鐘祥市雙河鎮斑竹村巖溶地面塌陷灌漿治理效果分析

王　安, 崔　君

(湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽　441002)

0　引言

鐘祥市雙河鎮斑竹村巖溶地面塌陷自1998年發育至今已有十多年,由于地面塌陷區下覆的巖性主要為可溶的碳酸鹽巖,巖體破碎,構造發育,加之多年來人類過量的開采地下水資源,導致了地面塌陷。部分居民因地面塌陷而搬遷,尤其是近三四年來,塌陷發育更為嚴重,塌陷坑群連成一片成為本區的發展趨勢,并且塌陷坑群距離207國道僅20 m，嚴重危害人民生命財產安全，已成為亟待解決的問題。

1　巖溶地面塌陷區基本概況

湖北省鐘祥市斑竹治理區地處鐘祥市西北面,距離鐘祥市區約33.7 km,南距荊門市約36 km,北距襄陽市約76 km,行政區隸屬鐘祥市(縣級市)雙河鎮斑竹村管轄,治理區地理坐標為:東徑112°17′41″,北緯31°20′32″。治理區內貫穿207國道,交通十分便利。

巖溶塌陷區處于鄂中丘陵與江漢平原的過渡區,屬構造侵蝕崗丘地形,總體呈近南北向展布的溝谷與崗丘形成漢江三級基座階地。沿東西方向,地形呈波狀起伏、崗垅相間,地勢總體上呈現為北西高東南低。區內崗頂地面高程一般在110～120 m,崗頂寬緩,一般寬度多在200～300 m。而溝谷高程多在70～90 m,谷底平緩,谷寬多為300～500 m。

巖溶塌陷內分布地層主要為第四系、上第三系、下第三系—白堊系和震旦系,其中上第三系和震旦系的巖性主要為可溶的碳酸鹽巖,為巖溶發育奠定了物質基礎。

2　巖溶發育特征及塌陷成因分析

2.1　巖溶發育特征

巖溶地面塌陷區主要發育震旦系上統燈影組白云巖、構造角礫巖,構造非常發育,巖石的可溶性強,存在大量的巖溶洞穴、管道,為塌陷的發生和發展提供了空間。根據巖溶地面塌陷區地質環境條件和該區地質災害類型、現狀等,結合地質災害易發區劃分的標準,目前可將巖溶地面塌陷區劃分為地面塌陷地質災害高易發區、中易發區、低易發區三個區(表1)。

2.1.1高易發區(Ⅰ)

地質災害高易發區分布于巖溶地面塌陷區的中部,207國道兩側,平面上略呈四邊形,南北長約780 m,東西寬約700 m,面積約為0.27 km2,占總面積3 km2的0.09%。該區處于溝谷洼地,遭受人類工程活動影響強烈,地下水位年變化幅度大、變化速率快,上覆土層厚度一般在3～4 m,下覆基巖為震旦系上統燈影組(Z2dn)的白云巖、構造角礫巖,巖溶發育,物探推斷地下隱伏有2條巖溶管道,9個鉆孔揭露巖溶的見洞率為100%,溶洞頂板厚度遠遠不能滿足溶洞頂板坍塌自行填塞硐體所需的厚度,穩定性差,目前分布有10個塌陷坑(多數坑內見有溶洞),其塌陷仍將進一步擴展。該區塌陷地質災害發生密度大,危害對象主要為居民、村莊、農田和通訊光纜、207國道基礎設施等。

表1　地質災害易發程度劃分表Table 1　Division table of easy-happening degree of geological hazards

圖1　207國道兩側塌陷坑分布Fig.1　Distribution of collapse pit on both sides of 207 National Road1.治理塌陷坑；2.治理公路段；3.已填塌陷坑；4.勘查鉆孔。

2.1.2中易發區(Ⅱ)

