鉆孔注漿施工工藝在巖溶塌陷地質災害防治工程中的應用

［關鍵詞］鉆孔注漿；巖溶塌陷；地質災害防治

1. 研究區概況

1.1氣象、水文

研究區地處北亞熱帶濕潤季風氣候區，四季分明，雨水充沛，氣候溫和，光照充足。降雨量豐富，年最大降水量2294.2 mm（1954年），年最小降水量796.0 mm（2006年）。年平均氣溫16～17℃，7～8月氣溫最高（平均27.6～28.4℃），12月至翌年2月氣溫最低（平均3.6～5.9℃）。多年平均無霜期為239天，多年平均降雪10.6天，最大降雪深度20 cm，多年平均冰凍期86天。多年平均蒸發量1319.8 mm。

研究區位于長江中下游北岸，屬長江流域皖河水系。區內地表水體發育，較大的水系為月山河。月山河位于勘查區的南部，自西向東流入石門湖，最后流進長江。月山河水位平均標高13.19 m，最高洪水位標高可達17.5 m，洪水期最高洪水位可達到潘家老屋東南部一帶。月山河的支流主要有馬鞍山河（流經勘查區東北部），馬鞍山河自安慶銅礦經馬山口由北向南流入月山河，馬鞍山河流量變化大，豐水期強降雨時，常淹沒兩側農田，旱季枯水季節甚至斷流（天然狀態下）。受安慶銅礦疏干降水的影響，馬鞍山河的河床曾多次出現塌陷坑，河水直接通過塌陷坑灌入礦坑[1]。

1.2工程地質條件

研究區內分布的前第四系地層主要為三疊系中下統，三疊系下統的和龍山組（T₁h）、殷坑組（T₁y）分布于勘查區的南部外圍，與本次治理的巖溶塌陷關系不密切，本次著重介紹三疊系的南陵湖組（T₁n）、月山組（T₂y）和銅頭尖組（T₂t）。

①三疊系下統南陵湖組（T₁n）：廣泛分布于研究區內，區內大部為第四系地層所覆蓋，僅在治理查區外圍的月形山、西馬鞍山及洞山一帶出露，巖性主要為灰、青灰色薄～中厚層灰巖，由于受動力變質作用的影響，局部變質為白色薄～中厚層大理巖。

②三疊系中統月山組（T₂y）：主要分布于研究區外圍的北部，在東、西馬鞍山一帶出露，出露面積小，按其巖性特征分為三個巖性段：下段（T₂y¹）：巖性主要為灰～灰白色薄層、中厚層白云質大理巖，厚60 m；中段（T₂y²）：巖性主要為紫紅、棕黃色角礫狀大理巖，膠結物具明顯的層理，厚52 m；上段（T₂y³）：上部巖性主要為灰、紫灰、青灰色雜色粉砂巖，下部為黃綠色鈣質粉砂巖夾不純的大理巖，厚43m。

本組地層與下伏地層呈整合接觸。

③三疊系中統銅頭尖組（T₂t）：在研究區外圍的北部出露，巖性可分為上、下兩部分。上部以灰紫、紫紅色粉砂巖為主，夾細砂巖、砂質頁巖及透鏡狀細礫巖、含銅粉砂巖透鏡體，局部粉砂巖具綠簾石化；下部以紫紅色粉砂巖為主，夾砂質頁巖，透鏡狀細礫巖、灰綠色含銅粉砂巖透鏡體，泥質含量高。本組地層與下伏地層呈整合接觸。

研究區內分布的第四系地層：①第四系上更新統（Q3dpl）主要分布于丘陵坡麓地帶，成因類型為坡洪積。在東馬鞍山河谷以西，巖性主要為棕黃、棕紅色粉質黏土、黏土；東馬鞍山河谷以東，巖性主要為棕紅色含碎石黏土。厚度變化較大，厚2～18.5 m。②第四系全新統（Q₄^apl）主要分布于月山河及其支流的河漫灘，成因類型為沖洪積。在月山河谷地帶，厚度在3.50～6.00 m之間，其巖性一般上部為灰黃、褐黃色粉質黏土，厚1.00～3.00m，中部為中粗砂、細砂，厚0.50～2.00 m，下部為礫卵石，厚2.00～3.00m。東馬鞍山河馬山口內厚度在10.00～18.00 m之間，巖性主要為礫卵石，馬山口外厚度在5～9.00 m之間，巖性一般上部為灰黃粉質黏土，厚1.00～3.00 m，下部為碎石土，厚2.00～3.00 m。

