系地層。斷層破碎帶寬20~30 m,發(fā)育有斷層泥、斷層角礫層等。F1斷層于W1800,+9 平盤出露,至E850 出坑,斜切北幫達(dá)1 650 m。受該斷層控制,W1800 至E1000范圍內(nèi)的北幫上部邊坡出現(xiàn)了不同程度的邊坡變形與破壞問題。

        3)F41斷層。為渾河斷裂的次級(jí)斷裂,呈近東西向70°展布。該組斷裂貫穿太古界片麻雜巖。斷層性質(zhì)為逆斷層,寬30~40 m,走向70°,傾向北,傾角50°~70°。受勝利礦、西露天礦等采煤活動(dòng)的影響,沿F41斷裂在評(píng)價(jià)區(qū)段及東側(cè)局部形成了地裂縫地質(zhì)災(zāi)害。

        1.2 地裂縫發(fā)育特征

        地裂縫災(zāi)害發(fā)育于廠區(qū)及城區(qū)地表,國家及企業(yè)投資數(shù)億開展大規(guī)模治理,起到一定的緩解作用,但作為重大地質(zhì)災(zāi)害體,其地表構(gòu)造變形區(qū)至今仍影響地面工業(yè)、民用建筑的安全。

        地裂縫是指在一定地質(zhì)自然環(huán)境下,由于自然或者人為因素,地表巖土體開裂,在地面形成一定長度和寬度的裂縫的一種地質(zhì)現(xiàn)象。地裂縫平面位置示意圖如圖1,典型地質(zhì)剖面如圖2。

        圖1 地裂縫平面位置示意圖Fig.1 Ground fissure plane sketch map

        圖2 典型地質(zhì)剖面Fig.2 Typical geological section

        在西露天礦開挖強(qiáng)烈影響區(qū),坡表地裂縫的分布較為廣泛,如近礦坑的F1斷層以南的地表及坡表處,它們通常是伴隨著滑坡、邊坡變形等災(zāi)害而發(fā)生的,主要影響因素為地下開采或露天開采,邊坡或地表巖土體受到影響發(fā)生移動(dòng)和變形造成的,這部分地裂縫主要位于F1斷層帶附近。而在遠(yuǎn)離采坑的地段,地裂縫的發(fā)育、分布則與巖體中較大斷層的存在有關(guān),因開挖引起巖土體移動(dòng)和變形的斷層效應(yīng)十分明顯。這種地裂縫在原撫順石油一廠及發(fā)電廠廠區(qū),F(xiàn)1A斷層通過的地段屢見不鮮,而且建筑物、構(gòu)筑物所遭到的損壞相當(dāng)嚴(yán)重。這部分地裂縫目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),并有可能進(jìn)一步擴(kuò)展。

        地裂縫另一種表現(xiàn)形式為斷層帶沉陷,指F1A斷層帶發(fā)生沉陷,即當(dāng)裂縫發(fā)展到地表后,基巖上盤連同上面相應(yīng)的第四系覆蓋層作為一個(gè)統(tǒng)一的整體作差異沉降,這種差異沉降導(dǎo)致地表沿?cái)鄬友由旆较虺霈F(xiàn)沉陷帶。主要分布在原撫順石油一廠、發(fā)電廠廠區(qū)以及市區(qū)F1A斷層帶一線。此外作為區(qū)內(nèi)較為常見的空化現(xiàn)象長期影響廠區(qū)地表穩(wěn)定。一般而言,由采礦工程活動(dòng)引發(fā)的空化現(xiàn)象是該區(qū)地質(zhì)體存在的弱面(不連續(xù)面)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種形式,發(fā)生空化的巖體,其內(nèi)部裂隙或空隙增大、增多,同時(shí)受地下水的綜合作用,產(chǎn)生潛蝕滲透變形,在斷裂集中地段發(fā)生地面沉陷。

        2 試驗(yàn)區(qū)以往地面變形綜合治理工程概況

        西露天礦為保障礦山生產(chǎn)安全與城市的和諧發(fā)展與共存,本著“以人為本,預(yù)防為主,防治結(jié)合”的原則,采取綜合整治措施,地質(zhì)災(zāi)害危害得到有效遏制,礦區(qū)與城區(qū)相繼建立了較為系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng),目前滑坡與變形區(qū)域基本穩(wěn)定。