中易發區主要分布于巖溶地面塌陷區的北部,向北未封閉,圈定的面積約為2.13 km2,占總面積的71.0%。該區遭受人類工程活動影響強烈,地下水出現了大幅下降,下降后的地下水位變幅減小。該區下伏基巖為震旦系上統燈影組(Z2dn)的白云巖,巖溶發育,溶洞規模較大,溶洞頂板厚度不能滿足溶洞頂板坍塌自行填塞硐體所需的厚度,穩定較差,雖然目前未出現地面塌陷,但今后存在有產生塌陷地質災害的可能性,地質災害直接危害對象主要為村莊、農田。

2.1.3低易發區(Ⅲ)

地質災害低易發區主要分于巖溶地面塌陷區南部地帶,向南未封閉,面積約為0.6 km2,占總面積的20.0%,下伏基巖為上第三系掇刀石組的泥灰巖及下第三系—白堊系紫紅色砂巖,巖溶發育于泥灰巖中,巖溶發育程度相對較弱,溶洞規模較小,溶洞頂板厚度可以滿足溶洞頂板坍塌自行填塞硐體所需厚度,該區現狀地質災害發育程度較低。

2.2　巖溶塌陷成因分析

巖溶地面塌陷區地層主要為可溶的碳酸鹽巖,構造和巖體節理裂隙極為發育,主控構造為北北西向深大壓扭性斷裂和伴生的張扭性斷裂構造,受區域構造和節理裂隙控制,區內巖層產狀變化大,層間擠壓錯動強烈,巖體極為破碎,致使區內沿斷裂帶地段地下水富集,地下水徑流作用攜帶走溶隙、溶孔、溶洞中的大量細顆粒物質,也使上部覆蓋層的土層物質逐漸流失,致使巖溶溶隙、溶孔、溶洞不斷被潛蝕淘空、加寬、加深擴大,最終致使地表形成塌陷區。1997年隨著礦山活動的加劇,地下水抽排量超過地下水允許開采量,地下水位不斷下降,形成了以礦區為中心的地下水降落漏斗,影響半徑約9 km,1998年出現了斑竹地面塌陷[1]。

3　巖溶地面塌陷區灌漿工程布置

對巖溶地面塌陷區進行灌漿工程治理主要達到兩種目的:其一,對溶洞充填后形成充填結實體,對原空區上部掩體進行支撐,改善因巖溶形成后的圍巖力學性質的變化及塌落掩體的力學形態,防止地表巖溶地面塌陷區域的蔓延、確保207國道的安全;其二,阻斷巖溶水的運行通道,進而消弱或減輕碳酸鹽巖溶蝕現象的發生,提高地表巖體穩定性,保護地表建構筑物和其他設施。

以兩條位于207國道路面上的灌漿帶為中心,共布置9條灌漿帶。(圖中黑色直線為灌漿帶)該灌漿工程部分共分為2個灌漿序,第一灌漿序通過帷幕的方法進行,探治結合孔以-50 m控制,即而向中心推進,結合一序探孔資料,鉆孔深度以-50 m控制。鉆孔最終達到整體路基加固隔水的效果。整個工程均配合207國道路面維修工程,將分區分序分階段進行工程灌漿,確保207國道的安全暢通。

第一序灌漿全部為探治結合孔,共分為3個階段：第一階段灌漿工程共布置了96個鉆孔,孔深50 m,排距6 m,孔距28 m。第二階段灌漿工程同樣布置了96個鉆孔,孔深50 m,排距6 m,孔距28 m。與第一階段探知結合孔組合孔距為14 m。第三階段灌漿工程同樣布置了183個鉆孔,孔深50 m,排距6 m,孔距14 m。與第一、二階段探知結合孔組合孔距為7 m。最終達到帷幕施工方法的效果。

第二序灌漿孔同樣分三個階段：第一階段布置了78個灌漿孔，第二階段布置了78個鉆孔,第三階段布置了234個灌漿孔。布置方法與第一序灌漿工程一致,排距6 m,孔距7 m。

