地基沉降事故调查及治理工程试验研究

务实

创新

开拓巴州敦德矿业有限公司选矿厂地基沉降事故调查及治理工程试验研究实录汇报人：刘学军时间：2019年9月24日•

第一部分

工程概况•

第二部分

地基调查阶段•

第三部分

处理方案的选定•

第四部分

注浆处理试验研究•

第五部分

高精度顶升纠偏试验研究•

第六部分

工程实施•

第七部分

工程成果及效益第一部分工程概况第一部分

工程概况务实创新开拓巴州敦德矿业有限公司选矿厂位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县巴音布鲁克区，经过四年精心建设，项目于2014年7月竣工。但在刚落成投入生产运行时，因地基不均匀沉降，主厂房内球磨机、水池及其它设施在短时间内出现大范围下沉和位移，导致设备严重变形受损，生产停滞，给业主造成巨大损失。经现场测算，如采用常规修复重建手段，工期3年以上，处理费用约1亿元。第一部分

工程概况务实创新开拓为查明地基不均匀沉降原因，提出有针对性的、可行的地基处理方案，2014年7月-2015年5月，先后进行了地基调查、处理方案预试验、扩大试验等现场工作，查明了造成地基沉降的原因，提出了适宜的地基处理方案，编制了地基处理设计、施工、检测导则，完成了地基处理设计。地基处理工作于2015年7月-9月完成，选矿厂于2015年12月恢复生产，处理工程取得圆满成功。第二部分地基调查阶段第二部分

地基调查阶段务实创新开拓2.1地基调查阶段须解决的主要技术问题⑴选择适宜的地基调查手段，进行地基调查工作；⑵在调查取得的成果基础上，准确判断地基沉降事故的原因。2.2地基调查工作内容为查明造成地基沉降的原因，通过地质及工程地质调查测绘、人工探井、钻孔、原位测试、现场试验、取样试验及现场测试等工作，进行了地基调查。第二部分

地基调查阶段务实创新开拓2.3地基调查结果在地基调查工作中，发现以下主要问题：①场地地貌并非冲洪积扇，而是属于山前坡积裙；②地基温度测定结果表明，已建场地地表4m下地基土温度均在0°C以上，不存在多年冻土；③地基持力层土层并非原勘察报告提出的角砾，而是粗粒混合土；④粗粒混合土中存在大量天然土洞；⑤该场地为非自重湿陷场地，Ⅲ级(严重）湿陷地基。第二部分

地基调查阶段务实创新开拓2.4地基沉降原因分析根据场地岩土工程条件和地基调查结果，综合分析本工程发生地基沉降的原因为：①工程场地主要地层为洪坡积的粗粒混合土，颗粒级配不连续，缺失中间粒径，在地下水渗流情况下，易发生管涌。而在较长的地质年代，因为降水和春季融雪造成粗粒混合土中存在地下水渗流，致使细粒土被带走，但粗粒土形成的骨架尚能支撑，渗漏量加大但没有发生破坏，在土体渗流通道中形成天然土洞；②场地为高原草甸，地表具植被保护层，地形天然坡度大，有浅冲沟分布，地表迳流条件良好，渗入土中水量较少。选矿厂建厂施工过程中，对场地进行大填大挖式的整平，将原来自然坡度平整成5个平台。地表植被保护层被破坏，地表迳流成为平台上的缓流，致使渗入地层水量加大，进一步加剧了粗粒混合土的渗透破坏；第二部分

地基调查阶段务实创新开拓2.4地基沉降原因分析③在渗流条件下形成的天然土洞，有部分处于极限平衡状态，当改变其上覆土压力或进一步渗流，即可能造成土洞坍塌，形成地表土体沉陷，产生塌陷坑。在施工验槽时基坑内出现的塌陷坑即是此原因造成，理应引起重视，但勘察单位验槽时仅进行了简单判断，失去了避免发生工程事故的一次最好机会；④选矿厂厂房建设和设备安装，增加了基础下伏粗粒混合土的附加应力，使更多天然土洞形成的自然压力拱处于或接近于极限平衡状态，厂房及设备均处于失稳前的较危险状态。只要附加应力或渗流条件发生变化，极有可能造成地基沉降；第二部分

地基调查阶段务实创新开拓2.4地基沉降原因分析⑤选矿厂厂房内地坪及排水水槽未进行防水处理或防水处理施工质量较差，试生产时大量水体渗入粗粒混合土中，土洞上部粗粒混合土进入饱和状态，自重应力大幅增加，随即产生新的渗流破坏及土洞天然压力拱失稳塌陷，致使地基短时期内发生较大不均匀沉降，造成事故发生；⑥粗粒混合土具非自重湿陷性，为Ⅲ级(严重）湿陷地基，由土的自重压力及上部结构荷载产生的附加应力超出地基土的湿陷启始压力，在大量水渗入地下后，地基产生湿陷变形，加剧了地基沉降，使事故进一步恶化。第三部分处理方案的选定第三部分