1.3水文地質條件

1.3.1地下水含水巖組

研究區位于月山河谷水文地質單元。北部為月形山、東西馬鞍山的丘陵地區，分布富水性弱～極弱的碎屑巖和巖漿巖裂隙含水巖組和富水性中等～強碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。南部為月山河谷，上部為富水性弱至中等的第四系松散巖類孔隙含水巖組，下部為富水性中等的碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。研究區內碳酸鹽巖裂隙巖溶水分布廣泛，主要由三疊系中、下統月山組（T₂y）和南陵湖組（T₁n）組成。

三疊系中月山組中段（T₂y²），巖性為角礫狀大理巖，巖性特點是原生晶洞發育，由于晶洞彼此之間往往連通，為地下水活動提供了良好的空間，該組巖溶發育較均勻，成層性特征明顯。巖溶形態以小溶孔、溶蝕裂隙為主，局部有溶洞。鉆孔單位涌水量q＝0.154～1.226L/s·m，滲透系數K＝0.214～1.204m/d，富水性中等—強。

三疊系下統南陵湖組（T₁n），巖性為灰巖、大理巖，巖溶發育，巖溶形態有溶洞、溶孔、溶蝕裂隙。巖溶分布不均勻，分布特點是：淺部較深部發育，呈水平帶狀分布。鉆孔單位涌水量q＝0.0054～1.226 L/s·m，滲透系數K＝0.0033～1.32 m/d，富水性中等～強。該含水巖組為銅礦礦體直接頂板，厚度大、分布廣，補給條件好，是礦區最主要直接充水含水巖組[2]。

1.3.2地下水補給條件

本區地下水主要是大氣降水補給，其次為地表水補給地下水。在天然狀態下，降水入滲，垂向補給丘陵地區的裂隙巖溶含水巖組、基巖裂隙含水巖組與第四系覆蓋區的孔隙含水巖組。后者間接補給下伏的裂隙巖溶含水巖組和基巖裂隙含水巖組。

銅礦礦道排水狀態下，地下水的補給仍以大氣降水為主，局部地段增加地表水（河水）及巖溶塌陷坑的倒灌。礦道排水量的變化、降水量與天然狀態下的地下水動態一樣，呈同步關系，枯水季節排水量小，而豐水期排水量大。同時，由于地表塌陷，河水倒灌，形成排水量高異常峰值。（銅礦礦道位于研究區正北部，最近距離約600 m，圖1）

1.3.3地下水徑流條件

天然狀態下，地下水的徑流與地表水一致，分別由研究區的北部流向南部的月山河，地下水徑流緩慢。

銅礦礦道排水狀態下，地下水徑流局部改變為流向礦坑，地下水的徑流速度加大。目前已形成了以銅礦礦道為中心的降落漏斗，并向東南方向、正南方向和西南方向擴展相對穩定的降落漏斗。降落漏斗總體形態呈北西向和北東向的帶狀，受北西向月山組層狀巖溶發育構造帶、北東向巖體接觸帶，以及裂隙巖溶發育帶、富水帶的控制。

1.3.4地下水排泄條件

研究區地下水的排泄與區內地下水的徑流場變化特征一致，包括銅礦礦道排水和自然排泄，銅礦礦道排水與開采情況關系密切。

2. 研究區巖溶塌陷地質災害特征

巖溶塌陷的形成需要具備三個基本條件，即①發育有淺層開口巖溶洞、隙的可溶巖；②分布有一定厚度的松散覆蓋層；③易于改變的地下水動力條件。巖溶塌陷的形成是巖溶洞隙、覆蓋層和地下水構成的系統在多種因素影響下表現出來的失穩過程?？扇軒r地層溶蝕形成的洞隙為地面塌陷造成了空洞，第四系松散層是地面塌陷的運移物質，地下水的運動是地面塌陷發生的條件[3]。

