棗莊老城區(qū)淺層采礦塌陷地質災害治理

王凡勇

(山東省魯南地質工程勘察院，山東濟寧 272100)

0 引言

作為山東省乃至中國最早的煤炭開采地區(qū)，棗莊煤炭開發(fā)有著悠久的歷史。作為全國礦產資源枯竭型城市，隨著城市化發(fā)展，城區(qū)不斷擴大，部分城區(qū)已擴展到采煤塌陷區(qū)，這樣的地區(qū)對城市建設存在巨大的安全隱患。因此，探明采煤區(qū)情況，并進行地質災害防治方法的研究就顯得更加迫切。筆者及同事長期在魯南煤炭開采地區(qū)進行工程地質環(huán)境地質研究工作，多次進行了淺層采煤區(qū)地質災害治理工作。實踐證明，綜合多種方法進行治理是成功的技術方法。

接受治理任務的場區(qū)為當地開發(fā)公司項目，購得此地塊后了解到本區(qū)為老采煤區(qū)，是廢棄的煤礦開采區(qū)，20世紀50年代建井，80年代停產，后經私營企業(yè)無規(guī)律開采淺部煤層，在與本工程直接有關的地基壓縮層內可能存在巷道和采煤形成的空洞。該區(qū)已經停采30多年，因年代久遠無資料可查，經過對本地區(qū)區(qū)域地質資料的分析，由于本區(qū)煤層較淺(約為100 m以淺)，經研究決定以高密度電法物探、工程地質鉆探、巖土測試、綜合分析相結合的方式進行勘察。根據勘查結果，對地表淺部的軟弱地層進行水泥土攪拌法復合地基處理，深部注入水泥砂漿的方式綜合治理，確保了工程的安全。

1 區(qū)域地質與水文地質條件基本情況

棗莊市市中區(qū)文化西路北側交通便利，位于棗莊老城區(qū)西部，該區(qū)斷裂構造發(fā)育。按大地構造單元劃分屬魯西隆起區(qū)的東南部，區(qū)域構造以斷裂構造為主，北東向斷裂發(fā)育，對場區(qū)有較大控制作用的斷裂主要包括陶棗斷裂和嶧城斷裂。本處斷裂屬不活動～弱活動斷裂，對區(qū)域穩(wěn)定性影響不大，場區(qū)內及附近無明顯的構造活動，區(qū)域地質條件相對穩(wěn)定。

陶棗斷裂位于場區(qū)的北部(距離場區(qū)約7 km)，西起薛城于山關，經陶莊向東延至長灣，斷裂具有多期活動特點，前期受水平南北向擠壓，具有壓扭性，后期受新華夏系影響，具有張扭性。在元古代、古生代、中生代和新生代有斷裂活動，主要為中生代。

嶧城斷裂位于場區(qū)的南部(距場區(qū)7 km)，斷裂長度約60 km，近東西走向(北西～南東)，傾向向南，為正斷層，其斷距在1000 m以上，北(下)盤上升，屬太古界山草峪組地層，南(上)盤下降，屬第三系地層。

據《中國地震動參數區(qū)劃圖》、《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定，棗莊地區(qū)抗震設防烈度為七度，基本地震加速度值為0.10g，設計抗震分組為第一組，根據地震動峰值加速度分區(qū)，場區(qū)屬地殼穩(wěn)定區(qū)。場區(qū)地表水系豐富，地下水屬第四系孔隙潛水。由于巖性結構、埋藏條件不同，本區(qū)地下水水文地質特性與降水等因素有直接關系，大氣降水和地表水體的滲漏為其主要的補給來源。地下水位隨季節(jié)及氣象周期呈周期性變化，年變幅一般在2 m上下，動態(tài)類型主要為入滲、開采、徑流型。在工程地質勘察期間，測得場區(qū)地下水穩(wěn)定水位為4 m，穩(wěn)定水位標高在64 m左右。

2 物探與工程鉆探實物工作量

2.1 物探工作

物探工作采取高密度電法，電法測試線路呈南北向布設，每10 m間距設一個電激點，南北各向場地外延80 m；東向西存設6條線，間距為20 m。根據物探技術報告，對特別異常區(qū)進行劃定出預測范圍，物探異常深度約10 m左右，深部無物探異常，未發(fā)現采空現象。

2.2 工程地質鉆探

經過工程地質鉆探，采煤空洞位置基本在9～12 m，位于泥巖層。按照勘察規(guī)范要求，詳細勘察按建筑物輪廓線布設，孔位間距15～30 m，物探異常區(qū)，場地條件復雜，取小值15 m間距。重點異常區(qū)，可據實增加鉆探工作量；結合物探資料，確定孔深至中風化泥巖，深約15～20 m。

