压密注浆在治理地面塌陷工程中的应用与评价

张联志

(湖南省有色地质勘查局二总队, 湖南 湘潭市 411102)

压密注浆在治理地面塌陷工程中的应用与评价

张联志

(湖南省有色地质勘查局二总队, 湖南 湘潭市 411102)

以宁乡县煤炭坝镇砖塘村洪山咀地面塌陷治理工程为工程背景，根据塌陷区的水文地质条件，提出采用压密注浆治理塌陷区。通过对注浆理论的简单分析，研究分析了压密注浆的在治理地面塌陷过程中的施工工艺和加固效果，监测结果表明注浆1个月后，地表沉降变化在允许范围之内，达到了加固的目的。

地面塌陷；压密注浆；注浆工艺；注浆效果

0 引 言

地表岩体或者土体，在自然作用或者人为活动影响下向下陷落，在地面形成凹陷、坑洞或裂缝的动力地质现象，可分为岩溶地面塌陷和采空地面塌陷。岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏，并在地面形成陷坑的岩溶地质作用和现象，简称岩溶塌陷。 岩溶塌陷的发育将会直接引起塌陷坑、地裂缝等，同时对居民住房，道路等带来损失。根据不同的岩溶塌陷情况，可采取回填法、夯实法、跨越法，注浆法等工艺进行治理[1￣3]。本文针对湖南省宁乡县煤炭坝镇砖塘村洪山咀组岩溶塌陷治理工程进行注浆机理、注浆工艺及效果的探讨。

1 塌陷区水文地质条件

1.1 地形地貌

塌陷区位于宁乡县煤炭坝镇砖塘村(原碧塘村)洪山咀组。四周地形为西北面高，为丘陵山包，海拔高程为85.7～98.6 m；北东-南西为较开阔的田垅，海拔高程为63.3～66.7 m；塌陷场地为北西向田垅与丘坡交界处的村道上，地形比较平坦，地面高程为67.00～69.00 m。在地貌上总体属湘中丘陵地带。

1.2 区域地层

区域内地层出露较齐全，地槽、地台、地洼构造层均有发育。根据本次勘查结果，结合区域地质资料，塌陷区地层为第四系和二迭系下统茅口组(P1m)地层，自上而下依次为含砾粉质粘土、粉质粘土、中风化灰岩。

(1) 含砾粉质粘土(Qdel)：褐黄、棕红色，硬塑，主要成分以粘、粉粒为主，切面稍光滑，韧性及干强度中等，土质不均，其中含约30%角砾及砂粒，粒径2～30 mm不等，砾石成分以灰岩为主，呈棱角状，表层0.2 m为砼路面。坡残积成因，该层分布于整个场地，层厚20.5～38.5 m，顶面埋深为0 m。坡残积成因。

(2) 粉质粘土(Qdel)：棕红色，流塑，主要成分以粘、粉粒为主，韧性较高，干强度较低，为高压缩性土，钻进较快。该层仅在部分钻孔区域有揭露，层厚8.3 m，顶面埋深为20.5 m，分布于本场地基岩顶面，坡残积成因。

(3) 中风化灰岩(P1m)：灰色，中风化，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙较发育，裂隙面可见铁锰质浸染及方解石脉充填，岩芯多呈短柱状，少量碎块状，节长7～30 cm，块径2～6 cm，岩体较完整，岩石属较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅲ级，RQD约55。最大控制厚度3.3 m。顶面埋深28.6～28.8 m。

1.3 地质构造

本塌陷区及其周边未见基岩出露，本塌陷区位于煤炭坝复式向斜南段次级褶皱的五贺背斜的西南端西北翼，北边有一条北东向板塘冲正断层通过。该断层距塌陷区较远，对塌陷区影响小。

1.4 地震与新构造运动

根据区域地质资料，本区未发现具继承性的活动性断裂构造，新构造运动主要表现为区域整体缓慢抬升为主。

据历史地震记载，宁乡曾发生18次地震，但震级小，破坏性小。根据《中国地震参数区划图》(GB18306-2015)，区内地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，对照原地震基本烈度值相当于6度区。

1.5 地下水

(1) 含水层为二迭系(P1m)灰岩岩溶水含水层组，地层岩性为灰岩，据区域资料最大厚度达200 m，溶蚀洞隙发育，但极不均一，地下水主要赋存在溶蚀洞隙中，富水性中等。