地下巖溶形態主要為溶洞及溶蝕裂隙，根據近期完成的勘查成果，區內施工的30孔就有20個鉆孔揭露有溶洞，溶洞總數為39個，總高度為91.9 m，鉆孔遇洞率達66.70%，單個鉆孔揭露溶洞一般1～2個，個別達4個，近一半的鉆孔揭露溶洞呈串珠狀分布，溶洞大小不一，洞高0.2～11.6 m，以洞高0.5～2.0 m最為常見，其充填特征呈現自淺至深，溶洞由全充填至無充填均有分布。巖溶發育特征與深度緊密相關，經統計分析，溶洞主要分布在地下15 m以上，勘查鉆孔揭露分布在15m以上的溶洞26個，占66.67%，15 m以上溶洞高度為70 m，占總高度的76.17%。在淺部25 m以上，鉆孔線巖溶率一般在10%～30%之間，個別孔達72.38%以上，平均鉆孔線巖溶率19.95%。

根據前期勘查成果，區內巖溶發育程度分為三個等級，巖溶強烈發育區、巖溶中等發育區、巖溶弱發育區。潘家老屋及以西地區為巖溶強烈發育區，潘家老屋以北和宣家屋地區為巖溶中等發育區，宣家屋以西地區為巖溶弱發育區（圖2）。

3. 研究區巖溶塌陷危害及分布

3.1巖溶塌陷的分布規律

巖溶塌陷在空間上分布主要受巖溶發育程度及地下水動力條件變化特征的制約，根據本地區多次工作成果，本次勘查區范圍內巖溶塌陷發育的強度以潘家老屋及以西地區最大，區內塌陷坑的數量占勘查區內總數的70.2%。潘家老屋以北和宣家屋地區巖溶塌陷也較發育，宣家屋以西地區巖溶塌陷零星發生。而巖溶發育特征主要與地層巖性、地質構造、地形地貌、水力條件相關。

3.2巖溶塌陷的危害

勘查區巖溶塌陷地質災害破壞了建筑、交通和農田土地，威脅人民生命財產安全，并且惡化環境，造成了嚴重的經濟損失和社會影響，其危害包括地面塌陷引起的破壞損失及地下水位的下降引起的損失，主要表現在以下幾個方面：毀壞農田、損壞房屋、巖溶塌陷造成河流斷流，增加礦山排水成本，地下水位下降引發民井、地表水體干涸。

由于對巖溶地下水的排采（礦山采礦排水及供水井），地下水位下降，排水漏斗內泉水干涸，水塘、民井水位降低至干涸，導致部分水稻田漏水改為旱地，另外，農田供水的不足也影響部分耕地收成。地下水位還導致村莊居民飲用水困難。宣家屋北西側的宣灣水庫，1995年之前還可供其下游的水田灌溉，由于水庫蓄水減少，不能滿足需要，現下游的水田改為旱地。

3.3巖溶塌陷的發展趨勢預測評價

在安慶銅礦目前開采情況下，礦坑疏干排水降落漏斗處于階段性相對穩定狀態，并隨降雨周期性波動，降落漏斗內的地下水位隨降雨變化而變化，每年枯季水位降低，雨季水位升高，周期性變化[4]。

根據巖溶塌陷的形成條件與影響因素以及安慶銅礦井下、地表等治理工程效果分析，區內仍具備巖溶塌陷產生的基本條件，今后區內巖溶塌陷的發展趨勢及影響范圍主要與區內地下水水動力條件變化因素緊密相關。在現有開采設計范圍內，勘查區地下水流場相對穩定，巖溶塌陷的范圍仍基本保持在現狀巖溶塌陷范圍內。遇特大干旱年份或礦山大的突水事件，巖溶塌陷的范圍將隨著安慶銅礦地下水流場外擴向外圍擴展。