处理方案的选定务实创新开拓在地基调查工作完成后，根据地基调查确定的地基沉降变形原因和场地岩土工程条件，结合建（构）筑物和设备基础情况，并请设计单位和生产单位明确了恢复生产的必要条件。综合分析了以上内容后，确定采取提下处理方案对选矿厂地基和基础进行处理：①采用注浆法对场地地基进行处理，充填混合土中的天然土洞，并对土体进行加固；②单液硅化法与充填固结法相结合的注浆处理工艺，即先进行浅层单液硅化法注浆，再进行浅层充填固结注浆，最后进行深孔充填固结注浆；③在地基处理达到要求后，采用顶升纠偏对3个球磨机基础进行顶升纠偏；④对其他建（构）筑物基础进行简单处理并重新施工厂房内地坪及排水水槽，进行严格防水。第四部分注浆处理试验研究第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓鉴于初步确定的地基处理方案无类似工程经验，且项目所在地区建筑经验缺乏，为验证拟采用的地基处理方案的可行性和取得必要的注浆经济技术数据，使注浆加固方案更符合实际情况，使注浆治理工程设计、施工、检测更为规范，确保工程质量，先后进行了注浆处理预试验和扩大试验，取得了一系列成果，保证了本项目地基处理的成功。在试验研究工作开始前，有针对性的的选择了试验研究场地进行对比试验研究。其中，预试验阶段选取了2块一般场地，面积分别为144m