(2) 隔水层为第四系坡残积隔水层，一般由含砾粉质粘土及粉质粘土组成，该层含孔隙水，富水性较弱，为相对隔水层。

(3) 塌陷区域地下水的补给源主要为大气降水，地下水沿溶蚀洞隙径流，一般在沟谷下游以泉的形式排泄，由于塌陷区东南侧为煤矿开采区，导致地下水向采空区径流，矿山开采排水成为其主要的排泄方式，随着开采深度的加大，排水量增大，例如1971年采深为120 m水平，水位降深187 m，平均排水量6683 t/h；到2007年，采深达到350 m水平，水位降深达417 m，平均排水量11727 t/h；由于矿山长期疏排地下水，导致该地下水位大幅度降低，同时地下水降落漏斗范围也增大，如1980年为300 m2，2007年扩大到510 m2。

2 注浆机理

注浆(Injection Grout)是指将一定注浆材料配置成浆液，用压送设备将其灌入地层或缝隙内使其扩散、胶凝或固化，以达到防渗或加固地层的目的。根据压力大小和作用方式的不同，可将注浆划分为静压注浆和高压喷射注浆。静压注浆的压力作用通常较小，受到的阻力作用越大，注浆产生的压力也随着升高。由注浆压力、地质条件、作用机理、运动形式及替代方式，常见的静压注浆方式主要为四种：充填注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆。根据地质地层情况和设计要求，本次注浆采用压密注浆。

压密注浆主要是指在地基处理过程中，为了保证土体结构稳定性，会在地层中灌入非常浓的浆液，浆液在一定应力作用下形成球体或圆柱体浆泡，使周围土体受到挤压，进而产生塑性变形(见图1)。压密注浆压力持续增大时，浆液在粘土中的扩散大概包括三个阶段，压滤阶段，压密阶段，劈裂阶段。当注浆压力小于起劈压力且水泥颗粒无法透过土体时，主要在土体中心形成浆泡，通过压密作用使土体的密实度提高。随着注浆压力增大，当注浆压力大于起劈压力时，沿着土体较薄弱面产生裂隙，浆液进入裂隙并挤压周围土体，提高土体密实度，同时浆脉通过加筋效应，提高土体强度[4￣5]。

图1 压密注浆

3 工程概况

宁乡县煤炭坝镇砖塘村洪山咀组发生地面塌陷，据调查表明，本塌陷区共分布1个岩溶塌陷坑。塌陷坑大致呈圆形，形成一个直径约13.6 m、深约5.0 m的大坑，坑壁近直立，坑内积水，相应水位标高为65.8 m，塌陷面积125 m2，为土洞型塌陷。该塌陷坑导致该村道不能通行，同时严重威胁西侧村民房屋及出行安全。

3.1 工程地质条件

综合钻探和调查结果，塌陷区分布的地层由上往下为第四系(Q)、二迭系(P)地层。第四系地层为含砾粉质粘土及粉质粘土，下伏二迭系灰岩。塌陷区位于煤炭坝背斜中段的东南翼，核部为二迭系地层，倾角20°～40°；东南为煤炭坝复式向斜的西北端，北东向断层发育。但断层距塌陷区较远，对塌陷区影响小。塌陷区未见大的断裂构造及次级断层，地质构造简单。主要岩土参数指标见表1。

表1 岩土参数建议值推荐

3.2 水文地质特征及评价

塌陷区地下水主要为松散岩类孔隙水和岩溶水，根据水质分析结果，按《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)有关水质评价标准判定：该区水质对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。

3.3 岩溶塌陷形成机理

综合塌陷区岩溶塌陷的形成条件、岩溶塌陷发育的动力因素、影响岩溶塌陷的自然因素和人为因素等，塌陷区岩溶塌陷的形成机理为：在自然因素和人为因素的共同影响下，塌陷区地下水活动加剧，地下水动力作用加强，首先，覆盖层下发育的岩溶洞、隙在地下水的溶蚀、潜蚀、搬运作用下形成开口岩溶洞、隙；然后开口的岩溶洞、隙在地下水位下降时，受岩溶洞、隙产生的负压吸蚀作用，覆盖层底部塌落，在岩溶水对塌落物质的不断搬运和孔隙水补给岩溶水形成的潜蚀作用下，覆盖层底部形成空洞(土洞)；最后随着土洞向上发展，当又一次地下水位下降时，覆盖层失去浮托力，使覆盖层不能承受相对增加的重量而垮塌至地面时，形成地面塌陷，或者是覆盖层虽能承受因失去浮托力而相对增加的重量，但不能继续承受覆盖层浸润增湿增加的重量或雨水下渗产生的渗透压力而垮塌至地面时，形成地面塌陷。

