壓密注漿在治理地面塌陷工程中的應用與評價

張聯志

(湖南省有色地質勘查局二總隊, 湖南 湘潭市 411102)

壓密注漿在治理地面塌陷工程中的應用與評價

張聯志

(湖南省有色地質勘查局二總隊, 湖南 湘潭市 411102)

以寧鄉縣煤炭壩鎮磚塘村洪山咀地面塌陷治理工程為工程背景，根據塌陷區的水文地質條件，提出采用壓密注漿治理塌陷區。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，監測結果表明注漿1個月后，地表沉降變化在允許范圍之內，達到了加固的目的。

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現象，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生變形破壞，并在地面形成陷坑的巖溶地質作用和現象，簡稱巖溶塌陷。 巖溶塌陷的發育將會直接引起塌陷坑、地裂縫等，同時對居民住房，道路等帶來損失。根據不同的巖溶塌陷情況，可采取回填法、夯實法、跨越法，注漿法等工藝進行治理[1￣3]。本文針對湖南省寧鄉縣煤炭壩鎮磚塘村洪山咀組巖溶塌陷治理工程進行注漿機理、注漿工藝及效果的探討。

1 塌陷區水文地質條件

1.1 地形地貌

塌陷區位于寧鄉縣煤炭壩鎮磚塘村(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 區域地層

區域內地層出露較齊全，地槽、地臺、地洼構造層均有發育。根據本次勘查結果，結合區域地質資料，塌陷區地層為第四系和二迭系下統茅口組(P1m)地層，自上而下依次為含礫粉質粘土、粉質粘土、中風化灰巖。

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

(2) 粉質粘土(Qdel)：棕紅色，流塑，主要成分以粘、粉粒為主，韌性較高，干強度較低，為高壓縮性土，鉆進較快。該層僅在部分鉆孔區域有揭露，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) 中風化灰巖(P1m)：灰色，中風化，隱晶質結構，中厚層狀構造，節理裂隙較發育，裂隙面可見鐵錳質浸染及方解石脈充填，巖芯多呈短柱狀，少量碎塊狀，節長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 地質構造

本塌陷區及其周邊未見基巖出露，本塌陷區位于煤炭壩復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。該斷層距塌陷區較遠，對塌陷區影響小。

1.4 地震與新構造運動

根據區域地質資料，本區未發現具繼承性的活動性斷裂構造，新構造運動主要表現為區域整體緩慢抬升為主。

據歷史地震記載，寧鄉曾發生18次地震，但震級小，破壞性小。根據《中國地震參數區劃圖》(GB18306-2015)，區內地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，對照原地震基本烈度值相當于6度區。

1.5 地下水

(1) 含水層為二迭系(P1m)灰巖巖溶水含水層組，地層巖性為灰巖，據區域資料最大厚度達200 m，溶蝕洞隙發育，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，一般由含礫粉質粘土及粉質粘土組成，該層含孔隙水，富水性較弱，為相對隔水層。

(3) 塌陷區域地下水的補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，由于塌陷區東南側為煤礦開采區，導致地下水向采空區徑流，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，采深達到350 m水平，水位降深達417 m，平均排水量11727 t/h；由于礦山長期疏排地下水，導致該地下水位大幅度降低，同時地下水降落漏斗范圍也增大，如1980年為300 m2，2007年擴大到510 m2。

2 注漿機理

注漿(Injection Grout)是指將一定注漿材料配置成漿液，用壓送設備將其灌入地層或縫隙內使其擴散、膠凝或固化，以達到防滲或加固地層的目的。根據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，注漿產生的壓力也隨著升高。由注漿壓力、地質條件、作用機理、運動形式及替代方式，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。根據地質地層情況和設計要求，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，為了保證土體結構穩定性，會在地層中灌入非常濃的漿液，漿液在一定應力作用下形成球體或圓柱體漿泡，使周圍土體受到擠壓，進而產生塑性變形(見圖1)。壓密注漿壓力持續增大時，漿液在粘土中的擴散大概包括三個階段，壓濾階段，壓密階段，劈裂階段。當注漿壓力小于起劈壓力且水泥顆粒無法透過土體時，主要在土體中心形成漿泡，通過壓密作用使土體的密實度提高。隨著注漿壓力增大，當注漿壓力大于起劈壓力時，沿著土體較薄弱面產生裂隙，漿液進入裂隙并擠壓周圍土體，提高土體密實度，同時漿脈通過加筋效應，提高土體強度[4￣5]。

