寧鄉(xiāng)市煤炭壩鎮(zhèn)富家村皂家組地面塌陷的防治工程設(shè)計(jì)與研究

賓楒源 曾 嶸 曾慧敏

0 前言

寧鄉(xiāng)市煤炭壩鎮(zhèn)富家村皂家組于2018 年1 月19 日發(fā)生地面塌陷，塌陷位置處共有3 家工廠，此次災(zāi)害共造成數(shù)棟廠房全毀，約50 m 廠區(qū)公路嚴(yán)重?fù)p毀，直接經(jīng)濟(jì)損失上100 萬(wàn)元。目前地面塌陷仍處于蠕動(dòng)變形階段，3 家工廠在發(fā)災(zāi)后已經(jīng)停工，附近村民約60 人臨災(zāi)避險(xiǎn)，暫時(shí)搬遷。嚴(yán)重威脅周邊3 個(gè)建材廠的生產(chǎn)生活安全及當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全。潛在經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000 萬(wàn)元以上。

1 塌陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地形地貌

塌陷區(qū)為溶蝕丘陵地貌，地勢(shì)整體東、南兩側(cè)較高，東北側(cè)較低，工作區(qū)海拔在82.5～131.6 m，最高點(diǎn)位于東北部山坡頂，標(biāo)高131.6 m，最低點(diǎn)位于西北部農(nóng)田區(qū)，標(biāo)高82.5 m；區(qū)內(nèi)地形坡度5～15°。塌陷坑所在位置微地貌為一丘包上，海拔在92.6～108.5 m。場(chǎng)地區(qū)內(nèi)及周邊區(qū)域以工礦廠區(qū)、農(nóng)田、水塘、荒地和林地為主。

1.2 氣象水文

塌陷區(qū)位于寧鄉(xiāng)縣煤炭壩鎮(zhèn)境內(nèi)，屬大陸性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。年平均氣溫16.1～17.8℃之間。多年平均降雨量為1 358.0 mm。

根據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)地表徑流條件較好，周圍地表水系不發(fā)育，但人工溝渠、山塘等較多，山塘面積均較小，一般為600 m2以內(nèi)。塌陷區(qū)屬于群英河流域，群英河發(fā)源于煤炭壩鎮(zhèn)的金泉山一帶，該河河床塌陷、河水漏失問題嚴(yán)重，特別是塌陷區(qū)東北部3～4 km（煤炭壩鎮(zhèn)的賀石橋村與富家村交界處）地段，河床中和兩岸地面塌陷極為發(fā)育，河水漏失嚴(yán)重，河水幾乎斷流，全部滲入地下。

1.3 地層巖性

根據(jù)搜集分析地質(zhì)資料及鉆孔揭露，塌陷區(qū)及周邊出露的地層上部為第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)粘土，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組（P2ch）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2lt）、二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）。其中茅口組厚層狀灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r在塌陷區(qū)大量分布，并且也是煤炭壩地區(qū)巖溶發(fā)育最強(qiáng)的地層巖組，裂隙、溶洞較發(fā)育。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

塌陷區(qū)位于煤炭壩復(fù)式向斜西北翼，該向斜為向南西突出，向北東敞開的弧形構(gòu)造，形似馬蹄。較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造條件一方面使得塌陷區(qū)基巖節(jié)理裂隙更加發(fā)育加速了下伏基巖巖溶發(fā)育，另一方面使得塌陷區(qū)的水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，因此區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造為地面塌陷發(fā)育的基礎(chǔ)條件的形成起到明顯的促進(jìn)作用。

根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，塌陷區(qū)為建筑抗震設(shè)防Ⅵ度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35 s。區(qū)域地殼是基本穩(wěn)定的。

1.5 人類工程活動(dòng)

區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)烈，原有開采礦山主要有兩個(gè)，塌陷區(qū)北西側(cè)為寧鄉(xiāng)縣斑鳩凼采石場(chǎng)、塌陷區(qū)范圍及東南側(cè)為青山煤礦二工區(qū)，分別開采二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）灰?guī)r和二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤層，均為地下開采，先已停產(chǎn)。