根據前述分析結果，現狀區內地下水在降落漏斗邊緣地帶以及外圍趨于自然狀態，未來可能引起區內及周邊地下水動力條件發生改變的因素主要為大氣降水、河水位的波動變化等，巖溶塌陷發生的主要時間段為地下水快速上升以及下降期；在降落漏斗內因受安慶銅礦疏干排水影響，地下水位波動變化較大，仍是巖溶塌陷易發生的重點地帶，全年均有可能發生。

3.4巖溶塌陷易發區評價

巖溶塌陷一般發生在淺覆蓋型巖溶區，其發生與巖溶發育程度、松散層厚度、地下水動力條件密切相關。巖溶發育程度越高，松散層越薄則其發生的可能性越大，反之則可能性越小。地下水動力條件變化越強烈，則其發生的可能性越大。根據前期勘查報告成果，將本巖溶塌陷地質災害分布區易發程度分為地質災害高易發區、中易發區、低易發區、不易發區。具體為：潘家老屋及以西地區高易發區；潘家老屋中北部中易發區；宣家屋及其西部、南部中易發區；潘家老屋東部中易發區；潘家老屋西北部、宣家屋東北部低易發區；宣家屋低易發區。

巖溶塌陷危險性等級的劃分根據上覆松散層特征、下伏地層巖溶發育程度、地下水動力條件、巖溶塌陷的發育程度及威脅對象綜合考慮。通過對區內的巖溶塌陷活動程度及損失特征的綜合分析，控制區內巖溶塌陷的主要條件為區內地下水水位波動變化結合巖溶發育程度和第四系蓋層的特征，威脅對象作為危險性等級劃分的主要依據。分為6個巖溶塌陷危險性大區，1個巖溶塌陷危險性中等區，1個巖溶塌陷危險性小區，1個非巖溶塌陷區：潘家老屋東南部吳福云戶巖溶塌陷危險性大區（Ⅰ1）、潘家老屋南部祠堂周邊巖溶塌陷危險性大區（Ⅰ2）、潘家老屋西部巖溶塌陷危險性大區（Ⅰ3）、潘家老屋中西部巖溶塌陷危險性大區（Ⅰ4）、潘家老屋東北部巖溶塌陷危險性大區（Ⅰ5）、宣家屋巖溶塌陷危險性大區（Ⅰ6）、潘家老屋中部巖溶塌陷危險性中等區（Ⅱ）、潘家老屋中部巖溶塌陷危險性小區（Ⅲ）、巖溶塌陷無危險性區（Ⅳ）。

4. 鉆孔注漿工程布置

4.1鉆孔注漿可行性分析

根據前期勘查成果，鉆孔揭露溶洞發育頂深度1.60～28.35 m，平均12.49 m，發育底深度3.10～29.75 m，平均14.85 m。鉆孔所見39個溶洞中，埋深0～10 m的13個，占比33.33%；埋深10～15 m 的11 個，占比28.21%；埋深15～20 m 的9 個，占比23.08%；埋深20 m 以下的6 個，占比15.38%。統計結果顯示，埋深0～20 m的溶洞占比84.61%，且根據瞬變電磁物探解譯成果可知，研究區0～20 m以淺巖溶發育空間分布呈片狀、脈狀，連通性較強，20 m以深巖溶發育呈零星、單體狀，鉆探揭露溶洞高度0.8～1.5 m，洞高很小，且根據洞內的硬質充填物也可知其基本不具連通性。綜上條件綜合分析，可初步確定鉆孔注漿處理深度為15～20 m。

鉆孔注漿原理是在巖土界面及巖石中，高壓注入水泥漿封堵溶洞、溶蝕裂隙以及地下水潛蝕作用下形成的土洞、溶洞，充填土石中的裂隙，形成水平帷幕封堵地表水，以達到緩和由地表水或地下水活動而造成巖溶塌陷的目的。研究區鉆孔注漿處理深度為15～20 m，預計最大注漿壓力1.0 MPa，注漿泵流量38～90 L/min，市場上一般的鉆探設備可滿足施工工藝需求，是巖溶地區治理巖溶塌陷極為高效、經濟、普遍的做法。

