王凡勇

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東濟(jì)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(chǎn)資源枯竭型城市，隨著城市化發(fā)展，城區(qū)不斷擴(kuò)大，部分城區(qū)已擴(kuò)展到采煤塌陷區(qū)，這樣的地區(qū)對城市建設(shè)存在巨大的安全隱患。因此，探明采煤區(qū)情況，并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)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(jìn)行工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究工作，多次進(jìn)行了淺層采煤區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理工作。實(shí)踐證明，綜合多種方法進(jìn)行治理是成功的技術(shù)方法。

接受治理任務(wù)的場區(qū)為當(dāng)?shù)亻_發(fā)公司項(xiàng)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(jì)50年代建井，80年代停產(chǎn)，后經(jīng)私營企業(yè)無規(guī)律開采淺部煤層，在與本工程直接有關(guān)的地基壓縮層內(nèi)可能存在巷道和采煤形成的空洞。該區(qū)已經(jīng)停采30多年，因年代久遠(yuǎn)無資料可查，經(jīng)過對本地區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料的分析，由于本區(qū)煤層較淺(約為100 m以淺)，經(jīng)研究決定以高密度電法物探、工程地質(zhì)鉆探、巖土測試、綜合分析相結(jié)合的方式進(jìn)行勘察。根據(jù)勘查結(jié)果，對地表淺部的軟弱地層進(jìn)行水泥土攪拌法復(fù)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(zhì)與水文地質(zhì)條件基本情況

棗莊市市中區(qū)文化西路北側(cè)交通便利，位于棗莊老城區(qū)西部，該區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育。按大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐謱亵斘髀∑饏^(qū)的東南部，區(qū)域構(gòu)造以斷裂構(gòu)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(dòng)～弱活動(dòng)斷裂，對區(qū)域穩(wěn)定性影響不大，場區(qū)內(nèi)及附近無明顯的構(gòu)造活動(dòng)，區(qū)域地質(zhì)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(guān)，經(jīng)陶莊向東延至長灣，斷裂具有多期活動(dòng)特點(diǎn)，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(dòng)，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(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，棗莊地區(qū)抗震設(shè)防烈度為七度，基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)抗震分組為第一組，根據(jù)地震動(dòng)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(jié)構(gòu)、埋藏條件不同，本區(qū)地下水水文地質(zhì)特性與降水等因素有直接關(guān)系，大氣降水和地表水體的滲漏為其主要的補(bǔ)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(dòng)態(tài)類型主要為入滲、開采、徑流型。在工程地質(zhì)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(biāo)高在64 m左右。

2 物探與工程鉆探實(shí)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(shè)，每10 m間距設(shè)一個(gè)電激點(diǎn)，南北各向場地外延80 m；東向西存設(shè)6條線，間距為20 m。根據(jù)物探技術(shù)報(bào)告，對特別異常區(qū)進(jìn)行劃定出預(yù)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(xiàn)采空現(xiàn)象。

2.2 工程地質(zhì)鉆探

經(jīng)過工程地質(zhì)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(xì)勘察按建筑物輪廓線布設(shè)，孔位間距15～30 m，物探異常區(qū)，場地條件復(fù)雜，取小值15 m間距。重點(diǎn)異常區(qū)，可據(jù)實(shí)增加鉆探工作量；結(jié)合物探資料，確定孔深至中風(fēng)化泥巖，深約15～20 m。

2.3 工程地質(zhì)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(zhì)以黏性土和回填的花崗巖風(fēng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)象，偶見10～40 mm的碎石，層厚0.60～4.10 m；

④風(fēng)化泥巖，褐黃色、灰白色，硬塑～堅(jiān)硬，巖心呈碎塊和短柱狀，原巖結(jié)構(gòu)已被破壞，局部風(fēng)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(nèi)，出現(xiàn)多處空洞，經(jīng)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(zhì)黏土。

3 項(xiàng)目場地地質(zhì)災(zāi)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(jìn)行復(fù)合地基處理的方式。經(jīng)工程地質(zhì)鉆探分析，處理方案的重點(diǎn)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(zhì)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(yùn)用地基處理規(guī)范，方案比對及計(jì)算可知，利用深層水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理，處理后承載力可達(dá)180 kPa以上，軟弱層及上部3 m進(jìn)行復(fù)噴處理，提高水泥土中水泥含量，確保樁體強(qiáng)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(jìn)行充填，防止上部受力后空洞坍塌，避免不均勻沉降現(xiàn)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(jī)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(jìn)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(jī)成孔