1.6 巖溶發(fā)育特征

本次驗(yàn)證實(shí)施的5 個(gè)鉆孔，鉆孔巖溶見洞率40%，在二疊系茅口組開孔的每個(gè)勘查鉆孔均遇溶洞。巖溶的發(fā)育形態(tài)主要為溶洞、溶槽及巖溶裂隙。鉆孔揭露的茅口組灰?guī)r為厚層狀構(gòu)造，主要成分以方解石為主，巖芯多呈短柱狀，柱長(zhǎng)約為5～10 cm，可見方解石脈，巖體巖溶裂隙發(fā)育，表面多見溶蝕孔洞，溶洞、溶溝、溶槽發(fā)育。

參考以往工程類報(bào)告，本次塌陷區(qū)屬于斜極強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)。質(zhì)純且?guī)r溶強(qiáng)烈發(fā)育茅口組（P1m）灰?guī)r為塌陷區(qū)地面塌陷的形成提供了基礎(chǔ)物質(zhì)條件。

時(shí)光是最易逝的，也是一去就無(wú)法挽回的，所以我們每個(gè)人都應(yīng)珍惜時(shí)光，盡量做到不虛度年華、不浪費(fèi)光陰。眼看著2018年就要離去了，在這一年你又許下了什么諾言？定下了什么目標(biāo)？到年底了回頭看看，那些錚錚誓言實(shí)現(xiàn)了幾分？距離年初的目標(biāo)又還有多遠(yuǎn)呢？但不管最后完成了多少，總的來(lái)說(shuō)，我們還是向前進(jìn)步的。在2018年，我國(guó)的食品行業(yè)又有哪些進(jìn)步呢？

2 地面塌陷穩(wěn)定性分析及治理的必要性

2.1 地面塌陷基本特征

塌陷區(qū)地表呈圓形，直徑平均約100 m，面積約7 850 m2；剖面上呈漏斗形，最大塌陷深度約59.74 m；塌陷平均深約51.45 m，下塌方量約134 627.5 m3。塌陷坑的西側(cè)和南側(cè)，距離塌陷坑約12 m 和14 m 的水泥地面上出現(xiàn)多條弧形裂隙，裂隙內(nèi)部土層已極不穩(wěn)定，隨時(shí)都有垮落、崩塌的可能。塌陷坑地層由第四系（Q）殘、坡積粘土和二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，粉砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)黃鐵礦組成，結(jié)構(gòu)松散，現(xiàn)場(chǎng)可見塌陷坑四周仍在繼續(xù)垮落、崩塌，塌陷坑有繼續(xù)擴(kuò)大的潛在危險(xiǎn)。

2.2 地面塌陷穩(wěn)定性分析

塌陷坑自發(fā)生到10 月5 日再次調(diào)查期間，陸續(xù)發(fā)生西側(cè)廠區(qū)公路、廠門開裂加劇，水位上升，最后連水泥廠入口處廠門、西側(cè)廠區(qū)公路及公路旁部分廠房都掉入塌陷坑。可知塌陷坑仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 地面塌陷治理的必要性

地面塌陷的發(fā)生破壞了自然環(huán)境，目前仍處于緩慢變形階段，威脅周邊人居環(huán)境安全和周邊3 個(gè)建材廠生產(chǎn)生活，為確保當(dāng)?shù)鼐用裾５纳a(chǎn)生活，恢復(fù)與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，從安全角度和生態(tài)環(huán)境角度進(jìn)行治理是必要的。

圖1 皂家組地面塌陷治理工程平面圖

3 防治工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)范圍和位置

設(shè)計(jì)范圍為皂家組地面塌陷及影響范圍，屬寧鄉(xiāng)市煤炭壩鎮(zhèn)富家村管轄范圍，中心點(diǎn)地理坐標(biāo)：東經(jīng)112°23′44″、北緯28°15′57″。

3.2 設(shè)計(jì)總體思路

本次設(shè)計(jì)的思路是圍繞消除設(shè)計(jì)區(qū)存在的安全隱患，對(duì)塌陷坑采取綜合回填的方式，最大限度保障塌陷區(qū)村民的人身安全，保護(hù)當(dāng)?shù)卮迕竦呢?cái)產(chǎn)安全，保護(hù)地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。

3.3 單項(xiàng)工程設(shè)計(jì)

3.3.1 反濾層工程

1）設(shè)計(jì)與作用：首先在塌陷坑內(nèi)填入廢棄廠房混凝土梁、板等建筑垃圾，先填直徑較大的，后填直徑較小的，再填塊石、碎石做成反濾層。目的是減輕水流潛蝕作用對(duì)回填“土體”的破壞。