圖2　灌漿工程平面布置示意圖Fig.2　Schematic diagram of grouting engineering layout1.注漿工程；2.回填工程；3.；回填工程；4.河床整治工程；5.排水渠；6.巖溶發育區；7.控制點；8.施工控制點；9.第一序第1階段注漿孔位置及編號；10.第一序第2階段注漿孔位置及編號；11.第一序第3階段注漿孔位置及編號；12.第一序驗證孔位置及編號；13.第二序第1階段注漿孔位置及編號；14.第二序第2階段注漿孔位置及編號；15.第二序第3階段注漿孔位置及編號；16.第二序驗證孔位置及編號。

4　灌漿工程施工工藝

根據資料和調查顯示,斑竹治理區共有3個巖溶發育區域,分別處于0～-7 m、-9～-15 m、-38～-50 m。其中0～-7 m和-9～-15 m采用單液水泥漿膠結充填。-38～-50 m區域由于上部巖石力學性質較好,可根據Ⅰ序探治結合孔的地質資料選擇性進行單液水泥漿膠結充填。

由于該治理區巖溶發育比較復雜,仍存在許多小型、微型巖溶無法通過鉆探和物探手段進行查證。故此,在物探探知范圍外,仍可能存在巖溶無法進行灌漿治理,筆者只能以現有的技術資料為前提,最大限度的對潛在巖溶地面塌陷區進行治理,控制地面塌陷地質災害的進一步發展。

通過上述分析,在重要治理范圍內(207國道),將-15 m以下巖溶區進行了充填灌漿治理,平面治理范圍不小于兩條位于207國道路面上的灌漿帶為中心外圍10 m范圍。

4.1　灌漿孔布置及施工順序

4.1.1巖溶地面塌陷區充填灌漿

對于通過物探確定的巖溶地面塌陷區部位,根據公路路基灌漿加固工程實踐,在灌漿壓力為2.0MPa時,全采區灌漿擴散半徑<6 m,但為了妥善的保證施工質量,因此本設計取4 m,則鉆孔間距為7 m,排距為6 m,呈梅狀交替排列,2個序段,9條灌漿帶,共布設765個灌漿鉆孔。對于推測的巖溶地面塌陷區采取探治結合方法,分序分段實施。

4.1.2成孔

全區采用回轉、氣動鉆機,成孔孔徑為89 mm。

4.1.3灌漿膠結

全區采用單液水泥漿進行充填灌漿。

對于全區推測巖溶發育范圍,鉆孔均采取一孔多用,分段進行充填灌漿固結。

4.1.4施工順序

成孔、灌漿屬于施工順序的一部分。

(1) 治理207國道推測巖溶區:總體統設二個序段,鉆孔深度以-50 m控制,采用探治結合孔進行施工,首先在每個序區段最外側灌漿帶先打64個探測孔,進行灌漿、壓水試驗,確定巖溶發育參數后,則灌漿充填范圍向中心擴展,探測孔技術要示按水文地質和工程地質勘察規范執行。

(2) 勘查期間物探探測異常區:沿推測巖溶區范圍布設警示牌及護欄。

4.2　灌漿方法

由于巖溶區中大部分空洞的充填情況未知,在鉆孔鉆進過程中,應盡可能查明巖溶區空洞的充填狀況,做到充填灌漿時有的放矢。

水泥漿直接注入,水灰比采取0.75∶1,吸漿量較大時可根據具體情況適當加入速凝劑。

當灌漿壓力>2.0 MPa,泵量<1 L/min,且穩定15～30 min,即可結束灌漿。

灌漿過程中,如塌陷坑內或其他地區出現冒漿現象,由于不便現場封堵(或吸漿量不見減小),可采取分二步走的形式進行處理,即第一步,間歇式灌漿;第二步,加入3%～5%的水玻璃速凝;根據現場情況,也可以二種堵漏方法交叉、混合使用,至停止冒漿。