        發(fā)育于原石油一廠、發(fā)電廠廠區(qū)及城區(qū)站前地表區(qū)段的地裂縫災(zāi)害,作為重大地質(zhì)災(zāi)害體,按照《撫順市地質(zhì)災(zāi)害區(qū)居民(6 141 戶)避險(xiǎn)搬遷安置實(shí)施方案》和《撫順市地質(zhì)災(zāi)害區(qū)居民(6 141 戶)避險(xiǎn)搬遷安置實(shí)施細(xì)則》和有關(guān)會(huì)議要求,撫順市于2016 年6 月—2017 年有力有序推進(jìn)并實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害區(qū)居民(6 141 戶)避險(xiǎn)搬遷安置工作。此外,受廠區(qū)地裂縫影響嚴(yán)重,原石油一廠、發(fā)電廠均實(shí)施了避險(xiǎn)搬遷措施,以上避險(xiǎn)搬遷安置工作的實(shí)施,極大緩解了撫順西露天礦地質(zhì)災(zāi)害影響區(qū)城市安全面臨的壓力,同時(shí)也為進(jìn)一步保障礦城安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        資料顯示,原石油一廠、發(fā)電廠廠區(qū)為滿足安全生產(chǎn)的要求,企業(yè)聯(lián)合科研院所專業(yè)技術(shù)人員,基于采動(dòng)影響下地廠區(qū)地表變形破壞規(guī)律以及地質(zhì)條件相互作用關(guān)系研究,采用多種加固技術(shù)手段進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)與工程處置,以減緩變形擾動(dòng),防治地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。綜合治理時(shí)期分為2 個(gè)階段:①20世紀(jì)90 年代;②2000—2008 年間。如1994—1996年西汽鍋、廠辦樓、消防樓、工會(huì)樓、蠟庫等重要建筑物建造地下混合樁連續(xù)墻;1995—1997 年,針對F1A斷層及北側(cè)的次級(jí)斷裂構(gòu)造帶、地下空化裂隙采用速凝早強(qiáng)型、高強(qiáng)型的注漿加固;2000—2006 年,對F1A斷裂帶區(qū)域、蠟庫車間等區(qū)域進(jìn)行了注漿治理。撫順發(fā)電廠于2000 年3 月、2001 年5 月和10月、2005 年10 月、2006 年9 月和10 月、2007 年10月、2008 年5 月和10 月先后7 次分別對F1A斷層破碎帶、2#號(hào)機(jī)主廠房地基、1#和2#號(hào)3 500 m2冷卻塔地基進(jìn)行了注漿治理。主要的地基加固手段包括:由灌注樁、旋噴樁、鋼管樁、定噴樁、基巖注漿、地梁聯(lián)合形成的地下混合樁連續(xù)墻和地下空化裂隙的松散層、基巖層注漿等方法,從監(jiān)測數(shù)據(jù)等反饋信息觀察,地基加固措施取得了一定時(shí)間段減緩變形,保障廠區(qū)安全生產(chǎn)的目的效果。

        3 斷裂帶注漿加固試驗(yàn)

        3.1 地裂縫災(zāi)害現(xiàn)狀及地層巖性

        3.1.1 地裂縫災(zāi)害現(xiàn)狀與分區(qū)

        資料顯示,廠區(qū)斷裂帶(尤其是F1A)20 世紀(jì)90年代中期雨季,曾出現(xiàn)8 個(gè)直徑大于1 m、深近10 m 的橢圓形大坑,造成斷裂帶及其周邊地基變形沉陷。多年的監(jiān)測資料表明,廠區(qū)斷裂帶(尤其是F1A)均有顯著的下沉變形,發(fā)生過地裂縫、斷裂構(gòu)造帶沉陷嚴(yán)重變形,使影響范圍內(nèi)的建筑物遭到破壞。

