243省道西侧地表塌陷成因及治理

李文华

（江苏地质基桩工程公司江苏镇江 212001）

摘要：本文分析了243省道西侧塌陷的原因，剖析塌陷对243省道及西侧的矿坑产生的危害，在塌陷区外围设置排水沟对周围山体降水水流进行引流，，避免降水对塌陷区土体的潜蚀和对下部石灰岩的溶蚀，对塌陷处回填夯实、溶洞处灌浆、省道下部结合灌浆+劈裂注浆的方法进行加固处理，并通过物探、钻孔取芯、沉降观测等手段加以验证，治理效果明显。

关键词：地表塌陷、矿坑、省道、渗水通道、岩溶、灌浆、双液注浆

0、概述

2015年11月，S243省道36KM+450西侧水沟内地表水出现断流，水沟西侧发生小型地面塌陷，现场由北向南发育5个较大的塌陷坑（图1），直径2.5m-7.6m，面积4-40m²，深1-4m。坑周边多处出现地表裂缝，缝宽数厘米至30余厘米，最深达1m以上（图1）且伴随有较多环状、长条状地表裂缝，已发展，对S243省道的安全行车产生极大的威胁。

塌陷区近南北展布、呈由东向西倾斜的山间洼地中，地面标高40m-45m。上覆第四系松散层，堆积厚度为7.1-15.6m，其中上部4.0-6.8m为杂填土，中部0.7-10.3为粉质粘土夹碎石层，下部以隐伏灰岩为主，主要为石炭系黄龙组灰岩、船山组灰岩及二叠系栖霞组灰岩，岩石中普遍含较多生物碎屑^【1】。

图1塌陷坑和地表裂缝分布图

图2 塌陷区裂缝沿243省道平行分布

1、 塌陷成因分析

1.1地表土松散、易于被潜蚀搬运

塌陷区内第四系松散沉积物厚度为7.1-15.6m不等，其中4.0-6.8m为杂填土，其下厚0.7-10.3m为粉质粘土夹碎石层。由于含燧石的粉质粘土其颗粒间无粘结力，在一定水头的水流渗透作用下，其细小颗粒易于被潜蚀搬运，进而被掏空破坏形成土洞。据地质报告^【1】本区域内见洞率为54.55%，空洞主要在距离地面深度约在6m-25m范围内。

1.2塌陷区下伏灰岩断裂构造发育，岩溶发育

水的运动是岩溶地面塌陷形成过程中的重要动力因素，塌陷区内主要赋存第四系孔隙水和岩溶水双层含水介质，降水起着补给岩溶水和孔隙水的作用。

塌陷区区内以隐伏灰岩为主，根据西侧船山矿采矿区裸露岩石判定为石灰岩。受区域南北向挤压应力作用形成一系列近东西向的紧密褶皱及近南北向平移断裂，近东西向的拉张断裂等，为一单斜构造，总体走向95°，地层倾向南，倾角25°-30°，区内发育有近东西向、北西向、近南北向三组构造断裂^【2】。经测定构造断裂中岩石裂隙水和碎屑岩裂隙水可溶性矿物CaO含量大于54%，在渗透水流作用下，裂隙水被移动，继续溶蚀周围岩石，发育成溶洞，据船山矿和高骊山矿复核报告^【4】塌陷区内下部岩石黄龙组矿体的岩溶率为5.89-7.82%，船山组矿体的岩溶率为5.89-5.91%，栖霞组矿体的岩溶率为4.12%。钻探表明，塌陷区溶洞高度为0.6-8.3m,且曾层状分布，在溶洞内大部分有充填物，浅部溶洞多为亚黏土充填。另西侧矿山开采切断或减少了西侧岩溶地下水的补给，水位降低，局部形成降落漏斗，岩溶水由承压转为无压，孔隙水由接受岩溶水补给而变为垂直向下补给岩溶水，加速了岩溶的发展。