4.3　充填灌漿配比與終壓標準

4.3.1灌漿材料選擇

灌漿材料的選擇應因地制宜,盡可能節約成本。巖溶區充填灌漿材料采用單液水泥漿,水泥選用P.O32.5型;為控制漿液的擴散范圍及防止塌陷坑內冒漿,可加入一定比例的水玻璃作為速凝劑,水玻璃模數2.4～3.0,濃度30～45波美度。

4.3.2漿液配比

單液水泥漿的水灰比分為0.75∶1,單液水泥漿應用于基巖表面巖溶發育帶充填灌漿,以及灌漿結束前灌漿。

水玻璃的用量為水泥重量的3%～5%,水玻璃加入漿液中,目的是防止冒漿或在物探資料推測的巖溶區鉆孔底部充填灌漿時控制漿液的擴散范圍。

4.3.3灌漿終壓標準

(1) 在巖溶區充填灌漿末期,泵壓逐漸升高,當灌漿壓力>1.0 MPa,泵量<1 L/min,且穩定15～30 min,作為最終灌漿結束標準[2]。

(2) 在蜂窩狀巖溶發育帶,當灌漿壓力達到2～5 MPa,泵量<1 L/min,且穩定30 min以上,作為最終灌漿結束標準。

(3) 在第四系覆蓋層灌漿時,當壓力達到0.2～0.5 MPa,且泵量<1 L/min,或地表出現大面積冒漿時,可作為最終灌漿結束標準。

4.4　巖溶充填量和灌漿量統計

根據勘查期間灌漿試驗,統計本工程灌漿量為1.15 m3/延米。

5　灌漿工程效果分析

5.1　灌漿量分析

第一序第1階段單孔最小灌漿量50.53 m3,單孔最大灌漿量396.56 m3,單孔平均灌漿量88.2 m3。驗證孔平均灌漿量61.35 m3。

第一序第2階段單孔最小灌漿量45.43 m3,單孔最大灌漿量216.37 m3,單孔平均灌漿量76.4 m3。驗證孔平均灌漿量49.80 m3。

第一序第3階段單孔最小灌漿量44.42 m3,單孔最大灌漿量166.75 m3,單孔平均灌漿量63.9 m3。驗證孔平均灌漿量1.52 m3。

第二序第1階段單孔最小灌漿量47.43 m3,單孔最大灌漿量104.38 m3,單孔平均灌漿量61.0 m3。驗證孔平均灌漿量43.26 m3。

第二序第2階段單孔最小灌漿量45.38 m3,單孔最大灌漿量78.94 m3,單孔平均灌漿量55.6 m3。驗證孔平均灌漿量36.55 m3。

第二序第3階段單孔最小灌漿量30.12 m3,單孔最大灌漿量79.16 m3,單孔平均灌漿量48.5 m3。驗證孔平均灌漿量1.28 m3。灌漿量統計見表2。

表2　階段灌漿量對比表Table 2　Comparison of stage grouting volume

灌漿量統計表明:隨著灌漿孔間距減小,灌漿量也逐漸減小,每一序第3階段灌漿完成后,驗證孔灌漿已十分小了,灌漿施工效果明顯。

5.2　注、壓水試驗成果分析

施工過程中對第一序第1階段32個鉆孔進行了118段次注水試驗,平均滲透系數為4.89 m/d。對第一序第2階段32個鉆孔進行了119段次注水試驗,平均滲透系數為2.47 m/d。

第一序第1階施工了2個驗證孔,進行了8段次注水試驗,最小滲透系數為0.44 m/d,最大滲透系數為3.47 m/d,平均滲透系數為2.24 m/d。

第一序第2階施工了2個驗證孔,進行了8段次注水試驗,最小滲透系數為0.47 m/d,最大滲透系數為2.47 m/d,平均滲透系數為1.67 m/d。

第一序第3階施工了4個驗證孔,進行了12段次壓水試驗,最小透水率為3.28 Lu,最大透水率為8.93 Lu,平均透水率為5.79 Lu。對應最小滲透系數為0.023 m/d,最大滲透系數為0.074 m/d,平均滲透系數為0.044 m/d。

