空洞充填水泥砂浆结合灰土垫层在浅层采煤塌陷区多层建筑地基处理中的应用

周付彬，王文斌

(1. 山东省鲁南地质工程勘察院,山东 济宁 272100；

2. 河北省地质矿产勘查开发局水文工程地质勘查院，石家庄 050021)



空洞充填水泥砂浆结合灰土垫层在浅层采煤塌陷区多层建筑地基处理中的应用

周付彬1，王文斌2

(1. 山东省鲁南地质工程勘察院,山东 济宁 272100；

2. 河北省地质矿产勘查开发局水文工程地质勘查院，石家庄 050021)

摘要：作者结合自身的施工实践，针对浅层采煤塌陷区多层建筑地基处理方法进行总结，为今后类似工程及相关研究、生产工作提供一定的施工思路，供同行参考。

关键词:塌陷；地基处理；灰土；勘察

0引言

山东省枣庄地区煤炭资源丰富，开采历史悠久，随着煤炭资源日渐枯竭，境内矿井相继闭坑。随着城市规模扩张和城市改造加剧，土地资源日益紧缺，特别是靠近城区已闭坑的矿区土地需要经过一定方法改造加以充分利用已成当务之急。课题区处于枣庄市老城区西侧，目前已同城区连片接壤，本场区原为大型煤矿开采区，1958年建井投入生产，于20世纪80年代停产，后经私营企业无规律开采浅部煤层，致使产生与本工程直接有关的地基压缩层内存在巷道和采煤形成的空洞。根据工程勘察揭露情况，考虑建筑物荷载不大，采取对地基实施压力灌浆方法进行加固处理，然后将基坑开挖至一定的深度，浅部采用换填灰土以进行人工处理，基础形式采用筏板基础。至今已过去近10年，建筑安然无恙。

1水文地质条件概述

场区地下水为第四系孔隙潜水，富水性较弱。因其分布形式、岩性结构、埋藏条件的不同，其地下水的水文地质特性与降水等多种因素有着直接的关系，其补给来源主要为大气降水入渗和地表水体的渗漏为主，排泄方式以侧向径流和地表蒸发为主。地下水位随季节及气象周期呈周期性变化，水位年变幅一般在2～3m之间。动态类型主要为入渗-开采、径流型。勘察期间，由钻孔中测得场区地下水稳定水位埋深为3.3～5.5m，稳定水位标高64.5 m左右。

本区位于华北板块东南部的鲁西地体上，受鲁西地体地壳演化规律的制约。按大地构造单元划分，属中朝地台的二级构造单元——鲁西隆起区的东南部，小区域构造形迹以断裂构造为主，北东向断裂发育。对场区有较大控制作用的断裂为陶枣断裂，峄城断裂(图1)。

图1　枣庄市构造纲要图

1.1陶枣断裂

该断裂在场区之北(距场区约7.5km)，西起薛城东北的于山关村，经陶庄、枣庄向东至长湾村出境。从薛城至柏山段走向72°，柏山以东走向转为110°。断裂倾向转向南，西段倾角为81°，东段倾角为40°~75°，整个断裂呈一向北凸出的弧形，为北盘下降的正断层，北盘从薛城至柏山为中寒武统，柏山以东主要为泰山群山草峪组；南盘为石炭~二叠纪地层及奥陶系地层，断裂带岩石破碎，有构造角砾岩和糜棱岩化、绿泥石化现象。该断裂具有多期活动之特点，前期受水南北向挤压具压扭性，后期受新华夏系影响具张扭性。断裂活动历史长，元古代、古生代、中生代和新生代均有活动，但主要活动期为中生代。

1.2峄城断裂

该断裂在场区之南(距场区约7.0km )。断裂长度约60km，走向近东西(北西西～南东东)，倾向南，为一正断层，其断距1050m，北盘(下盘)上升，地层为太古界山草峪组，南盘(上盘)下降，地层为第三系。

以上断裂属不活动或弱活动断裂，对拟建场区的稳定性影响不大。场区内及其附近无明显新构造活动痕迹，区域稳定。

依据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)及《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)有关规定，枣庄地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计抗震分组为第一组，根据地震动峰值加速度来分区，场区属地壳稳定区。