        根據(jù)前期不同階段工程及研究實(shí)踐,斷裂帶(尤其是F1A)及其邊緣區(qū)域可分為強(qiáng)烈變形區(qū)、變形區(qū)及變形影響區(qū)3 個(gè)地段,從而通過物探工程與鉆探工程,查明斷裂帶地裂縫發(fā)育區(qū)各試驗(yàn)段區(qū)域斷裂帶及其影響區(qū)域空化情況,進(jìn)行相應(yīng)注漿加固試驗(yàn)。通過注漿加固試驗(yàn),明確各試驗(yàn)段注漿參數(shù),并通過注漿后檢測工程,對比前后試驗(yàn)數(shù)據(jù),歸納總結(jié)并明確注漿效果,以期在城區(qū)場地整合利用過程中的得以推廣應(yīng)用。

        1)強(qiáng)烈變形區(qū)(1 號(hào)區(qū))。試驗(yàn)段位于原石油一廠工會(huì)教育處東側(cè)橫跨F1A斷層,占地約1 845.82 m2。該區(qū)地裂縫發(fā)育、地表沉陷變形明顯,可見陡坎等微地貌現(xiàn)象。

        2)變形區(qū)(2 號(hào)區(qū))。試驗(yàn)段位于發(fā)電廠西側(cè)橫跨F1A斷層,占地約1 644.31 m2。該區(qū)地裂縫較發(fā)育、存在地表沉陷變形現(xiàn)象。

        3)變形影響區(qū)(3 號(hào)區(qū))。試驗(yàn)段位于原石油一廠廠區(qū)北東部橫跨F41斷層,占地約1 104.34 m2。該區(qū)地裂縫零星發(fā)育,建筑物有裂縫現(xiàn)象。

        由高密度電法勘查剖面可知,區(qū)內(nèi)第四系厚度一般在10~15 m,分布不均勻,巖性為素填土、砂卵石層,富水性較好,區(qū)內(nèi)地下水主要賦存在第四系與底部基巖接觸帶處。區(qū)內(nèi)地層大體相同,表層覆蓋為第四系土層及砂卵石層,下部為基巖巖石的強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化依次逐層分布。勘查剖面出現(xiàn)了多處低阻異常,從異常形態(tài)、大小及與其周圍圍巖關(guān)系看,推測為巖石破碎帶引起,此類地段結(jié)構(gòu)松散、裂隙發(fā)育、透水性較好,所以電阻率數(shù)值顯示較低。通過高密度電法勘查剖面在區(qū)內(nèi)的低阻異常圈定的F1A斷裂帶,大致走向西南-東北,寬度約35~45 m,傾向北西,傾角約75°~85°;圈定F41斷裂帶,大致走向西南-東北,寬度約10~20 m,傾向北西,傾角約75°~85°。其中3 號(hào)區(qū)有F41經(jīng)過,1 號(hào)、2 號(hào)區(qū)域有F1A經(jīng)過。

        3.1.2 地層巖性

        鉆探勘查顯示,區(qū)內(nèi)包括新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積層、太古界變質(zhì)巖地層2 個(gè)工程地質(zhì)分層。

        1)新生界第四系(土體)工程地質(zhì)類型。第四系地層厚4.05~19.25 m,自上而下由雜填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖、圓礫組成:①雜填土:由碎磚、碎石、煤矸石、黏性土等組成,稍濕,層厚0.60~7.50 m;②粉質(zhì)黏土層:該層區(qū)內(nèi)分布不連續(xù),厚度變化較大,僅在3 號(hào)場地的ZK3-1 和ZK3-2 鉆孔揭露,呈黃褐色,層狀,團(tuán)粒結(jié)構(gòu),干強(qiáng)度中等,韌性中等,稍濕-濕,軟塑-可塑,層厚12.30~16.90 m;③粗砂:該層區(qū)內(nèi)分布不連續(xù),厚度變化大,在1 號(hào)和2 號(hào)場地的鉆孔中均有揭露,呈黃褐色,層狀,成分由長石、石英質(zhì)礦物組成,稍密-中密,飽和,層厚0.80~20.60 m;④圓礫:該層區(qū)內(nèi)厚度變化大,黃褐色,礫石母巖成分較復(fù)雜,礫石呈亞圓形,磨圓度一般~較好,分選性較差,一般粒徑2~15 mm,最大粒徑為25 mm,充填物為中粗砂,飽和,中密狀態(tài),層厚0.40~6.15 m,該層在區(qū)域內(nèi)分布廣泛。