4.2鉆孔注漿范圍

根據要求，本次鉆孔注漿主要目的首先是消除已發生巖溶塌陷及因地面下沉引發的房屋變形區內居民的威脅，同時對前期位于居民區內勘查鉆孔揭露有溶洞的鉆孔進行注漿；然后消除居民區內高易發區、危險性大、中等區居民的威脅。根據以上要求確定本次鉆孔注漿工程區范圍。主要以潘家老屋至馬山口的碎石道路為界，本次鉆孔注漿工程區主要位于該碎石路東南部的潘家老屋，其次為宣家屋分布的危險性大區。

4.3注漿工程布置

（1）第一階段注漿工程布置

潘家老屋東南部注漿孔具體布置（Ⅰ-1區）：該區位于潘家老屋東南部吳福云戶房屋附近，注漿處理面積352 m²，注漿孔主要布置在其東側水塘邊以及建筑物周邊，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度控制在15 m。該區共設置注漿孔10個。

潘家老屋南部祠堂注漿孔具體布置（Ⅰ-2區）：該區位于潘家老屋南部，面積813 m²，注漿工程主要布置在建筑物周邊，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度控制在20 m。該區共設置注漿孔17個。

潘家老屋西南部注漿孔具體布置（Ⅰ-3區）：該區位于潘家老屋西南部，面積513 m²，注漿工程主要布置在建筑物周邊，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度控制在15 m。該區共設置注漿孔15個。

潘家老屋中西部注漿孔具體布置（Ⅰ-4區）：該區位于潘家老屋中西部，面積1504 m²，注漿工程主要布置在建筑物周邊，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度控制在15 m。該區共設置注漿孔34個。

潘家老屋東北部注漿孔具體布置（Ⅰ-5區）：該區位于潘家老屋中西部，面積2124 m²，注漿工程主要布置在地表河流沿岸以及建筑物周邊，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度基本控制在15 m。

宣家屋注漿孔具體布置（Ⅰ-6區）：該區位于宣家屋東南部潘秉正戶周邊，面積2853 m²，注漿工程主要布置在建筑物周邊，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度基本控制在15 m。

前期揭露溶洞的鉆孔注漿：

根據前期勘察階段資料成果，對位于居民區內不在本次治理范圍內，揭露有溶洞的6個勘察孔進行注漿，注漿孔深度控制在20 m。

（2）第二階段注漿工程布置

潘家老屋東南部注漿孔具體布置（Ⅱ-1區）：該區位于潘家老屋東南部，面積約14100 m²，注漿工程主要布置在建筑物周邊以及東側靠近水渠邊，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度基本控制在15 m。該區共設置注漿孔101個。

潘家老屋東南部注漿孔具體布置（Ⅱ-2區）：該區位于潘家老屋西部，面積約16200 m²，注漿工程主要布置在建筑物周邊以及主要內部道路，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度基本控制在15 m。該區共設置注漿孔150個。

潘家老屋東南部注漿孔具體布置（Ⅱ-3區）：該區位于潘家老屋西部，注漿工程主要布置在建筑物周邊以及主要內部道路，注漿孔中心距6～7 m，根據前期勘察成果，該區內注漿孔深度基本控制在15 m（圖3）。

5. 鉆孔注漿工程設計

5.1鉆孔注漿工藝

本次鉆孔注漿的目的主要為充填淺部的溶洞和溶蝕裂隙，根據《注漿技術規程》（YS/T5211～2018）中6.1章節規定，充填注漿適用于采空區、溶洞、洞穴、土洞和裂縫等，故本次注漿工作采取充填注漿，采取孔口封閉注漿法，主要采取水泥漿，必要時采取水泥～水玻璃漿。