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

4.1.3 孔口止?jié){

孔口預(yù)埋注漿管，實(shí)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(jìn)行試壓。

4.1.4 注漿控制

每個(gè)注漿孔必須鉆探與灌注相結(jié)合，完孔如為采空區(qū)，通過注漿站立即對該采空進(jìn)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(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度，砂漿強(qiáng)度等級(jí)不低于M15。注漿應(yīng)采用間歇注漿，注漿時(shí)要注意觀察地表的變形情況，如發(fā)現(xiàn)裂縫彌合、地面隆起、局部冒漿等現(xiàn)象，要采取間歇注漿以保證采空填充質(zhì)量。注漿結(jié)束后，使用灰漿封孔。

4.1.5 終止注漿

單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是：注漿末期，泵壓逐漸升高，泵單位吸漿量逐漸減少。當(dāng)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(jié)束該孔的注漿施工；注入一定漿量，孔口壓力大于0.3 MPa結(jié)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(zhì)地堅(jiān)硬的天然砂或人工砂，粒徑不大于2.5 mm，有機(jī)物含量小于3%。

(2)灌漿系統(tǒng)由料場、1級(jí)攪拌池、2級(jí)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(shè)計(jì)治理范圍內(nèi)。

(4)出現(xiàn)地表裂隙、跑漿現(xiàn)象，必須結(jié)束注漿施工。

5 復(fù)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(jī)械就位、調(diào)平；②預(yù)攪下沉至設(shè)計(jì)加固深度；③邊噴漿(粉)、邊攪拌提升直至預(yù)定的停漿(灰)面；④重復(fù)攪拌下沉至設(shè)計(jì)加固深度；⑤根據(jù)設(shè)計(jì)要求，噴漿(粉)或僅攪拌提升直至預(yù)定的停漿(灰)面；⑥關(guān)閉攪拌機(jī)械。

5.2 水泥土深層攪拌法施工工藝要求

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

6 檢測與驗(yàn)收

6.1 水泥土攪拌樁的施工質(zhì)量檢驗(yàn)方法

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

(2)成樁 7天后，開挖淺部樁頭進(jìn)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(shù)的 5%。

(3)成樁后 28天，用雙管單動(dòng)取樣器鉆取樣，檢驗(yàn)攪拌均勻性和水泥土抗壓強(qiáng)度，檢驗(yàn)數(shù)量為總樁數(shù)的 0.5%，且不少于 6 點(diǎn)。鉆取巖心困難時(shí)，可采用單樁抗壓靜載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)樁身的質(zhì)量。

6.2 豎向承載水泥土攪拌樁復(fù)合地基驗(yàn)收

基槽開挖后，應(yīng)檢驗(yàn)樁位、樁數(shù)與樁頂質(zhì)量，不符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)采取有效補(bǔ)強(qiáng)措施。采用復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)符合地基的承載力。

6.3 載荷試驗(yàn)

載荷試驗(yàn)必須在成樁后 28天進(jìn)行，而且要在樁身強(qiáng)度滿足試驗(yàn)荷載條件下。檢驗(yàn)數(shù)量為總數(shù)的 0.5%～1%，其中每單項(xiàng)工程單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的數(shù)量不少于 3 根(多頭攪拌為 3 組)，其余可進(jìn)行單樁靜載荷試驗(yàn)或單樁、多樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。

6.4 注漿質(zhì)量檢測

注漿施工結(jié)束1個(gè)月后，采用鉆探取樣檢測注漿質(zhì)量，檢測位置布設(shè)于注漿孔之間，有疑點(diǎn)的部位可以增加鉆孔進(jìn)行取樣檢測；按注漿孔總數(shù)的2%設(shè)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(jié)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(jià)注漿質(zhì)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(jīng)過全面研究分析，最終確定注漿質(zhì)量是合格的。

6.6 綜合驗(yàn)收評價(jià)

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(jù)地質(zhì)情況綜合當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)確定地基處理方式，采用水泥土攪拌干法施工進(jìn)行復(fù)合地基處理。按地基處理規(guī)范確定水泥土攪拌樁參數(shù)，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(jìn)行二次復(fù)攪。檢測方式為鉆探取樣與靜載荷試驗(yàn)相結(jié)合方式。檢測結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，復(fù)合地基承載力達(dá)到180 kPa以上。

7 結(jié)語

(1)礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工作是我國城市生態(tài)建設(shè)的需要。礦產(chǎn)資源枯竭型城市遺留下來的礦區(qū)進(jìn)行綜合治理時(shí)既要考慮適用性，又要考慮經(jīng)濟(jì)性，必須科學(xué)論證，不斷嘗試、不斷探索、總結(jié)規(guī)范。

(2)工程通過竣工驗(yàn)收，經(jīng)過兩年使用期的工程測量觀測，沉降量滿足工程建設(shè)要求。實(shí)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(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)地層條件不同，選用水泥土深層攪拌法等適用的復(fù)合地基處理與壓力充填注漿法治理相結(jié)合，效果良好，易于操作、施工工藝簡單、操作實(shí)用性強(qiáng)，便于大力推廣。