钟祥市双河镇斑竹村岩溶地面塌陷灌浆治理效果分析

王　安, 崔　君

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳　441002)

0　引言

钟祥市双河镇斑竹村岩溶地面塌陷自1998年发育至今已有十多年,由于地面塌陷区下覆的岩性主要为可溶的碳酸盐岩,岩体破碎,构造发育,加之多年来人类过量的开采地下水资源,导致了地面塌陷。部分居民因地面塌陷而搬迁,尤其是近三四年来,塌陷发育更为严重,塌陷坑群连成一片成为本区的发展趋势,并且塌陷坑群距离207国道仅20 m，严重危害人民生命财产安全，已成为亟待解决的问题。

1　岩溶地面塌陷区基本概况

湖北省钟祥市斑竹治理区地处钟祥市西北面,距离钟祥市区约33.7 km,南距荆门市约36 km,北距襄阳市约76 km,行政区隶属钟祥市(县级市)双河镇斑竹村管辖,治理区地理坐标为:东径112°17′41″,北纬31°20′32″。治理区内贯穿207国道,交通十分便利。

岩溶塌陷区处于鄂中丘陵与江汉平原的过渡区,属构造侵蚀岗丘地形,总体呈近南北向展布的沟谷与岗丘形成汉江三级基座阶地。沿东西方向,地形呈波状起伏、岗垅相间,地势总体上呈现为北西高东南低。区内岗顶地面高程一般在110～120 m,岗顶宽缓,一般宽度多在200～300 m。而沟谷高程多在70～90 m,谷底平缓,谷宽多为300～500 m。

岩溶塌陷内分布地层主要为第四系、上第三系、下第三系—白垩系和震旦系,其中上第三系和震旦系的岩性主要为可溶的碳酸盐岩,为岩溶发育奠定了物质基础。

2　岩溶发育特征及塌陷成因分析

2.1　岩溶发育特征

岩溶地面塌陷区主要发育震旦系上统灯影组白云岩、构造角砾岩,构造非常发育,岩石的可溶性强,存在大量的岩溶洞穴、管道,为塌陷的发生和发展提供了空间。根据岩溶地面塌陷区地质环境条件和该区地质灾害类型、现状等,结合地质灾害易发区划分的标准,目前可将岩溶地面塌陷区划分为地面塌陷地质灾害高易发区、中易发区、低易发区三个区(表1)。

2.1.1高易发区(Ⅰ)

地质灾害高易发区分布于岩溶地面塌陷区的中部,207国道两侧,平面上略呈四边形,南北长约780 m,东西宽约700 m,面积约为0.27 km2,占总面积3 km2的0.09%。该区处于沟谷洼地,遭受人类工程活动影响强烈,地下水位年变化幅度大、变化速率快,上覆土层厚度一般在3～4 m,下覆基岩为震旦系上统灯影组(Z2dn)的白云岩、构造角砾岩,岩溶发育,物探推断地下隐伏有2条岩溶管道,9个钻孔揭露岩溶的见洞率为100%,溶洞顶板厚度远远不能满足溶洞顶板坍塌自行填塞硐体所需的厚度,稳定性差,目前分布有10个塌陷坑(多数坑内见有溶洞),其塌陷仍将进一步扩展。该区塌陷地质灾害发生密度大,危害对象主要为居民、村庄、农田和通讯光缆、207国道基础设施等。

表1　地质灾害易发程度划分表Table 1　Division table of easy-happening degree of geological hazards

图1　207国道两侧塌陷坑分布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.勘查钻孔。

2.1.2中易发区(Ⅱ)

中易发区主要分布于岩溶地面塌陷区的北部,向北未封闭,圈定的面积约为2.13 km2,占总面积的71.0%。该区遭受人类工程活动影响强烈,地下水出现了大幅下降,下降后的地下水位变幅减小。该区下伏基岩为震旦系上统灯影组(Z2dn)的白云岩,岩溶发育,溶洞规模较大,溶洞顶板厚度不能满足溶洞顶板坍塌自行填塞硐体所需的厚度,稳定较差,虽然目前未出现地面塌陷,但今后存在有产生塌陷地质灾害的可能性,地质灾害直接危害对象主要为村庄、农田。

2.1.3低易发区(Ⅲ)

地质灾害低易发区主要分于岩溶地面塌陷区南部地带,向南未封闭,面积约为0.6 km2,占总面积的20.0%,下伏基岩为上第三系掇刀石组的泥灰岩及下第三系—白垩系紫红色砂岩,岩溶发育于泥灰岩中,岩溶发育程度相对较弱,溶洞规模较小,溶洞顶板厚度可以满足溶洞顶板坍塌自行填塞硐体所需厚度,该区现状地质灾害发育程度较低。