3.4 岩溶塌陷预测

塌陷区塌陷体、土洞及塌陷坑壁不稳定，可能出现塌陷体扩大及本次调查区外未发现的土洞发生新的塌陷，塌陷区岩溶塌陷危险性大。

4 注浆治理

根据现场踏勘和治理工程勘查报告，本设计确定处理的内容如下：

(1) 对塌陷坑进行回填平整；

(2) 对塌陷坑范围进行进行压密注浆加固；

(3) 在塌陷坑北侧修建挡墙，加固路基，修建水沟，恢复排水；

(4) 修复16.2 m村道，恢复村道行人、通车的功能。

由于塌陷区覆盖层厚，下部存在软弱夹层，在塌陷坑第一次回填后，进行较高压力压密注浆，对软弱夹层及充填的块石进行固结。压密注浆治理高压注浆范围为塌陷坑外扩2 m，面积约220 m2，注浆孔按方格网布置，共布设27个注浆孔，单孔深度30～38 m(见图2)。本次治理工程共完成钻孔总进尺1404 m，注浆量总计约277 m3。本次施工要求回填块石采用机械运至现场，用挖掘机送入塌陷坑，并机械捣实；土方回填采用打夯机夯实，确保填土密实度满足设计要求。

4.1 注浆工艺

(1) 钻孔采用XY-100型钻机，开孔110 mm，终孔不小于91 mm；

(2) 灌浆采用通长一次注浆，分两序进行。

(3) 注浆压力采用2～3 MPa，在注浆压力长时间低于正常值或地面出现冒浆、周围桩孔串浆，吸浆量较大的情况下，采用间歇灌注方法进行灌注(间歇时间30～60 min)或加入速凝剂。

(4) 根据设计要求和现场情况,水灰比采用由稀至浓的原则，采用0.45～0.65与0.7～0.9两个比级进行，以吸浆量75 L/min的限量法变换浆液浓度。

(5) 灌浆结束条件：灌浆的单位吸浆量小于0.4 L/min，继续灌注20 min即可结束。

图2 钻孔布置

4.2 注浆流程

施工顺序为塌陷坑回填(第一次)→高压注浆→砌筑挡墙、水沟浇筑→塌陷坑回填(第二次)→恢复村道。

(1) 塌陷坑回填(第一次)：回填块石至67.0～69.0 m；

(2) 高压注浆：成孔→埋注浆管→注浆；

(3) 挡墙砌筑、水沟浇筑：钢筋混凝土板→砌筑挡墙→抹面；钢筋混凝土板→浇筑C20混凝土水沟；

(4) 塌陷坑回填(第二次)：分层回填黏性土，并夯实；

(5) 修复村道：回填碎石垫层→浇筑路面。其中注浆工艺见图3。

4.3 注浆效果评价

对宁乡县煤炭坝镇砖塘村洪山咀组地面塌陷进行压密注浆，通过在注浆区域设置8个简易沉降观测点，施工过程中一号和二号监测点沉降量较大分别达到33 mm和25 mm，其余各点沉降量均小于10 mm。且施工过程中对由原有塌陷引起的房屋裂缝采用贴纸法进行观测，施工过程中未发生断裂。通过施工完成后一个月的监测，沉降量最大1号点和2号点不足2 mm，小于0.06 mm/d，认为沉降已初步稳定，达到设计要求，确保了道路的安全通行，保障了当地村民的住房安全。

图3 注浆工艺流程

5 结论与建议

对地面塌陷区进行水泥浆液压密注浆，塌陷区已有效充填和封堵，且达到了加固效果，消除了地质灾害隐患，达到了治理效果，具有良好的社会、经济效益。但实际施工过程中与设计有一定的出入，尤其是注浆量的大小。因此在治理地面塌陷过程中地质补勘必不可少，实行动态设计，施工过程及时调整设计方案和施工方案，在此基础上可更好的控制注浆量和注浆效果，使得治理工程更经济合理。

[1]岩土注浆理论与工程实践协作组.岩土注浆理论与工程实践[M].北京：科学出版社，2001.

[2]张联志.水泥-粉煤灰-黏土浆液配比优化及室内注浆试验研究[D].湘潭:湖南科技大学，2014.

[3]葛家良，陆士良.注浆模拟试验及其应用研究[J].岩土工程学报,1997,19(3)：28￣33.

[4]王建霞,李志杰,钟雪光.岩溶塌陷地质灾害治理方案[J].西部探矿工程,2009,21(08):73￣76.

[5]洪玉明,孙 健.关于岩溶塌陷区综合治理方法的探讨[J].安徽地质,2014,24(03):220￣224.(收稿日期：2017￣08￣23)

张联志(1988-)男，江苏沛县人，硕士，中级工程师，主要从事地质灾害治理工程勘查和设计工作,Email:1269798059@qq.com。