1.3地表水径流

塌陷区内孔隙水主要为大气降水和243省道西侧水沟排水，排水沟水源来源于西侧高骊山汇水（汇水面积约2.8km²）和省道东侧八步山采场排水（流量约0.064m³/s），由于岩溶的存在，原排水沟出现沉降开裂，致使水流自南向北流动过程中对沟边土体进行冲刷、侧蚀并不断向下入渗，岩土体中的可溶性矿物成分不断溶解和携带至西侧矿坑中，使塌陷区位置溶洞增大，路基下岩体裂隙增大，结构被破坏。

塌陷区区内降水量丰富，雨量大时，岩溶地下水对上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大，雨后岩溶水水位由于其迳流较畅通亦随之很快下降，对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减，同时孔隙水水位因渗透性相对较弱下降较缓慢，使潜水位与岩溶水位之间的双层水位差增大，通过洞隙开口处使孔隙水含水层向岩溶洞隙产生垂向渗透并进一步潜蚀岩石，加速了上覆盖层中土洞的发生。

1.4人类活动因素

矿山排水破坏地下水动态平衡，地下水水位急剧升降频繁，地下水水力坡度迅速增大，流速加快，增强地下水潜蚀、搬运能力，加速塌陷速度和强度。塌陷区东侧的船山矿凹陷式开采深坑标高为-68m，低于塌陷区地面标高113米，船山矿西帮开采平台上-10.00m、-23.00m、-34.5m、-45m高程处出现5个较大的出水孔（图3），降水漏斗明显。塌陷区岩溶水流失创造了条件，洞穴或裂隙中的填充物不断被潜蚀携走，并对岩溶洞隙产生垂向渗透潜蚀作用，地表孔隙水的水头差越来越大，进一步加速了上覆盖层土洞的发展。

图3：治理前塌陷区东侧船山矿-48.5m高程处泄水图

地面塌陷后，地表向塌陷区倾斜，在重力作用下，地表土层产生侧向位移形变，环塌陷坑周围的张应力并产生裂缝，此外，矿区每天2次放炮引起震动，使第四系土体结构疏松，抗潜蚀能力减弱，进一步疏通了岩溶地下水的径流排泄途径，加快了地下岩溶水的排泄和土洞的塌陷。

1.5吸蚀掏空

随着东侧矿船山石灰矿的开采深度的增加，地下水沿着裂隙水渗流，水位下降，当地下水位低于覆盖层底板（或岩溶洞穴的表面）时，地下水由承压转为无压力状态，使地下水面与覆盖层底板之间形成真空状态的“真空腔”，在真空腔内的水面如同“吸盘”一样，强有力地抽吸着覆盖层底板的土颗粒，使土体遭受“吸蚀掏空”，形成土洞。同时，随着地下水位的不断下降，因真空腔内外压差效应不断加剧，引起腔外大气压对覆盖层表面产生一种无形的“冲压”作用，加速了覆盖层结构的宏观破坏，土层强度降低，地面突然发生变形和破坏^【5】。

总之，塌陷区下部碳酸盐岩岩溶发育，存在落水洞、溶隙、溶洞等地下水的良好通道，东侧矿山开不但采截断溶洞处地下水补给，相反不断抽水、震动，使地下水位大幅度下降，使水力梯度增加，同时由于地表排水沟的破坏，临近地表排水的渗入、地下水不断潜蚀，在土体重力塌落作用下，加速了对上覆第四纪土层和洞穴、溶隙中的填充物进行冲蚀、吸蚀淘空，形成地表塌陷。