        2)古界(Ar)變質(zhì)巖(巖體)工程地質(zhì)類型。黑云二長花崗片麻巖,該層位是場地的基巖層,巖石灰黑色-灰綠色,中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,揭露厚21.15~47.50 m,強(qiáng)風(fēng)化巖層承載力特征值208~940 kPa。主要礦物成分為:①斜長石:灰白色,半自形中細(xì)粒,板狀-粒狀,玻璃光澤,含量30%~40%;②鉀長石:肉紅色,半自形中細(xì)粒,板狀-粒狀,玻璃光澤,含量5%~15%;③石英:灰白色-乳白色,半透明,它形中細(xì)粒,玻璃光澤,含量25%~35%;④黑云母:灰褐色-灰綠色,板狀-片狀,細(xì)粒,珍珠光澤,含量30%。

        3.2 斷裂帶勘查成果

        斷裂帶勘查是在前期勘測研究工作基礎(chǔ)上開展的,利用物探、鉆孔等勘探手段進(jìn)行的,主要是查證工作區(qū)內(nèi)斷裂帶2008 年至今,包含原加固治理段(1區(qū))、原局部治理段(2 區(qū)、3 區(qū))等地段多因素影響下的地基現(xiàn)狀基本情況。

        在物探勘測的基礎(chǔ)上沿F1A斷裂帶異常區(qū)段施工了8 個(gè)鉆孔,驗(yàn)證鉆探均發(fā)現(xiàn)構(gòu)造破碎帶。鉆孔中所見巖石具有多次破碎的特征,早期裂隙被石英、方解石脈充填膠結(jié)后,再次破碎,形成構(gòu)造角礫巖或綠泥石化片巖。①F1A斷裂經(jīng)原石油一廠辦公樓沿近北東方向延伸,在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)鉆孔揭露寬度約7.5~12 m,產(chǎn)狀330°~340°∠70°~88°;②F41斷層破碎帶發(fā)育情況:斷層走向近東西,產(chǎn)狀348°~355°∠65°~75°,斷層北傾,斷層性質(zhì)為壓性逆斷層;③F41斷層破碎帶由斷層角礫及斷層泥組成,鉆孔中黑云二長花崗質(zhì)片麻巖綠泥石化發(fā)育,巖心破碎,多呈擠壓破碎狀,可見斷層擦痕,角礫原巖為花崗片麻巖,硅質(zhì)膠結(jié),充填物膠結(jié)程度較好,經(jīng)物探結(jié)果推斷,破碎帶寬10~20 m,鉆孔揭露寬度15.8~17.4 m。斷裂帶情況勘測統(tǒng)計(jì)表見表1。

        由表1 可以看出:1 號(hào)區(qū)~2 號(hào)區(qū)F1A空化段厚度及空化比最大值出現(xiàn)在ZK1-2 鉆孔,為12.79 m及31.66%,最小值出現(xiàn)在ZK1-1、ZK2-2 鉆孔,為9.69 m 及18.92%,平均值12.03 m 及28.44%;3 號(hào)區(qū)F41空化段厚度及空化比分別為9.15 m 及23.05%;1 號(hào)區(qū)~2 號(hào)區(qū)F1A空化段厚度及空化比略大于3 號(hào)區(qū)F41??傮w來說,第四系底部與下付斷裂帶基巖交界面圓礫層位鉆進(jìn)過程中漏水或掉塊嚴(yán)重;18.50~25.6 m 處破碎帶及其一定范圍內(nèi),巖體較破碎、空化相對嚴(yán)重。

        表1 斷裂帶情況勘測統(tǒng)計(jì)表Table 1 Survey statistics of fault conditions

        1 號(hào)區(qū)、2 號(hào)區(qū)F1A破碎帶內(nèi)平均透水率及滲透系數(shù)分別為4.44 L/(m·MPa·min)、4.48×10-2m/d;3號(hào)試驗(yàn)區(qū)F41破碎帶內(nèi)透水率及滲透系數(shù)分別為0.96 L/(m·MPa·min)、9.20×10-3m/d。反映出各區(qū)段內(nèi)地層(基巖)空化程度存在一定差異性。