2）施工方法：采用破碎錘配合切割機(jī)、大型液壓刨機(jī)對(duì)塌陷坑?xùn)|北側(cè)廢棄水泥廠進(jìn)行拆除，將拆除的混凝土梁、板等建筑垃圾采用挖掘機(jī)裝車運(yùn)至塌陷坑附近后采用裝載機(jī)填入塌陷坑內(nèi)，先填直徑較大的，對(duì)塌陷坑口填埋形成骨架，后填直徑較小的混凝土碎塊，直至水面以上1 m（+63.65），再鋪設(shè)塊石、碎石90 cm 做成反濾層。

3）技術(shù)要求：（1）在塌陷區(qū)范圍外推20 m 用柵欄圍堵，并掛警示牌。（2）在地表塌陷坑垮塌邊界5 m 以外采用挖機(jī)往塌陷坑內(nèi)回填拆除的混凝土板、梁等混凝土塊。（3）回填運(yùn)輸路線按照平面總布置圖所示拆除物回填路線。

3.3.2 鋼筋混凝土現(xiàn)澆板工程

1）設(shè)計(jì)與作用：在反濾層上澆筑鋼筋混凝土預(yù)制板，鋼筋混凝土板基礎(chǔ)落在塌陷坑兩側(cè)穩(wěn)定的基巖上。目的是對(duì)塌陷坑進(jìn)行跨越，避免塌陷危害。

2）施工方法：清除在塌陷坑四周虛土直至基巖面，對(duì)回填的碎石進(jìn)行人工平整，澆筑C15 墊層10 cm；澆鋼筋混凝土板，采用C35 砼現(xiàn)澆，板厚度為1.0 m，板采用頂?shù)酌骐p層鋼筋，軸線方向上層采用Φ25HRB400 滿鋪，間距15 cm，下層采用Φ28HRB400 滿鋪，間距15 cm，垂直軸線方向上下層均采用Φ22 HRB400 滿鋪，間距20 cm，垂直軸線方向平均布置18 個(gè)封閉箍筋，箍筋采用Φ10 HRB400，沿軸線方向間距20 cm；混凝土采用100 cm 厚C35 砼。

3）技術(shù)要求：（1）平整坑內(nèi)場(chǎng)地、綁扎鋼筋、澆筑混凝土?xí)r，施工人員應(yīng)沿著修建的臨時(shí)人行便道到達(dá)塌陷坑底部。（2）鋼筋綁扎后，澆筑所需混凝土宜采用商品混凝土，并采用泵車從地表泵送至塌陷坑底部，并人工振搗密實(shí)。

3.3.3 粘土回填工程

（1）設(shè)計(jì)與作用：待鋼筋混凝土板養(yǎng)護(hù)達(dá)到28 天之后，用挖機(jī)將塌陷坑周邊開裂區(qū)域內(nèi)的松土清除填入塌陷坑內(nèi)。在混凝土表面填筑粘性土、建筑垃圾等，直到設(shè)計(jì)標(biāo)高。以保證當(dāng)?shù)卣５纳a(chǎn)生活得以恢復(fù)。

（2）施工方法：回填用土來(lái)源根據(jù)煤炭壩政府要求從塌陷坑?xùn)|側(cè)工業(yè)園區(qū)取土，距離約為2 km，粘性土回填達(dá)到5 m 以上后可采用北側(cè)水泥廠廢棄鋼筋混凝土梁、板繼續(xù)回填直至設(shè)計(jì)標(biāo)高，為利于塌陷坑處排水，回填時(shí)西北側(cè)回填后標(biāo)高較東南側(cè)應(yīng)略高，坡度不小于2%。

（3）技術(shù)要求：參照反濾層工程。

3.3.4 附屬工程

（1）設(shè)計(jì)與作用：因塌陷坑壁過陡，且地面到坑口的高差太大，工人無(wú)法直接到達(dá)坑口處施工，故建議沿塌陷坑壁相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置人行施工便道。

（2）施工方法：沿塌陷坑壁相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域修建人行施工便道，便道寬1.5 m，長(zhǎng)120 m，采用人工開挖平整。

4 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目已于2019 年8 月已完成施工，并通過專家組現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，該項(xiàng)目的施工質(zhì)量及效果已達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，起到了消除安全隱患，確保一方平安和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的目的。