和48m

；扩大试验阶段阶段选择一般场地567m

，222重要设备基础123.4m2。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.1注浆试验研究须解决的主要问题试验研究须解决的主要问题有：①注浆法作为本工程地基处理的主要手段是否合适；②选择适合本工程的注浆方案和适宜的注浆方法；③确定适合本工程岩土工程条件的注浆材料和适宜的稳定浆液配合比；④确定能够满足地基处理合格标准的注浆孔布设方式；⑤提出简便易行、保证质量的施工工艺，确定工艺参数；⑥为确保试验过程中地基和基础的状态稳定，现场试验全过程均应进行高精度监测，在高海拔、严寒地区的监测内容、方法等须进行现场试验；⑦为确保地基处理质量，须选择适宜的质量检测方法和检测频率，确定工程合格标准。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.2试验研究的主要内容①注浆材料选择及稳定浆液配合比试验在试验研究过程中，先后进行注浆材料试验24组，稳定浆液配合比试验48组，选定了本工程使用的注浆材料，明确了稳定浆液技术标准，推荐了注浆使用的稳定浆液配合比。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.2试验研究的主要内容②注浆方案对比试验在现场试验过程中，结合工程实际，进行了注浆方案对比试验；注浆孔布设方法的试验研究；注浆方法试验研究；注浆工艺参数研究；高精度变形监测试验研究；地基处理合格标准和检测方法的试验研究等工作。通过以上试验研究，总结了一整套注浆处理施工方案，明确了注浆方法、工艺参数、变形监测、质量检测的技术成果。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⑴采用注浆法作为敦德矿业有限公司选矿厂地基处理方案是可行的。⑵注浆方法采用上部单液硅化法与下部充填固结法相结合，能够满足本工程地基处理的技术要求。⑶根据场地岩土工程条件和材料供应情况，确定采用水泥、水玻璃、工业用盐为本工程主要注浆材料。⑷本工程注浆方法采用单液硅化法与充填固结法相结合的注浆处理工艺，即先进行浅层单液硅化法注浆，再进行浅层充填固结注浆，最后进行深孔充填固结注浆。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⑸根据现场注浆试验成果，本工程注浆孔距确定为2.5-3.5m，排距为2.5-3.0m，采用梅花形布置；注浆场地外围设置1排帷幕注浆孔，其余为充填、固结注浆孔。⑹注浆施工顺序①先帷幕孔施工，后充填、固结孔施工；②帷幕孔按“分序加密、隔孔灌注”原则实施，共分二序施工；③固结孔按“分序加密、隔排隔孔灌注”的原则实施，即间隔一排灌注，同一排的孔与孔之间隔孔灌注，共分3序施工；④同一次序的孔可以同时施工；不同次序的孔，在前一次序的孔全部注浆完成后，方可进行后一次序孔的钻孔施工。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⑸根据现场注浆试验成果，本工程注浆孔距确定为2.5-3.5m，排距为2.5-3.0m，采用梅花形布置；注浆场地外围设置1排帷幕注浆孔，其余为充填、固结注浆孔。⑹注浆施工顺序①先帷幕孔施工，后充填、固结孔施工；②帷幕孔按“分序加密、隔孔灌注”原则实施，共分二序施工；③固结孔按“分序加密、隔排隔孔灌注”的原则实施，即间隔一排灌注，同一排的孔与孔之间隔孔灌注，共分3序施工；④同一次序的孔可以同时施工；不同次序的孔，在前一次序的孔全部注浆完成后，方可进行后一次序孔的钻孔施工。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⑹球磨机基础注浆孔布设为：①平面布设沿球磨机基础周边布设，孔间距2.5m；②球磨机基础注浆加固深度为28m；③球磨机基础单液硅化法注浆前，应先对基础埋深范围内的回填土进行充填固结处理；④球磨机基础注浆孔每个孔位不同深度和角度钻孔布设见下图：第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⑺一般场地注浆单孔施工方法为：①首先进行浅层单液硅化法注浆；②完成后进行浅层充填固结注浆；③最后进行深层充填固结注浆。⑻球磨机基础施工方法为：①进行回填土充填固结注浆；②浅层直孔单液硅化法注浆；③浅层直孔充填固结注浆；④浅层斜孔单液硅化法注浆；⑤浅层斜孔充填固结注浆；⑥深层直孔充填固结注浆；⑦深层斜孔充填固结注浆。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⑼注浆过程中各孔段注浆压力按下表控制：孔口进浆管控制压力注浆阶段帷幕孔（MPa）充填、固结孔（MPa）0.20.30.70.30.51.00.10.51.0浅孔单液硅化注浆浅孔充填固结注浆深孔充填固结注浆地基回填土固结注浆浅孔斜孔充填固结注浆深孔斜孔充填固结注浆⑽本工程注浆流量（注入率）：单液硅化法按40-60L/min控制，充填固结法按70-100L/min控制。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⑾注浆结束标准①对帷幕注浆孔，在要求的注入率下，各注浆段的孔口注浆压力达到表设计压力并维持10min，结束该段注浆；②对充填、固结注浆孔，在要求的注入率下，各注浆段的孔口注浆压力达到设计压力并维持15min，结束该段注浆；③距注浆孔口3.0m以外范围冒浆，结束注浆；④各类注浆孔，在要求的注入率下，当注浆段的孔口注浆压力陡升，超过设计压力值后，难以维持稳定，继续上升，可直接结束该段注浆。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⑿通过现场试验研究，最终确定的注浆质量检测方法和合格指标如下表：检测方法质量评价标准综合评价注浆后波速值应满足：注浆后面波波速值应较注浆前提高50％以上面波法1、根据勘探、注浆资料、并结合检测数据，进行比对分析后，对注浆质量进行综合确定。2、面波测试达到以下两项要求即可认为注浆质量合格：1）85%的测试值达到质量评价标准；2）小于质量评价标准的85%的测试值不超过5%，且不集中。通过探井断面观察和钻探取芯检查结石充填裂隙的情况。好的注浆效果应是在透浆裂隙中都充填有水泥结石或团块。地层中土洞已被充填。检查孔探井、钻孔检查⑴在钻孔中进行重型动力触探，击数大于20击/10cm；原位测试⑵浸水载荷试验试验结果，地层已不具湿陷性，承载力特征值fak≥300KPa3、载荷试验合格率达到100%。第四部分

注浆处理试验研究务实创新开拓4.3试验研究的主要技术成果⒀为确保注浆工程质量，减少注浆工作对既有建(构）筑物的影响，必须对现有建(构)筑物及厂房内设备基础进行严格的变形监测。变形监测技术要求如下：①注浆工程开始前，应先布设沉降观测网，在施工过程中随时监测变形情况；②沉降观测方法为水准法，采用往返测量，测量等级为四等。测量时按二等水准测量精度要求观测，计算时按测量四等精度计算，相关作业主要技术要求如下表：等级二等视线长度(m)50前后视距差(m)1视距差累计(m)3视线离地面最低高度(m)0.2③每次监测结果应经过平差，测量精度高过四等精度要求，方可作为变形分析的依据。第五部分高精度顶升纠偏试验研究第五部分