        3.3 斷裂帶注漿加固技術(shù)試驗(yàn)

        由于各試驗(yàn)段區(qū)域地層巖性、斷裂構(gòu)造及其破損情況等條件不同,注漿試驗(yàn)工程為達(dá)到各段工程注漿特性及注漿技術(shù)參數(shù),便于確定和修正注漿方案,使設(shè)計(jì)、施工更符合實(shí)際情況,布置更為合理,需先進(jìn)行一定規(guī)模和深度的現(xiàn)場注漿試驗(yàn),以試驗(yàn)成果作為注漿設(shè)計(jì)和施工的主要依據(jù)。因此,注漿加固試驗(yàn)主要依據(jù)物探探查及鉆探結(jié)果,針對不同區(qū)域具體地質(zhì)條件及地基空化程度,采用松散層與基巖裂隙注漿相結(jié)合的方法進(jìn)行。

        3.3.1 注漿試驗(yàn)方案

        1)注漿孔布置。①注漿有效擴(kuò)散半徑:根據(jù)以往注漿工程實(shí)踐,定為5 m;②注漿孔間距:根據(jù)注漿有效擴(kuò)散半徑,注漿孔間距為8.7 m,呈等邊三角形布置。

        2)注漿材料和配合比。①加固試驗(yàn)主要以充填和加固為主,注漿材料采用425#普通硅酸鹽水泥和水玻璃,實(shí)行單液注漿,水玻璃作為速凝劑;②水泥漿水灰比為1∶0.5~1∶1,各段初期漿液以稀漿為宜,水灰比為1∶0.5,后期漿液濃度逐漸提高,最后穩(wěn)定在水灰比1∶1;③水玻璃選用模數(shù)2.4~2.8,濃度30~45 波美度,水玻璃用量一般占水泥用量的1%~5%,水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.6~1∶0.4。

        3)注漿施工工藝。采用袖閥管法施工,袖閥管法施工示意圖如圖3。袖閥管下入以后,下入注漿器,漿液通過注漿管沖開閥套進(jìn)入需注漿加固的土體中;當(dāng)注漿壓力達(dá)到技術(shù)要求時(shí),停止注漿后退1段,進(jìn)行下一階段注漿;在需要時(shí),可在套管的適當(dāng)位置重新下入注漿塞,進(jìn)行重注。

        圖3 袖閥管法施工示意圖Fig.3 Sleeve valve pipe construction diagrams

        3.3.2 試驗(yàn)施工

        3 號(hào)試驗(yàn)區(qū)在前期勘查中發(fā)現(xiàn)該區(qū)地表變形相對較小、空化區(qū)域相對較小,該區(qū)域均采用“袖閥管法”分段施工;1 號(hào)試驗(yàn)區(qū)和2 號(hào)試驗(yàn)區(qū)地表變形相對較大且空化段發(fā)育的區(qū)域采用“袖閥管法”與“全孔注漿法(不進(jìn)行分段直接注漿至深度)”相結(jié)合的施工方法。

        3 號(hào)試驗(yàn)區(qū)各注漿點(diǎn)除F41構(gòu)造及構(gòu)造帶附近吃漿量較大外,其他點(diǎn)注漿量相對較小,在注漿過程中由于巖體裂隙(空洞)差異性較大,因而注漿壓力及注漿量有較大的差異,在巖體裂隙空洞(不包括第四系)較小時(shí),注漿壓力控制在0.5~1.5 MPa,巖體裂隙(空洞)較發(fā)育區(qū)段時(shí)注漿壓力控制在0.2~0.5 MPa 至深度,平均注漿量5.64 m3/點(diǎn)。