2.3 工程地質地層分層情況

本場區(qū)上部為第四系沖洪積堆積物土層，下部為揭露石炭泥巖(采空洞位于本層)，自上而下地層分布如下：

①素填土，灰褐色或棕黃色，松散～稍密，土質以黏性土和回填的花崗巖風化巖為主，含有少量的碎石塊、灰渣、砂粒等，局部為雜填土，厚度0.70～3.30 m；

②粉質黏土，褐黃色、淺黃色或棕黃色，可塑～硬塑，厚度1.80～5.90 m；

②1和②2軟弱夾層，主要成份為粉質黏土，褐黃色、淺黃色或棕黃色，軟塑～可塑，層厚1.5～3.0 m；

③含砂粉質黏土，灰黃色、淺黃色、棕黃色，呈可塑～硬塑狀態(tài)，含有較多的中粗砂粒和少量礫石，局部有富集現象，偶見10～40 mm的碎石，層厚0.60～4.10 m；

④風化泥巖，褐黃色、灰白色，硬塑～堅硬，巖心呈碎塊和短柱狀，原巖結構已被破壞，局部風化成黏土狀，最大揭露厚度9.95 m。本層揭露有煤層，在地基壓縮層內，出現多處空洞，經鉆孔揭露，空洞為半充填或無充填，充填物為破碎泥巖、煤矸石、煤渣、碎屑，并夾有粉質黏土。

3 項目場地地質災害類型及處理方案

方案采用首先下部采空注漿，然后對上部土層進行復合地基處理的方式。經工程地質鉆探分析，處理方案的重點是軟弱土層及采空區(qū)，工程處理分上部及下部。

3.1 上部軟弱粉質黏土

建筑地基處于第②層，地基承載力為120 kPa，②1和②2軟弱土層的承載力為90 kPa，運用地基處理規(guī)范，方案比對及計算可知，利用深層水泥土攪拌樁進行地基處理，處理后承載力可達180 kPa以上，軟弱層及上部3 m進行復噴處理，提高水泥土中水泥含量，確保樁體強度。

3.2 下部泥巖采空區(qū)

注漿施工通過壓力泵利用水泥砂漿對采空區(qū)進行充填，防止上部受力后空洞坍塌，避免不均勻沉降現象發(fā)生。

4 注漿施工工藝

4.1 注漿施工的工藝流程

注漿工藝流程為：定位→鉆機成孔→孔口止?jié){→注漿→觀察注漿。

4.1.1 定位

考慮到地層上部的土層必須進行固定注漿管，影響注漿效果；以整幢樓為治理單元，注漿孔間距在5 m左右，呈菱形布置；每次注漿管放至鉆孔空洞處，以保證注漿效果。

4.1.2 鉆機成孔

按照設計要求，主要處理15 m深度范圍內的異常情況，孔深15 m，孔徑130 mm，采用DPP- 100鉆機，螺旋鉆具干作業(yè)成孔。

4.1.3 孔口止?jié){

孔口預埋注漿管，實行封管止?jié){；每次注漿管放至鉆孔空洞處，近位注漿保證注漿效果。用1∶1∶1(水∶水泥∶砂)的水泥砂漿固定注漿管，凝固后進行試壓。

4.1.4 注漿控制

每個注漿孔必須鉆探與灌注相結合，完孔如為采空區(qū)，通過注漿站立即對該采空進行注漿作業(yè)。注漿開始后，注意觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中的各類情況，根據實際情況進行分析，及時調整注漿量和漿液濃度，砂漿強度等級不低于M15。注漿應采用間歇注漿，注漿時要注意觀察地表的變形情況，如發(fā)現裂縫彌合、地面隆起、局部冒漿等現象，要采取間歇注漿以保證采空填充質量。注漿結束后，使用灰漿封孔。

4.1.5 終止注漿

單孔注漿結束標準是：注漿末期，泵壓逐漸升高，泵單位吸漿量逐漸減少。當泵的吸漿量小于75 L/min，孔口壓力在1.2 MPa左右，穩(wěn)定5分鐘結束該孔的注漿施工；注入一定漿量，孔口壓力大于0.3 MPa結束注漿。

4.2 注漿施工的工藝要求

(1)注漿材料由水、水泥、砂組成，水灰比1∶1.0～1∶1.2，攪拌均勻。水采用城市用自來水；水泥采用普通礦渣硅酸鹽水泥；砂選用質地堅硬的天然砂或人工砂，粒徑不大于2.5 mm，有機物含量小于3%。

(2)灌漿系統(tǒng)由料場、1級攪拌池、2級攪拌池、供水系統(tǒng)、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。