2.2　岩溶塌陷成因分析

岩溶地面塌陷区地层主要为可溶的碳酸盐岩,构造和岩体节理裂隙极为发育,主控构造为北北西向深大压扭性断裂和伴生的张扭性断裂构造,受区域构造和节理裂隙控制,区内岩层产状变化大,层间挤压错动强烈,岩体极为破碎,致使区内沿断裂带地段地下水富集,地下水径流作用携带走溶隙、溶孔、溶洞中的大量细颗粒物质,也使上部覆盖层的土层物质逐渐流失,致使岩溶溶隙、溶孔、溶洞不断被潜蚀淘空、加宽、加深扩大,最终致使地表形成塌陷区。1997年随着矿山活动的加剧,地下水抽排量超过地下水允许开采量,地下水位不断下降,形成了以矿区为中心的地下水降落漏斗,影响半径约9 km,1998年出现了斑竹地面塌陷[1]。

3　岩溶地面塌陷区灌浆工程布置

对岩溶地面塌陷区进行灌浆工程治理主要达到两种目的:其一,对溶洞充填后形成充填结实体,对原空区上部掩体进行支撑,改善因岩溶形成后的围岩力学性质的变化及塌落掩体的力学形态,防止地表岩溶地面塌陷区域的蔓延、确保207国道的安全;其二,阻断岩溶水的运行通道,进而消弱或减轻碳酸盐岩溶蚀现象的发生,提高地表岩体稳定性,保护地表建构筑物和其他设施。

以两条位于207国道路面上的灌浆带为中心,共布置9条灌浆带。(图中黑色直线为灌浆带)该灌浆工程部分共分为2个灌浆序,第一灌浆序通过帷幕的方法进行,探治结合孔以-50 m控制,即而向中心推进,结合一序探孔资料,钻孔深度以-50 m控制。钻孔最终达到整体路基加固隔水的效果。整个工程均配合207国道路面维修工程,将分区分序分阶段进行工程灌浆,确保207国道的安全畅通。

第一序灌浆全部为探治结合孔,共分为3个阶段：第一阶段灌浆工程共布置了96个钻孔,孔深50 m,排距6 m,孔距28 m。第二阶段灌浆工程同样布置了96个钻孔,孔深50 m,排距6 m,孔距28 m。与第一阶段探知结合孔组合孔距为14 m。第三阶段灌浆工程同样布置了183个钻孔,孔深50 m,排距6 m,孔距14 m。与第一、二阶段探知结合孔组合孔距为7 m。最终达到帷幕施工方法的效果。

第二序灌浆孔同样分三个阶段：第一阶段布置了78个灌浆孔，第二阶段布置了78个钻孔,第三阶段布置了234个灌浆孔。布置方法与第一序灌浆工程一致,排距6 m,孔距7 m。

图2　灌浆工程平面布置示意图Fig.2　Schematic diagram of grouting engineering layout1.注浆工程；2.回填工程；3.；回填工程；4.河床整治工程；5.排水渠；6.岩溶发育区；7.控制点；8.施工控制点；9.第一序第1阶段注浆孔位置及编号；10.第一序第2阶段注浆孔位置及编号；11.第一序第3阶段注浆孔位置及编号；12.第一序验证孔位置及编号；13.第二序第1阶段注浆孔位置及编号；14.第二序第2阶段注浆孔位置及编号；15.第二序第3阶段注浆孔位置及编号；16.第二序验证孔位置及编号。

4　灌浆工程施工工艺

根据资料和调查显示,斑竹治理区共有3个岩溶发育区域,分别处于0～-7 m、-9～-15 m、-38～-50 m。其中0～-7 m和-9～-15 m采用单液水泥浆胶结充填。-38～-50 m区域由于上部岩石力学性质较好,可根据Ⅰ序探治结合孔的地质资料选择性进行单液水泥浆胶结充填。

由于该治理区岩溶发育比较复杂,仍存在许多小型、微型岩溶无法通过钻探和物探手段进行查证。故此,在物探探知范围外,仍可能存在岩溶无法进行灌浆治理,笔者只能以现有的技术资料为前提,最大限度的对潜在岩溶地面塌陷区进行治理,控制地面塌陷地质灾害的进一步发展。

通过上述分析,在重要治理范围内(207国道),将-15 m以下岩溶区进行了充填灌浆治理,平面治理范围不小于两条位于207国道路面上的灌浆带为中心外围10 m范围。