2拟建物基本情况及工程勘察成果分析

拟建物基本情况见表1。

表1　拟建物基本情况一览表

场区土层上部为第四系冲洪积堆积物，下部揭露为石炭系泥岩(采煤空洞位于本层)，自上而下土层分布：

(1)素填土，灰褐色，棕黄色，灰黄色，松散-稍密，土质以黏性土和回填的花岗岩风化岩土为主，含少量碎砖块、碎石块、灰渣、砂粒、植物根系等，局部为杂填土。本层厚度0.70～3.30m。

(2)粉质黏土，褐黄色，灰黄色，浅黄色，棕黄色，可塑-硬塑，含少量铁锰质结核及氧化铁条带，切面稍具光泽，干强度及韧性中等，无摇振反应，局部为黏土，含少量粗砂粒。本层厚度0.80～5.90m。

(3)含砂粉质黏土灰黄色，浅黄色，棕黄色，可塑-硬塑，含较多中粗砂粒及少量砾石，局部富集，偶见1~3cm的碎石。切面粗糙，稍具光泽，干强度及韧性中等，无摇振反应。本层厚度0.50～4.10m。

(4)风化泥岩，褐黄色，黄色，暗紫色，灰白色，硬塑—坚硬，岩心呈碎块和短柱状，原岩结构、构造已破坏，风化局部成黏土状。最大揭露厚度9.90m。本层中揭露有煤层，由于无规律开采致使地基压缩层内出现多处空洞，钻探揭露，空洞一般为半充填或无充填，充填物为破碎泥岩、煤矸石、煤渣碎屑等，夹有少量粉质黏土。

图2　推测的采空区及异常地段示意图

图3　工程地质剖面示意图

表2　钻探深度内空洞统计表

续表

从空洞情况统计来看，充填物主要为煤矸石、煤渣、泥质及碎煤屑，所处位置多在7.0m、9.0m、11.0m左右，大多数空洞属于半充填，由于当时无序开采，缺乏监管，所谓半充填实际是顶板冒落形成的松散层，经过几十年的自然沉陷，其实已经基本沉稳，基于这种考虑只要对空洞松散层进行充填，对上部一定深度进行灰土换填处理(大约0.6m)，采用筏板基础形式即可满足上部荷载要求。

3充填施工

注浆材料：由水、水泥、砂和水玻璃组成，水灰比1∶1.0~1∶1.4，加入少量水玻璃，搅拌均匀。水采用自来水；水泥采用32.5矿渣硅酸盐水泥；砂，应选用质地坚硬的天然砂或人工砂，粒径不大于2.5mm，有机物含量不大于3%。

灌浆系统：由料场、一级搅拌池、二级搅拌池、供水系统、注浆泵、注浆管道、封孔装置等组成。

注浆施工工艺流程如下：

3.1定点

考虑地层上部为土层，固定注浆管困难，影响注浆效果，以整幢楼为治理单元，注浆孔间距2m左右，每次注浆管放至钻孔空洞处近位注浆以保证注浆效果。孔距较近，在注浆孔浆体凝固后可以形成“群桩”效果，增强地基承载力。

3.2成孔

根据设计要求，主要处理15m深度范围内的异常情况，孔深15m，孔径130mm，采用DPP-100型钻机，螺旋钻具干作业成孔。

3.3止浆

每次注浆管放至钻孔空洞处近位注浆以保证注浆效果。用水∶水泥∶砂以配比1∶1∶1的水泥砂浆固定注浆管，完成后要试压。

3.4注浆

注浆施工顺序采用外围包围中间的方法，有效地使充填料充填在设计治理的范围内。每个孔打钻与灌注相结合，完孔如为采空区，通过注浆站立即对该孔进行灌注浆作业。浆液应先稀后稠，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，并记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始资料，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度，砂浆强度等级不低于M15。注浆时，由于地层压力、浆液塌落度等因素的影响，要采用间歇注浆法。注浆中，要注意观察地表变形情况，如出现地裂缝弥合，地面隆起，局部冒浆等，要采取间歇注浆法以保证采空区填充质量。注浆结束后，用灰浆封孔。