(3)注漿施工采用先外圍后中間的方法，有效地使充填料充填在設計治理范圍內。

(4)出現地表裂隙、跑漿現象，必須結束注漿施工。

5 復合地基處理(水泥土攪拌法)施工工藝

5.1 水泥土深層攪拌法施工工藝流程

①攪拌機械就位、調平；②預攪下沉至設計加固深度；③邊噴漿(粉)、邊攪拌提升直至預定的停漿(灰)面；④重復攪拌下沉至設計加固深度；⑤根據設計要求，噴漿(粉)或僅攪拌提升直至預定的停漿(灰)面；⑥關閉攪拌機械。

5.2 水泥土深層攪拌法施工工藝要求

①施工前進行必要的場地整平，確保樁機設備安裝安全；②按設計圖紙要求進行樁位布設，確保滿足樁位誤差規(guī)定；③施工過程中進行上部復噴復攪，確保水泥土含量不少于60 kg/m；④樁頂標高以上0.5 m為有效樁頭，目的是為了保證樁身質量，提高樁身抗壓強度；⑤施工完成后進行必要的澆水養(yǎng)護，保證水泥土深層攪拌樁的正常養(yǎng)護要求。

6 檢測與驗收

6.1 水泥土攪拌樁的施工質量檢驗方法

(1)成樁后 3天,用輕型動力觸探檢查上部樁身的均勻性，檢查數量為總樁數的 1%，且不少于 3 根。

(2)成樁 7天后，開挖淺部樁頭進行檢查，開挖深度宜超過停漿(灰)面下 0.5 m，目測檢查攪拌的均勻性，測量成樁直徑，檢查量為總樁數的 5%。

(3)成樁后 28天，用雙管單動取樣器鉆取樣，檢驗攪拌均勻性和水泥土抗壓強度，檢驗數量為總樁數的 0.5%，且不少于 6 點。鉆取巖心困難時，可采用單樁抗壓靜載荷試驗檢驗樁身的質量。

6.2 豎向承載水泥土攪拌樁復合地基驗收

基槽開挖后，應檢驗樁位、樁數與樁頂質量，不符合設計要求，應采取有效補強措施。采用復合地基載荷試驗和單樁載荷試驗檢驗符合地基的承載力。

6.3 載荷試驗

載荷試驗必須在成樁后 28天進行，而且要在樁身強度滿足試驗荷載條件下。檢驗數量為總數的 0.5%～1%，其中每單項工程單樁復合地基載荷試驗的數量不少于 3 根(多頭攪拌為 3 組)，其余可進行單樁靜載荷試驗或單樁、多樁復合地基載荷試驗。

6.4 注漿質量檢測

注漿施工結束1個月后，采用鉆探取樣檢測注漿質量，檢測位置布設于注漿孔之間，有疑點的部位可以增加鉆孔進行取樣檢測；按注漿孔總數的2%設置檢查孔，檢查深度為15 m。

6.5 處理效果分析

通過鉆孔取心直接觀察漿液的充填情況，結合鉆探過程循環(huán)液的漏失情況以及孔壁的穩(wěn)定性評價注漿質量情況。所取巖心可見裂隙已被水泥漿充填，局部空洞見已凝固的水泥塊體，經過全面研究分析，最終確定注漿質量是合格的。

6.6 綜合驗收評價

按照地層揭露見泥巖深度6.5 m左右，地下水位深度4 m，地基開挖深度1 m，軟弱層厚度為2～3 m，底板深度4 m，局部有出露。依據地質情況綜合當地施工經驗確定地基處理方式，采用水泥土攪拌干法施工進行復合地基處理。按地基處理規(guī)范確定水泥土攪拌樁參數，樁間距1.2 m，攪拌樁有效樁長5.5 m，樁徑500 mm，水泥量60 kg/m，上部3 m及軟弱層進行二次復攪。檢測方式為鉆探取樣與靜載荷試驗相結合方式。檢測結果滿足設計要求，復合地基承載力達到180 kPa以上。

7 結語

(1)礦山地質災害治理工作是我國城市生態(tài)建設的需要。礦產資源枯竭型城市遺留下來的礦區(qū)進行綜合治理時既要考慮適用性，又要考慮經濟性，必須科學論證，不斷嘗試、不斷探索、總結規(guī)范。

(2)工程通過竣工驗收，經過兩年使用期的工程測量觀測，沉降量滿足工程建設要求。實踐證明，此類地層的綜合勘察手段，綜合地基處理手段是適宜的，對類似地區(qū)類似工程具有很好的借鑒意義。

(3)治理方案應該結合工程實際，根據地層條件不同，選用水泥土深層攪拌法等適用的復合地基處理與壓力充填注漿法治理相結合，效果良好，易于操作、施工工藝簡單、操作實用性強，便于大力推廣。