模袋法穿越大溶洞地层人工造壁技术在石灰岩地区的应用

李红伟 李文姣 韩俊飞

（1.济南力稳岩土工程有限公司，山东 济南 250000；2.泰安市城市建设设计院，山东 泰安 271400；3.华润水泥控股运营部，广西 南宁 530000）

土工模袋是土工材料中的一种，是由高分子聚合物纤维编织而成的袋状材料。由于土工模袋充灌填料后具有透水不透浆的特性，充填料在泵压和自重作用下，能从模袋的孔隙中排出多余水分，降低水灰比，缩短充填料凝结时间，提高充填料固化后强度，目前已被广泛应用于混凝土护坡工程和水下工程[1-6]。杨晓东等对大流量、高流速溶洞地层漏水采用土工模袋进行灌浆堵漏 ,取得了比较满意的效果[7]。土工模袋灌浆具有整体性 ,保证了灌浆充填料不被水流冲走 ,能有效封堵较大流量、较高流速涌水。本文通过运用模袋，形成以模袋输液管为中心的混凝土圆柱，起到局部填充作用，在体积较大溶洞与钻孔之间形成人造混凝土壁，有利于进一步钻探及实施靶向注浆。

1 工程概况

华润水泥（平南）有限公司河景矿石灰石矿山采用凹陷式开采，开采面积约5000亩，年产水泥1100 万 t。

矿区三面环水，矿区南面为寻江，东面为秦川河，北面为无名河，河景石灰石因凹陷式开采标高已经到-20m水平，低于江水标高约40m，导致矿坑三面的流水沿着原有岩溶管道流至采坑内，从采坑底部喷涌而出，丰水期日最大涌水量达36万m³，枯水期最大涌水量达21万m³。

2015年5～11月份采坑被淹，矿井处在停产状态。因矿区长期抽排水，形成大面积的水力降落漏斗，造成周围农田塌陷、线杆倾斜、房屋开裂等次生灾害。所以，封堵涌水势在必行。

图1 采坑内突水照片

2 治理方案

2016年1月，矿方采用“非连续帷幕+关键通道封堵”的方法对涌水进行治理。非连续帷幕就是在物探圈定的低阻区域布置钻孔实施注浆，帷幕只是布置在物探低阻区，非连续布置。

关键通道封堵就是非连续帷幕的钻孔中寻找出关键钻孔，关键钻孔揭露主要通道，采用注浆材料封堵主要过水通道，达到治理孔隙水和管道涌水的目的。

3 K8钻孔及层位

本工程钻孔采用LM-200液压履带式钻机实施，这种钻进方法采用压风驱动钻具锤击岩石，具有效率高、成孔率高的优点，缺点是遇到半充填或者无充填的较大溶洞不能返风，钻进产生的岩粉不能排出，导致不能继续钻进。本工程+10m台段布置帷幕带中的K8钻孔在钻探的过程中遇到了体积较大的半充填溶洞，导致钻探停止。

K8钻孔是帷幕带中的一个钻孔，高密度电物探结果显示，本孔在-20m～ -35m位置有明显低阻区。K8钻孔0～8.6m为第四系表土层，8.6～11.2m为奥陶纪石灰岩，11.2m往下击穿溶洞顶板，钻具突然出现下沉，利用接长钻杆探底，溶洞高5.2m，半充填，充填物为黄色的粘泥，不含水。通过连续注水体积推测，溶洞体积为230m³左右。利用钻杆的自重和卡栏的压力，继续钻进1.1m后，因空腔体积较大，钻机无法返风，导致不能继续钻进。

4 模袋人工造壁技术

为达到继续钻进的目的，K8孔遇到的溶洞需进行处理，处理类似溶洞常用的方法是灌浆或者采用碎石充填，因本溶洞体积较大，采用灌浆方式会消耗大量水泥；采用碎石充填必须用特殊钻井设备钻直径为1.0m的钻孔，然后再人工投入碎石充填；以上两种方法治理成本大、费工、耗时。

经过综合比较，最终确定采用模袋注浆法形成人工造壁，确保钻孔继续钻进。模袋是使用土工布作为主要材料，配合输浆管而成的一种注浆方法。土工布具有透水不透浆的性能，在土工布形成的袋内注入混凝土或水泥浆液凝固后形成的结实体可起到防渗的作用。

4.1 模袋参数

根据本溶洞的高度，本次模袋采用土工布长度为7m，展开直径1.0～1.2m，模袋内部分为两条注浆管，一条为主要注浆管，主要负责注浆浆液的输送，另外一条为模袋充填输料管。因本孔需要继续钻进，两条注浆管均采用Φ50mm的PVC塑料管（抗压2.5MPa）（金属管破坏钻头）。为增大透浆量，两条注浆管末端人工钻20个Φ5mm的圆孔，圆孔成梅花布置。具体如下图2所示。

图2 模袋参数示意图

4.2 技术应用

首先把做好的模袋垂直放入K8钻孔中，带有梅花圆孔底端向下。如图3所示，将底端一直深入到K8钻孔所揭露的钻孔的最底部。模袋B管连接注浆管路，利用泵压采用小流量慢慢注入水泥浆，水泥浆水灰比0.8:1～1:1。模袋注浆需采用低档小流量缓慢注浆，这样可使浆液的水分排出模袋外，形成高结石率。模袋注浆可采用多次间歇注浆，确保结石体充满整个模袋，且不把模袋撑破，总注浆量为模袋容积的1.1倍即可，注浆压力控制在1.0MPa左右。模袋内的水泥浆液把模袋充满，最终形成一个结实体，这个结石体在土工布的约束下形成一个水泥圆柱体，水泥圆柱的体积远远小于溶洞的体积。

结石体达到终凝后，模袋A管连接注浆管，注水泥-水玻璃双液浆，C:S配合比为5:1，把溶洞底部裂隙进行封堵，A管的注浆量需进行控制，避免多余的水泥浆液充填到溶洞空腔，造成浪费。

经过以上注浆后，再利用钻机从孔口重新钻进，原溶洞空腔内钻孔经过模袋形成的水泥圆柱体，钻孔四周都是水泥结石体，不产生跑风、漏风现象，钻进中能够返风，达到了继续往深部钻进的目的。本孔钻进至物探圈定的低阻区后顺利探查到主要过水通道，对整个工程起到了极其重要的作用。

图3 模袋效果图

5 结论

（1）模袋人工造壁法比采用大量灌浆和充填碎石法可充填大体积溶洞行之有效，省时、省力、节约材料。

（2）模袋注浆管可采用PVC管代替，可实现不损坏钻头的情况下继续钻进。

（3）在溶洞体积较大的情况下，模袋形成的水泥圆柱体可形成人工造壁，为钻孔继续钻进提供结石体。