第二序第1階施工了2個驗證孔,進行了8段次注水試驗,最小滲透系數為0.41 m/d,最大滲透系數為2.25 m/d,平均滲透系數為1.56m/d。

第二序第2階施工了2個驗證孔,進行了8段次注水試驗,最小滲透系數為0.81m/d,最大滲透系數為2.34 m/d,平均滲透系數為1.57 m/d。

第二序第2階施工了4個驗證孔,進行了12段次壓水試驗,最小透水率為2.18 Lu,最小透水率為6.60 Lu,平均透水率為4.21 Lu。對應最小滲透系數為0.016 m/d,最大滲透系數為0.051 m/d,平均滲透系數為0.030 m/d。

注、壓水試驗數據對比見表3。

表3　注、壓水試驗數據對比表Table 3　Comparison of data of water injection,pressure test

注、壓水試驗結果表明:隨著灌漿孔間距減小,巖石滲透系數也逐漸減小,每一序第3階段灌漿完成后,巖石滲透系數已相當小了,施工達到了灌漿施工技術規范要求中所規定的限值。

5.3　鉆孔取芯驗證分析

在部分灌漿孔及驗證孔巖芯裂隙及溶孔中見到水泥充填,局部見到較為完整的柱狀水泥芯(照片1-照片4)。

本工程巖溶地面塌陷區地層主要為可溶的碳酸鹽巖,巖體極為破碎,巖溶洼谷、洞穴也極其發育,良好的地下水徑流、排泄條件,攜帶走溶隙、溶孔、溶洞中的大量細顆粒物質,致使巖溶溶隙、溶孔、溶洞不斷被潛蝕淘空、加寬、加深擴大,加之礦山活動的加劇,地下水抽排量超過地下水允許開采量,地下水位不斷下降,針對這些特點,采用壓力灌漿加固法方案最適宜本工程[3](照片5)。

6　結語

本工程所處區域巖溶發育,加之過量抽排地下水資源,誘發了地面塌陷,而地面塌陷具有不可預見性、突發性,易在民眾中產生恐慌。當發現地面塌陷時,應以搶險為先,后采用加固措施治理,詳細制訂和實施壓力灌漿加固法方案。

照片1　裂隙中充填水泥Photo 1　Filling cement in the fracture

照片2　驗2-6水泥芯Photo 2　The experimental cement core of NO.2-6

照片3　驗2-1水泥芯Photo 3　The experimental cement core of NO.2-1

照片4　驗證孔返水Photo 4　Verifying the water return of the borehole

照片5　治理后的207國道Photo 5　207 National Highway after treatment

在施工過程中根據實際情況、在不同的部位采取不同的施工工藝、靈活地運用灌漿技術參數,解決了施工中遇到的各種問題和困難,通過注、壓水試驗成果、灌漿量、鉆孔取芯驗證與效果監測資料的分析,本工程注漿效果達到了設計目的,消除了潛在地質災害隱患,監測顯示207國道及周邊設施在施工結束后運轉順暢,具有良好的經濟效益和社會效益。

地下水的劇烈活動是導致巖溶塌陷的主要因素,類似工程應注意防止人類活動對地下水環境的破壞。

參考文獻：

[1]馬國彥,常振華.巖體灌漿排水錨固理論與實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[2]DL/T5148—2012,水工建筑物水泥灌漿施工技術規范[S].

[3]陳鑫,魏寶華,余大爐,等.湖北省鐘祥市2010年度礦山地質環境治理項目(斑竹治理區)設計方案[R].北京:北京寶地益聯地質勘查工程技術有限公司,2011.