4.1　灌浆孔布置及施工顺序

4.1.1岩溶地面塌陷区充填灌浆

对于通过物探确定的岩溶地面塌陷区部位,根据公路路基灌浆加固工程实践,在灌浆压力为2.0MPa时,全采区灌浆扩散半径<6 m,但为了妥善的保证施工质量,因此本设计取4 m,则钻孔间距为7 m,排距为6 m,呈梅状交替排列,2个序段,9条灌浆带,共布设765个灌浆钻孔。对于推测的岩溶地面塌陷区采取探治结合方法,分序分段实施。

4.1.2成孔

全区采用回转、气动钻机,成孔孔径为89 mm。

4.1.3灌浆胶结

全区采用单液水泥浆进行充填灌浆。

对于全区推测岩溶发育范围,钻孔均采取一孔多用,分段进行充填灌浆固结。

4.1.4施工顺序

成孔、灌浆属于施工顺序的一部分。

(1) 治理207国道推测岩溶区:总体统设二个序段,钻孔深度以-50 m控制,采用探治结合孔进行施工,首先在每个序区段最外侧灌浆带先打64个探测孔,进行灌浆、压水试验,确定岩溶发育参数后,则灌浆充填范围向中心扩展,探测孔技术要示按水文地质和工程地质勘察规范执行。

(2) 勘查期间物探探测异常区:沿推测岩溶区范围布设警示牌及护栏。

4.2　灌浆方法

由于岩溶区中大部分空洞的充填情况未知,在钻孔钻进过程中,应尽可能查明岩溶区空洞的充填状况,做到充填灌浆时有的放矢。

水泥浆直接注入,水灰比采取0.75∶1,吸浆量较大时可根据具体情况适当加入速凝剂。

当灌浆压力>2.0 MPa,泵量<1 L/min,且稳定15～30 min,即可结束灌浆。

灌浆过程中,如塌陷坑内或其他地区出现冒浆现象,由于不便现场封堵(或吸浆量不见减小),可采取分二步走的形式进行处理,即第一步,间歇式灌浆;第二步,加入3%～5%的水玻璃速凝;根据现场情况,也可以二种堵漏方法交叉、混合使用,至停止冒浆。

4.3　充填灌浆配比与终压标准

4.3.1灌浆材料选择

灌浆材料的选择应因地制宜,尽可能节约成本。岩溶区充填灌浆材料采用单液水泥浆,水泥选用P.O32.5型;为控制浆液的扩散范围及防止塌陷坑内冒浆,可加入一定比例的水玻璃作为速凝剂,水玻璃模数2.4～3.0,浓度30～45波美度。