2．塌陷区危害性分析

2.1岩溶塌陷对S243省道的危害

勘探表明：S243省道内未发生沉降，路基基底存在大量的岩石断裂裂隙，路基坡脚存在溶洞，水力通道明显，在地表水的作用下，易产生岩石溶蚀现象，从而对路基产生影响。

依据《公路路基设计规范》，S243省道K36+450处西侧地面塌陷区顶板岩层上有覆盖土层，则自土层底部用45°角向上绘斜线与地面的交点，计算其影响范围。如图所绘制结果，路基坡脚处于溶洞坍塌扩散的影响范围之内，岩溶塌陷对S243省道的安全行车产生威胁，需对溶洞及路基基底的岩石裂隙（水力通道）进行处理。

图4 溶洞安全距离计算图

2.2 岩溶塌陷对船山矿西帮边坡的危害

紧邻塌陷区东侧的石灰石开采区，矿露采凹坑标高为-68m，西帮边坡为一单斜构造，走向北东，倾向南，倾角26°-35°，岩性主要为致密灰岩及灰岩，镶嵌-碎裂结构，在现状条件下，其边坡整体是稳定的，随着采场开采深度的增大，疏干排水形成的地下水降落漏斗，水力坡度变陡，在坡体内产生较大的渗透压力，水对结构面具有软化作用，不利于边坡的稳定。

3、治理方案

根据塌陷区存在的地质环境问题，结合其形成成因、地质环境条件及现场实际情况，设计采用新建排水沟引流地表水源、塌陷区、地表裂缝回填压实、岩溶区、路基裂隙区灌浆加固的设计方案。

3.1设置排水沟

新修建排水沟两端位置处高差约为5.12m，排水沟截面尺寸根据行洪时的最大排泄量和流速计算，为3*2.4m²,,排水沟沟底坡度1.7%，水沟流向从南至北，水沟两端接入现有排水系统。

3.2塌陷处回填压实

对现场塌陷坑进行回填处理，回填之前先清除塌陷坑内垮塌的松土及前期所倾倒的各种垃圾、树木、杂草、各种管（杆）线，需回填土应采用粉质粘土夹20%重量的碎石分层夯实,粉质粘土的最优含水率控制在19.6%，填土在施工过程中含水量控制在22%左右，不应低于最优含水率，土压实系数不小于0.92，分层回填，每层回填厚度不大于0.5m，并逐层碾（夯）压密实，分层回填至距现状地表约1m处。在粉质粘土填土层上部回填厚度约0.3m细砂垫层，填筑平整并碾压密实。最后填筑粉质粘土，并分层填筑，每层填筑厚度不大于0.5m，并逐层碾压密实，最终填筑高度高于对应S243省道路面标高0.2m。

3.3岩溶区及路基裂隙注浆

在塌陷区东部边界距S243国道边2.0m位置处进行灌浆+劈裂注浆加固，充填已有溶洞及裂隙，降低场地渗流的水力坡降，固结243省道下部裂隙，减小因矿山排水和地表水下渗的渗透潜蚀作用，避免已有溶洞的继续溶蚀和溶洞顶进一步塌陷。

注浆孔沿243省道方向展布，注浆孔深度以进入完整岩石不小于5m, 采用渗透注浆为主，结合劈裂注浆。注浆固结体顶标高41.75～46.05m，注浆固结体底设在岩溶裂隙弱发育区内和地下稳定水位线以下，标高约21.0m，并且保证进入稳定基岩≮5.0m，注浆过程中以压水试验成果及钻孔（岩芯观察、消耗液多少）控制为主。浆液采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.6：1～2:1，先稀后浓，施工时应根据注浆试验确定最终配合比，浆液结石强度≮5.0MPa（28d）。当注浆量较大时，可添加速凝剂水玻璃，掺入量为灰重的2%～3%，当浆液沿着西侧矿山坑壁涌出时，采用双液注浆进行快速凝固，停止注浆一段后，再采用劈裂注浆方法进行高压灌浆。注浆压力：初始注浆压力控制在0.1～0.3Mpa，灰岩控制在0.8～1.5Mpa范围，一般每1m增加约0.02MPa，初始压力小，最终压力高，施工中视注浆段深度、地层地质情况和地下水位而定，并针对注浆过程中出现的情况随时调整压力。