圖1 壓密注漿

3 工程概況

寧鄉縣煤炭壩鎮磚塘村洪山咀組發生地面塌陷，據調查表明，本塌陷區共分布1個巖溶塌陷坑。塌陷坑大致呈圓形，形成一個直徑約13.6 m、深約5.0 m的大坑，坑壁近直立，坑內積水，相應水位標高為65.8 m，塌陷面積125 m2，為土洞型塌陷。該塌陷坑導致該村道不能通行，同時嚴重威脅西側村民房屋及出行安全。

3.1 工程地質條件

綜合鉆探和調查結果，塌陷區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粘土及粉質粘土，下伏二迭系灰巖。塌陷區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°；東南為煤炭壩復式向斜的西北端，北東向斷層發育。但斷層距塌陷區較遠，對塌陷區影響小。塌陷區未見大的斷裂構造及次級斷層，地質構造簡單。主要巖土參數指標見表1。

表1 巖土參數建議值推薦

3.2 水文地質特征及評價

塌陷區地下水主要為松散巖類孔隙水和巖溶水，根據水質分析結果，按《巖土工程勘察規范》(GB50021—2001)有關水質評價標準判定：該區水質對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性。

3.3 巖溶塌陷形成機理

綜合塌陷區巖溶塌陷的形成條件、巖溶塌陷發育的動力因素、影響巖溶塌陷的自然因素和人為因素等，塌陷區巖溶塌陷的形成機理為：在自然因素和人為因素的共同影響下，塌陷區地下水活動加劇，地下水動力作用加強，首先，覆蓋層下發育的巖溶洞、隙在地下水的溶蝕、潛蝕、搬運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，受巖溶洞、隙產生的負壓吸蝕作用，覆蓋層底部塌落，在巖溶水對塌落物質的不斷搬運和孔隙水補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展，當又一次地下水位下降時，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，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，但不能繼續承受覆蓋層浸潤增濕增加的重量或雨水下滲產生的滲透壓力而垮塌至地面時，形成地面塌陷。

3.4 巖溶塌陷預測

塌陷區塌陷體、土洞及塌陷坑壁不穩定，可能出現塌陷體擴大及本次調查區外未發現的土洞發生新的塌陷，塌陷區巖溶塌陷危險性大。

4 注漿治理

根據現場踏勘和治理工程勘查報告，本設計確定處理的內容如下：

(1) 對塌陷坑進行回填平整；

(2) 對塌陷坑范圍進行進行壓密注漿加固；

(3) 在塌陷坑北側修建擋墻，加固路基，修建水溝，恢復排水；

(4) 修復16.2 m村道，恢復村道行人、通車的功能。

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

4.1 注漿工藝

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

(2) 灌漿采用通長一次注漿，分兩序進行。

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

(4) 根據設計要求和現場情況,水灰比采用由稀至濃的原則，采用0.45～0.65與0.7～0.9兩個比級進行，以吸漿量75 L/min的限量法變換漿液濃度。

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

圖2 鉆孔布置

4.2 注漿流程

施工順序為塌陷坑回填(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；

(5) 修復村道：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

對寧鄉縣煤炭壩鎮磚塘村洪山咀組地面塌陷進行壓密注漿，通過在注漿區域設置8個簡易沉降觀測點，施工過程中一號和二號監測點沉降量較大分別達到33 mm和25 mm，其余各點沉降量均小于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行觀測，施工過程中未發生斷裂。通過施工完成后一個月的監測，沉降量最大1號點和2號點不足2 mm，小于0.06 mm/d，認為沉降已初步穩定，達到設計要求，確保了道路的安全通行，保障了當地村民的住房安全。

圖3 注漿工藝流程

5 結論與建議

對地面塌陷區進行水泥漿液壓密注漿，塌陷區已有效充填和封堵，且達到了加固效果，消除了地質災害隱患，達到了治理效果，具有良好的社會、經濟效益。但實際施工過程中與設計有一定的出入，尤其是注漿量的大小。因此在治理地面塌陷過程中地質補勘必不可少，實行動態設計，施工過程及時調整設計方案和施工方案，在此基礎上可更好的控制注漿量和注漿效果，使得治理工程更經濟合理。

[1]巖土注漿理論與工程實踐協作組.巖土注漿理論與工程實踐[M].北京：科學出版社，2001.

[2]張聯志.水泥-粉煤灰-黏土漿液配比優化及室內注漿試驗研究[D].湘潭:湖南科技大學，2014.

[3]葛家良，陸士良.注漿模擬試驗及其應用研究[J].巖土工程學報,1997,19(3)：28￣33.

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

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

張聯志(1988-)男，江蘇沛縣人，碩士，中級工程師，主要從事地質災害治理工程勘查和設計工作,Email:1269798059@qq.com。