3.5单孔注浆结束标准

在注浆孔注浆的末期，泵压逐渐升高，泵单位吸浆量逐渐减少，当泵的吸浆量小于70l/min，孔口压力在1.0~1.5MPa之间，稳定10~15min可结束该孔注浆施工；当注入一定浆量，孔口压力大于0.3MPa，若出现地表裂隙大量跑浆时，即可结束该孔注浆施工。

3.6注浆质量检测

本次采用钻探作为检测方法，注浆施工结束2个月后，注浆检测位置布置在有疑点的部位进行钻孔检测，按注浆孔数量的2%设置检查孔数量，检查孔深度为15m，通过孔内取心直接观察浆液充填情况，并结合钻探过程中循环液的漏失情况及孔壁的稳定性评价注浆质量情况。

所取岩心可见，裂隙已被水泥浆充填，局部空洞可见已凝固的水泥团块，在全面分析研究这些资料的基础上，最终确定注浆质量是合格的。

4灰土垫层施工

4.1设计要求

将基槽挖至设计标高，地基处理采用2：8灰土夯填。从设计基底标高-1.8m夯填至-1.2m处，基槽2：8灰土厚度为600mm。灰土的土料来源采用现场开挖原始土，压实系数不小于0.95。

4.2施工要求

铺灰前应先把基底持力层用夯机夯实，灰土的土料最大粒径不得超过15mm，土料中不得含有机杂物，灰土所使用的白灰，必须是充分熟化过且粒径不得大于5mm； 灰土垫层施工时应严格按灰土的配合比(体积比)进行拌合均匀，控制好含水量，方法为：用手紧握成团，两指轻捏即碎为宜，如土料中水份含量过大或不足时，应晾干或湿水后再进行夯实； 灰土每层虚铺厚度为220~250mm，具体控制方法：首先在施工前在基槽壁两边钉桩或皮数杆，标每层虚铺厚度及顶面标高，现场施工人员跟踪配合进行标高的抄测和控制；灰土施工应拌合均匀，颜色一致，控制措施为：每班施工前必须按比例拌好样品，进行参照拌合施工，当天拌合好的灰土必须当天用完，灰土不得过夜夯实；灰土垫层的夯实要求：采用打夯机夯实，必须掌握好夯实遍数(3~4遍)，要求一夯压半夯，夯夯相连，不得漏夯，达到密实度规定要求，灰土表面必须平整，不得出现裂缝，起皮，松散等现象；灰土施工如需停顿留槎时，必须留踏步槎，其宽度不得小于500mm，二次接槎虚土应清除干净，适当洒水润湿。

5结语

(1)枣庄属于全国资源枯竭型城市之一，遗留下来的矿区土地需要综合治理再利用已成不争的事实，根据需要如何治理，既要适用又要经济需要科学论证，仍将不断的探索和总结；

(2)通过实践证明，本工程的地基处理手段是适宜的，对类似工程具有借鉴意义，但对于高层建筑或荷载和结构比较复杂的建筑物，需要勘察、设计和施工综合深层次分析和研究；

(3)有条件的情况下，可以采用粉煤灰替换细砂。全充填注浆法治理效果良好，施工工艺简单、易于操作、实用性强。

参考文献：

[1]李元仲. 山东陶枣煤田矿业开发对裂隙岩溶水的污染机理及防治对策[J]. 中国地质灾害与防治学报，2014(3).

[2]GB50021-2001，岩土工程勘察规范[S].

[3]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[4]GB/T50123-1999，土工试验方法标准[S].

[5]GB18306-2001，中国地震动参数区划图[S].

[6]JGJ/T87-2012,建筑工程地质勘探与取样技术规程[S].

[7]JGJ79-2012，建筑地基处理技术规范[S].

[8]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

作者简介：周付彬，男(1979-)，汉族，河南鹤壁人，山东省鲁南地质工程勘察院主任，工程师，水工环专业，主要从事勘察施工与管理工作，山东省济宁市兖州区建设东路272号，Tel：13562418291。

收稿日期：2015-07-10

中图分类号:TU472.6

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2016)01-0040-04