3.4塌陷区注浆加固

1、采用压密注浆工艺。为增强浆液的可注性，应适量添加减水剂增加浆液流动性，水灰比0.6：1～1.5:1，先稀后浓，施工时应根据注浆试验确定最终配合比，浆液结石强度≮5.0MPa（28d）。当注浆量较大时，添加速凝剂水玻璃，掺入量为灰重的2%～3%。

2、考虑本区溶（土）洞强发育，地质环境条件复杂等情况，确定注浆孔布设间距为：布孔间距为4.0，排距5.0m，方形布置（对岩溶强发育段增加灌浆孔）。具体施工时，视注浆效果（岩芯观察、吸浆量）、现场试验及地层地质情况，适当调整注浆孔间距。

3、注浆孔深度入完整灰岩≮1.0m，局部遇溶（土）洞比较密集，体积较大和物探推测断层破碎带地段应适当加深注浆范围，并重点进行注浆效果检查，具体视施工现场情况进行调整。

4 实施

1、注浆成孔：常规的注浆成孔采用泥浆钻进，由于溶洞发育，岩溶部分泥浆漏失严重，对岩石段采用潜孔锤钻进的方法，对突然掉钻情况，施工过程中详细记录并绘制钻孔柱状图。

2、施工中严格控制钻孔取芯质量，编制钻孔柱状图及剖面图，计算溶洞体积，结合计算结果，施工中控制注浆压力和注浆量。

3、采用小口径钻孔、孔口封闭、自上而下用分段注浆法。其工艺流程施工流程为：钻孔→冲洗→简易压水试验→安放灌浆塞→灌浆→扫孔、下一灌浆段。

各灌浆孔（段）在灌浆前应采用压力水进行裂隙冲洗，直至回水清净时止。冲洗压力可为灌浆压力的80%，并不大于1MPa，裂隙冲洗通过现场试验确定。

注浆压力大小可用下列经验公式计算：P=p₀+KH

初始注浆压力一般以静水压力的1.5倍为控制原则，岩溶裂隙发育段，设计注浆压力比静水压力大0.2～0.5Mpa，终压2.5倍。一般每1m增加约0.02MPa。采用低压间歇注浆方式，避免过大的扩散半径而浪费浆液。

先施工溶洞部位浅孔，灌浆结束后再施工溶洞部位深孔，注浆过程中观测塌陷区东侧的矿坑的流水情况，发现有浆液渗出，立即采用水玻璃与水泥浆同时混合注浆，浆液体积比1:0.3，水玻璃浓度为38波美度、水泥浆水灰比0.7。

4、为防止地表松散土的进一步固结沉降，排水沟沟底先采用压路机碾压、浇筑钢筋混凝土底板后砌筑毛石沟边，塌陷坑回填加固安设计图纸施工。

5、结果

1、注浆结束后对地面塌陷治理效果采用钻探取芯检测、钻孔成像、浆液结石体的强度检测、孔间CT成像检测。结果显示：钻孔过程中未出现掉钻及吸风现象、钻孔循环液无漏失，目标层注浆体强度为0.554-0.888Mpa,大于设计强度0.3Mpa，电磁波空间CT成像测量表明：原有土（溶）洞被水泥浆充填、现为水泥结石和杂土混合，表现为中吸收，原碎石土处为水泥浆结石，大区域分部均匀，无明显空洞。钻孔成像表明：孔壁均未出现未充填的空洞，在注浆段的孔壁观测到明显的注浆痕迹，孔壁充填率超过92%，治理效果明显^【6】。

2、治理后2年来对塌陷区、243省道路面、矿坑坑壁的地面沉降、位移进行观测^【7】，结果表明243省道及塌陷区无明显沉降及位移，船山矿的矿坑平台无泄水现象，地表水位恢复至42.5米处，矿坑坑壁安全。