        而2 號(hào)試驗(yàn)區(qū)和1 號(hào)試驗(yàn)區(qū)均位于F1A斷裂構(gòu)造帶,地表變形大及空化帶遠(yuǎn)大于3 號(hào)試驗(yàn)區(qū),且該區(qū)空化(洞)連通性好,試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)不適宜采用“袖閥管法”施工。因此,針對現(xiàn)場實(shí)際,在保障施工質(zhì)量及工期的條件下,2 號(hào)試驗(yàn)區(qū)采用了“袖閥管法”與“全孔注漿法(不進(jìn)行分段直接注漿至深度)”相結(jié)合的施工方法,考慮該區(qū)注漿時(shí)間長,注漿量大,當(dāng)注漿壓力由0.1 MPa 升至0.5 MPa 視為注漿結(jié)束,注漿壓力控制在0.2~0.5 MPa 至深度,平均注漿量11.843 m3/點(diǎn);1 號(hào)試驗(yàn)區(qū)變形程度大、空化程度高,采用第四系地層與基巖分段注漿,即將由鉆機(jī)揭露上部的松散層(15 m)下φ127 mm 花管至深度進(jìn)行全孔注漿,待2 d 后,采用φ108 mm 鉆具鉆進(jìn)至深度(35 m)在進(jìn)行全孔注漿,上部的松散層注漿壓力控制在小于0.2 MPa,下部注漿壓力控制在0.5 MPa,注漿時(shí)段控制仍然采用由0 MPa 升至0.5 MPa 視為注漿結(jié)束的方法,1 號(hào)試驗(yàn)區(qū)平均注漿量13.464 m3/點(diǎn)。

        3.3.3 試驗(yàn)效果

        為考察注漿前后的效果,采用高密度電法進(jìn)行了注漿區(qū)域?qū)Ρ冉庾g工作的嘗試(高密度電法剖面成果圖略)。剖面近由東南至西北布設(shè),點(diǎn)距5 m,測量最大深度61.5 m,控制長度300 m;電阻率剖面曲線變化較大,色帶分布不均勻,電阻率不是層狀變化,從電阻率數(shù)值來看,剖面上部約12~14 m 電阻率數(shù)值相對較高,推測為第四系土層或砂卵石層引起,下部電阻率數(shù)值相較高,推測為巖石的強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化依次逐層分布引起。在剖面的約80~155 m、250~265 m 地段,有2 處明顯的低阻異常,電阻率數(shù)值區(qū)間在17~22 Ω·m,推測異常為破碎帶引起,其異常位置與F1A、F41斷裂帶位置基本吻合。從注漿后驗(yàn)證剖面來看,破碎帶區(qū)域(即預(yù)注漿區(qū)域)電阻率數(shù)值相對未注漿之前較高,推測注漿后原有孔隙被泥漿填充,孔隙度變小,透水性變差,電阻率數(shù)值隨之增大,注漿效果較為理想。

        同時(shí),為保障治理工程的效果,在注漿前后分別對同一注漿孔進(jìn)行了壓水試驗(yàn),通過對注漿前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比,檢驗(yàn)實(shí)施注漿治理試驗(yàn)及施工方案的可行性及有效性。壓水試驗(yàn)質(zhì)量檢查結(jié)果:任意選取1 號(hào)注漿區(qū)域16#注漿孔、2 號(hào)注漿區(qū)域13#注漿孔、3 號(hào)注漿區(qū)域12#注漿孔,在注漿前進(jìn)行了分段壓水試驗(yàn),注漿結(jié)束10 d 后,又重新透孔,進(jìn)行注漿后分段壓水試驗(yàn),壓水試驗(yàn)按SL25—92《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行,注漿孔壓水試驗(yàn)質(zhì)量檢查結(jié)果見表2~表5。

        表2 1 號(hào)注漿區(qū)域16#注漿孔鉆孔壓水試驗(yàn)成果表Table 2 Table of water pressure test results of borehole 16#in No.1 grouting area

        表3 1 號(hào)注漿區(qū)域JK1-3 鉆孔壓水試驗(yàn)成果表Table 3 Water pressure test results of JK1-3 hole in No.1 grouting area

        表4 2 號(hào)注漿區(qū)域13#注漿孔鉆孔壓水試驗(yàn)成果表Table 4 Table of water pressure test results of borehole 13#in No.2 grouting area

        通過試驗(yàn)孔的壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看:

        1)1 號(hào)注漿區(qū)域?qū)儆谖髀短斓V采動(dòng)條件下的斷裂構(gòu)造變形區(qū),其壓水試驗(yàn)孔注漿后的透水率20~25 m、35~40 m 段要小于注漿前的透水率,降低幅度在16.0%~47.5%之間;而30~35 m 段透水率要高于注漿前。同時(shí),滲透系數(shù)有降低,降低幅度在4.19%~28.6%之間。JK1-3 孔壓水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)降幅更為明顯,資料顯示該區(qū)第四系滲透系數(shù)平均值在0.196~48.000 m/d 之間,以注漿后的0.056 7 m/d 核算,降幅在71.07%以上,效果顯著。

        2)2 號(hào)注漿區(qū)域?qū)儆谖髀短斓V采動(dòng)條件下的斷裂構(gòu)造變形區(qū),其壓水試驗(yàn)孔注漿后的透水率要遠(yuǎn)小于注漿前的透水率,降低幅度50%左右。同時(shí),滲透系數(shù)也降低明顯,降低幅度在13.5%~38.6%之間。

        3)3 號(hào)注漿區(qū)域?qū)儆谖髀短斓V采動(dòng)條件下的斷裂構(gòu)造變形影響區(qū),地表變形量值及破壞程度較1號(hào)、2 號(hào)注漿區(qū)域要小,其壓水試驗(yàn)孔注漿前后的透水率與滲透系數(shù)均小于1 號(hào)、2 號(hào)注漿區(qū)域,空化與空化率要小于前2 個(gè)區(qū)段。壓水試驗(yàn)表明注漿后的透水率較注漿前,降低幅度1.04%~14.11%左右;同時(shí),滲透系數(shù)也有所降低,降低幅度在2.17%~22.67%之間;二者降低幅度較1 號(hào)、2 號(hào)區(qū)域明顯偏低。說明注漿治理方案可行,通過注漿治理,在原變形破壞較大的注漿區(qū)域內(nèi)的孔隙得到很好填充固結(jié),注漿起到了填充固結(jié)的作用,達(dá)到預(yù)期效果。

        鉆孔取樣可直觀地反映注漿效果,通過觀察取出的巖心清楚地發(fā)現(xiàn)水泥漿液在地基內(nèi)的分布和結(jié)實(shí)情況。取心孔孔位選擇在注漿孔周圍,距注漿孔0.5 m,取心后進(jìn)行巖心編錄和拍照。通過取心發(fā)現(xiàn):①空化區(qū)(尤其是F1A斷裂帶空洞部位):水泥漿充填效果明顯,相應(yīng)層位取心的巖心呈柱狀,水泥固結(jié)體,顏色為淺灰色,巖心柱體完整,強(qiáng)度大;②強(qiáng)風(fēng)化巖層:巖石裂隙中有水泥充填;③原巖:為含礫粗砂,成分以粗砂為主,含圓礫、卵石,被注入的水泥充填膠結(jié),形成水泥充填膠結(jié)的含礫粗砂,灰褐色,水泥分布不均,其中5.1~6.6 m 處含量多。通過注漿治理后的巖心分析可見,對第四系地層和斷層破碎帶進(jìn)行注漿是行之有效的減少地層內(nèi)部空隙,增加地層強(qiáng)度的方法,注漿加固起到預(yù)期的效果。

        4 結(jié) 語

        通過注漿加固技術(shù)試驗(yàn),對加固區(qū)域地基空化區(qū)段進(jìn)行了針對性的充填固化,鉆探取心驗(yàn)證表明斷裂帶構(gòu)造變形區(qū)空化隱患治理的必要性及其加固技術(shù)的有效性,與相應(yīng)的地基治理措施如換填法、預(yù)壓法、強(qiáng)夯法、深層攪拌法、高壓噴射注漿法、振沖注漿法綜合對比,選取的“袖閥管法”與“全孔注漿法(不進(jìn)行分段直接注漿至深度)”相結(jié)合的施工方法合理可行,適用于撫順西露天礦北幫地表斷裂帶地裂縫變形破壞地段加固工程。

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