4.3.2浆液配比

单液水泥浆的水灰比分为0.75∶1,单液水泥浆应用于基岩表面岩溶发育带充填灌浆,以及灌浆结束前灌浆。

水玻璃的用量为水泥重量的3%～5%,水玻璃加入浆液中,目的是防止冒浆或在物探资料推测的岩溶区钻孔底部充填灌浆时控制浆液的扩散范围。

4.3.3灌浆终压标准

(1) 在岩溶区充填灌浆末期,泵压逐渐升高,当灌浆压力>1.0 MPa,泵量<1 L/min,且稳定15～30 min,作为最终灌浆结束标准[2]。

(2) 在蜂窝状岩溶发育带,当灌浆压力达到2～5 MPa,泵量<1 L/min,且稳定30 min以上,作为最终灌浆结束标准。

(3) 在第四系覆盖层灌浆时,当压力达到0.2～0.5 MPa,且泵量<1 L/min,或地表出现大面积冒浆时,可作为最终灌浆结束标准。

4.4　岩溶充填量和灌浆量统计

根据勘查期间灌浆试验,统计本工程灌浆量为1.15 m3/延米。

5　灌浆工程效果分析

5.1　灌浆量分析

第一序第1阶段单孔最小灌浆量50.53 m3,单孔最大灌浆量396.56 m3,单孔平均灌浆量88.2 m3。验证孔平均灌浆量61.35 m3。

第一序第2阶段单孔最小灌浆量45.43 m3,单孔最大灌浆量216.37 m3,单孔平均灌浆量76.4 m3。验证孔平均灌浆量49.80 m3。

第一序第3阶段单孔最小灌浆量44.42 m3,单孔最大灌浆量166.75 m3,单孔平均灌浆量63.9 m3。验证孔平均灌浆量1.52 m3。

第二序第1阶段单孔最小灌浆量47.43 m3,单孔最大灌浆量104.38 m3,单孔平均灌浆量61.0 m3。验证孔平均灌浆量43.26 m3。

第二序第2阶段单孔最小灌浆量45.38 m3,单孔最大灌浆量78.94 m3,单孔平均灌浆量55.6 m3。验证孔平均灌浆量36.55 m3。

第二序第3阶段单孔最小灌浆量30.12 m3,单孔最大灌浆量79.16 m3,单孔平均灌浆量48.5 m3。验证孔平均灌浆量1.28 m3。灌浆量统计见表2。

表2　阶段灌浆量对比表Table 2　Comparison of stage grouting volume

灌浆量统计表明:随着灌浆孔间距减小,灌浆量也逐渐减小,每一序第3阶段灌浆完成后,验证孔灌浆已十分小了,灌浆施工效果明显。

5.2　注、压水试验成果分析

施工过程中对第一序第1阶段32个钻孔进行了118段次注水试验,平均渗透系数为4.89 m/d。对第一序第2阶段32个钻孔进行了119段次注水试验,平均渗透系数为2.47 m/d。

第一序第1阶施工了2个验证孔,进行了8段次注水试验,最小渗透系数为0.44 m/d,最大渗透系数为3.47 m/d,平均渗透系数为2.24 m/d。

第一序第2阶施工了2个验证孔,进行了8段次注水试验,最小渗透系数为0.47 m/d,最大渗透系数为2.47 m/d,平均渗透系数为1.67 m/d。

第一序第3阶施工了4个验证孔,进行了12段次压水试验,最小透水率为3.28 Lu,最大透水率为8.93 Lu,平均透水率为5.79 Lu。对应最小渗透系数为0.023 m/d,最大渗透系数为0.074 m/d,平均渗透系数为0.044 m/d。

第二序第1阶施工了2个验证孔,进行了8段次注水试验,最小渗透系数为0.41 m/d,最大渗透系数为2.25 m/d,平均渗透系数为1.56m/d。

第二序第2阶施工了2个验证孔,进行了8段次注水试验,最小渗透系数为0.81m/d,最大渗透系数为2.34 m/d,平均渗透系数为1.57 m/d。

第二序第2阶施工了4个验证孔,进行了12段次压水试验,最小透水率为2.18 Lu,最小透水率为6.60 Lu,平均透水率为4.21 Lu。对应最小渗透系数为0.016 m/d,最大渗透系数为0.051 m/d,平均渗透系数为0.030 m/d。

注、压水试验数据对比见表3。

表3　注、压水试验数据对比表Table 3　Comparison of data of water injection,pressure test

注、压水试验结果表明:随着灌浆孔间距减小,岩石渗透系数也逐渐减小,每一序第3阶段灌浆完成后,岩石渗透系数已相当小了,施工达到了灌浆施工技术规范要求中所规定的限值。

5.3　钻孔取芯验证分析

在部分灌浆孔及验证孔岩芯裂隙及溶孔中见到水泥充填,局部见到较为完整的柱状水泥芯(照片1-照片4)。

本工程岩溶地面塌陷区地层主要为可溶的碳酸盐岩,岩体极为破碎,岩溶洼谷、洞穴也极其发育,良好的地下水径流、排泄条件,携带走溶隙、溶孔、溶洞中的大量细颗粒物质,致使岩溶溶隙、溶孔、溶洞不断被潜蚀淘空、加宽、加深扩大,加之矿山活动的加剧,地下水抽排量超过地下水允许开采量,地下水位不断下降,针对这些特点,采用压力灌浆加固法方案最适宜本工程[3](照片5)。

6　结语

本工程所处区域岩溶发育,加之过量抽排地下水资源,诱发了地面塌陷,而地面塌陷具有不可预见性、突发性,易在民众中产生恐慌。当发现地面塌陷时,应以抢险为先,后采用加固措施治理,详细制订和实施压力灌浆加固法方案。

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

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

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

照片4　验证孔返水Photo 4　Verifying the water return of the borehole

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

在施工过程中根据实际情况、在不同的部位采取不同的施工工艺、灵活地运用灌浆技术参数,解决了施工中遇到的各种问题和困难,通过注、压水试验成果、灌浆量、钻孔取芯验证与效果监测资料的分析,本工程注浆效果达到了设计目的,消除了潜在地质灾害隐患,监测显示207国道及周边设施在施工结束后运转顺畅,具有良好的经济效益和社会效益。

地下水的剧烈活动是导致岩溶塌陷的主要因素,类似工程应注意防止人类活动对地下水环境的破坏。

参考文献：

[1]马国彦,常振华.岩体灌浆排水锚固理论与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[2]DL/T5148—2012,水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

[3]陈鑫,魏宝华,余大炉,等.湖北省钟祥市2010年度矿山地质环境治理项目(斑竹治理区)设计方案[R].北京:北京宝地益联地质勘查工程技术有限公司,2011.