（1）鉆孔：本次注漿處理深度初步定為15～20 m，鉆孔均為垂直孔，開孔孔徑130 mm，鉆至基巖可適當減少孔徑，不小于91 mm，鉆進至基巖0.5 m深度，采用套管護壁。若鉆至預定深度中遇溶洞，應鉆至溶洞底板下1.0 m（圖4）。

（2）注漿材料：主要為32.5級水泥、水玻璃速凝劑38～43Be'，模數2.4～3.0。

（3）漿液配制：水泥漿液水灰比為0.8∶1～1∶1，注漿后期可適當控制在0.5∶1～0.6∶1。若遇空的巖溶通道、較大溶洞和裂隙處，視情況先灌入中粗砂或稀的水泥砂漿對溶蝕腔體進行充填。按設計要求的水灰比用高速拌漿機拌合水泥漿液。

（4）注漿壓力：注漿壓力一般基巖中不小于0.1～0.3 MPa，巖土界面逐步加大到0.3～0.5 MPa，最大1.0 MPa。施工過程中根據注漿情況調整注漿壓力，注漿泵流量采用38～90 L/min。

（5）注漿結束標準：當注漿達到下列標準之一時，可結束該孔注漿：①注漿管孔口壓力上升到0.5 MPa以上，穩定15 min。②注漿管孔口壓力未達0.5 MPa，但進漿量小于5 L/min，且持續15 min。③注漿鉆孔基巖完整，或多次注漿，孔口壓力超過1.0 MPa。④冒漿點已出注漿范圍3～5m。⑤單孔注漿量達到平均注漿量的1.5～2.0倍，且吸漿量明顯減少時，達不到上述標準時，應清孔再次注漿。

（6）漿液擴散半徑：漿液擴散半徑是注漿治理中的一項重要參數，但由于巖溶的發育在垂向及水平方向都是極不均勻的，無論是理論計算還是注漿試驗，均難以求得一個適用于整個地層的有代表性的漿液擴散半徑。根據月山同類工程注漿治理工程經驗，基巖內擴散半徑可按3.5m考慮，第四系內擴散半徑可按0.75 m考慮。

6. 施工質量檢測

本次鉆孔注漿效果檢測主要采取兩種方法，即注漿孔鉆孔取芯檢測和取芯鉆孔物探跨孔電磁波CT檢測。

（1）注漿孔鉆孔取芯檢測：采用鉆孔連續取芯，主要檢查溶洞充填物膠結情況或裂隙充填情況。取芯鉆孔數量不小于注漿孔總數的5%，設計取芯鉆孔23個，深度超過注漿深度5.0 m，設計孔深20～25 m，孔直徑不小于91 mm。注漿孔取芯鉆孔主要選擇在揭露溶洞發育、注漿量大及注漿過程中出現異常的注漿孔。

（2）取芯鉆孔物探跨孔電磁波CT檢測：電磁波CT法是利用無線電波（工作頻率1.5～32 MHz）在兩個鉆孔中分別發射和接收，根據不同位置上接收的場強，確定地下不同介質分布的一種地下地球物理勘查方法，也稱井中無線電波透視法。設計發射孔23個，接收孔23個，共14640射線。

當電磁波通過不同的地下介質傳播時，由于不同介質對電磁波的吸收存在差異，如未充填的溶洞、裂隙等的吸收系數比其圍巖的吸收系數要大得多，在未充填的溶洞、裂隙背后的場強也就小得多，從而呈現負異常，像陰影一樣，利用這一差異來推斷目標注漿體的結構和形狀，其原理與醫學CT相似。把發射機固定在鉆孔某一深度上不動而移動接收機進行測量，雙孔對發聯合反演進行CT電磁波法層析成像。

7. 結論

本文通過鉆孔注漿工程應用，成果顯著，措施效果明顯，但需要注意的是施工中對其鉆孔注漿工藝技術把控應格外注意，以防出錯影響工程質量，在最后施工質量檢測中，利用注漿孔鉆孔取芯檢測和取芯鉆孔物探跨孔電磁波CT檢測兩種方法，效果理想，圖件直觀，達到了預期的目的。