高精度顶升纠偏试验研究务实创新开拓5.1顶升纠偏主要技术要点和难点①顶升反力系统的建立由于球磨机基础自身及设备重量较大，虽经处理后的粗粒混合土地基可以满足设计承载力要求，但其作用在地基上的荷载为均布荷载，顶升纠偏时各顶升点均为集中荷载，因此必须建立顶升纠偏反力系统，顶升反力系统的选择成为一大难题。②顶升应力的分布对处理后的粗粒混合土地基，球磨机基础及设备等附加应力为非均布荷载，且附加应力分布较为复杂，顶升应力的分布尤为重要，若顶升应力分布不合理，则会导致施工过程中设备基础急速倾斜、顶升反力系统破坏、设备基础破坏等情况。第五部分

高精度顶升纠偏试验研究务实创新开拓5.1顶升纠偏主要技术要点和难点③顶升应力的传递在顶升应力合理分布的前提下，顶升设备与基础底面之间的应力传递和扩散也是一大技术难题，无论单一顶升点位还是整体顶升系统，若顶升应力无法有效的作用在基础底面附加应力相对应的位置，集中的顶升应力无法有效扩散在基础底面和反力系统顶面有效扩散，极易造成顶升失败或破坏基础混凝土等情况。④设备荷载的传递反力系统施工过程中和在顶升工作完成后，必须有有效的应力传递系统，将设备基础及设备荷载传递至反力系统顶面和基础顶面，确保在施工过程中和顶升系统撤除时，设备基础及设备的安全稳定，同时传递系统应有足够刚度，确保沉降变形在精度控制要求之内。第五部分

高精度顶升纠偏试验研究务实创新开拓5.1顶升纠偏主要技术要点和难点⑤顶升系统的选择根据本工程实际，选择的顶升系统，应具备顶升精度高、控制方便、可根据实时顶升情况自动调整顶升系统压力和位移等功能。⑥顶升精度控制及高精度测量高精度的顶升施工，必须建立在高精度的测量控制系统之上，顶升精度如何控制是纠偏施工是否达到预期要求的直接控制指标，在顶升过程中应随时跟踪量测并及时反馈至顶升控制系统，确保顶升过程精度。⑦顶升后基底处理顶升纠偏施工结束后，基础底面与地基土之间因设备基础的上升会产生一定空隙，必须针对此空隙进行处理，若处理不当，则会造成顶升设备撤出后基础再次发生沉降，导致顶升纠偏施工最终失败。第五部分

高精度顶升纠偏试验研究务实创新开拓5.2顶升试验过程中采取的主要技术措施①人工挖孔桩反力系统针对该设备基础自身情况和特点，本工程通过人工挖孔灌注桩及桩承台组成反力系统，进行顶升纠偏。根据计算结果，共布设人工挖孔桩11根，桩径800mm，桩长10.0米，桩顶1.5米范围内配筋。桩承台尺寸：长宽均为1500mm，高度1000-1200mm,承台全部进行配筋。②千斤顶的布置及应力的传递根据设计图纸要求每根人工挖孔灌注桩桩承台尺寸以及荷载大小布置千斤顶，力控大于200t放置3个千斤顶，小于200t放置2个千斤顶，共布设千斤顶33个。为防止千斤顶在顶升过程中因应力集中破坏基础混凝土，在基础底面及挖孔桩承台顶面均布置厚度为20mm的钢板，作为应力扩散作用。第五部分

高精度顶升纠偏试验研究务实创新开拓5.2顶升试验过程中采取的主要技术措施③设备荷载传递系统选择与施工现场采用Q235B材质，HW250×250×9×14mm的H型钢作为传递构件，每一承台位置，截取3根预留承台至基础间距的型钢构件。④顶升系统的选择本工程顶升纠倾设备采用具有施工精度高、仪器操作便捷等优点的PLC整体顶升控制系统，千斤顶采用单体承载力为200吨液压自锁千斤顶。采用精度为0.1mm的位移传感器，位移传感器位于每一根人工挖孔灌注桩上，顶升纠倾过程中对位移数值进行实时监测。第五部分

高精度顶升纠偏试验研究务实创新开拓5.2顶升试验过程中采取的主要技术措施⑤顶升精度控制及高精度测量方法在球磨机基座四个几何图形拐角点处布设监测点4点，另外选择在电动机基座的四个几何图形拐角点处布设监测点4点，在顶升过程中，随时测量球磨机机座和电动机机座高程变化，根据测量结果调整顶升系统各不同顶升点顶升位移。⑥顶升精度的保持采用不同厚度钢板填塞顶升空隙，最大限度减少顶升系统撤除后设备基础的沉降。⑦顶升结束后基底的处理方法顶升纠偏结束后，对前期预留安装千斤顶的空间使用微膨胀混凝土进行浇筑，膨胀混凝土浇筑结束后，对桩间土及基础底部进行注浆处理。