南京市地面塌陷發(fā)育特征及影響因素

張?zhí)?劉紅櫻,蘇晶文,田福金

(南京地質(zhì)調(diào)查中心, 江蘇南京 210016)

南京市是長江三角洲地區(qū)承東啟西的國家重要產(chǎn)業(yè)城市.南京市發(fā)生了大面積的地面塌陷,已成為人們關(guān)注的城市地質(zhì)災(zāi)害.

1 南京市地面塌陷現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì),至2007年南京市共發(fā)現(xiàn)地面塌陷21處,塌陷坑63個,其中巖溶塌陷坑29個,采空塌陷坑26個,工程塌陷坑8個,塌陷面積約45萬m2(表1).地面塌陷已造成了約6億元的經(jīng)濟(jì)損失,人員死亡5人.

表1 南京市地面塌陷類型和塌陷面積表

南京市2007年修建2號地鐵時發(fā)生了4處地面塌陷(圖1、圖2),造成地下水管、煤氣管破損,居民供電、供水、供氣部分中斷等嚴(yán)重?fù)p害.

2 地面塌陷類型

南京市地面塌陷最早發(fā)生于上世紀(jì)60年代,盛發(fā)始于八、九十年代,集中發(fā)生于江寧區(qū).主要地面塌陷類型有巖溶塌陷、采空塌陷和工程塌陷.

(1)巖溶塌陷分布

巖溶塌陷主要發(fā)生于棲霞區(qū)棲霞山、江南水泥廠、玄武區(qū)岔路口以及浦口區(qū)陳莊、江寧仙鶴門一帶,共發(fā)現(xiàn)塌陷6處,塌坑29個,規(guī)模為小型,總塌陷面積約2270m2.

棲霞山巖溶塌陷分布在三茅宮以西至桃花扇亭一帶[2、3](圖3),共有陷坑14個(表2).塌陷始發(fā)于1978年,陷坑平面呈橢圓或圓形、剖面上呈漏斗狀,直徑0.3～22.8m,可見深度0.6～7.6m,陷坑周圍多伴生環(huán)形張裂縫.江南水泥廠先后于1990年和1999年發(fā)生兩次地面塌陷,塌坑深達(dá)0.5～3m,面積約10～16m2,塌坑平面形態(tài)多呈圓形,塌坑周圍伴有環(huán)狀裂縫.南京火車站5km處的岔道口滬寧上行線K297～298間,發(fā)生地面塌陷2處,K297～050處從1964年共產(chǎn)生塌陷坑5個,塌陷深0.1～0.46m,直徑0.38～2.1m,分布范圍和深度不大,在滬寧上行線K298+800處發(fā)生塌陷較大,塌陷深度達(dá)8～10m,直徑40m左右,至2001年共產(chǎn)生塌坑4個,塌陷面積65m2.浦口區(qū)陳莊塌陷發(fā)生于2002年11月,發(fā)生塌坑2個,塌陷面積約13m2,塌坑近圓形,坑壁陡立,坑深1.5～1.8m,該塌陷呈繼續(xù)擴(kuò)大趨勢.江寧仙鶴門在1978年3～4月進(jìn)行為期一個月的群孔抽水試驗(yàn)時,在東部靈山南麓楊石橋村一帶出現(xiàn)裂縫,其長約百余米,寬3～4cm,深30～40cm,3處泉眼周邊出現(xiàn)地面塌陷.

表2 棲霞山巖溶塌陷情況一覽表

(2)采空塌陷分布

采空塌陷主要發(fā)育于南京市地下礦山開采形成的采空區(qū),據(jù)統(tǒng)計(jì)南京市梅山鐵礦、谷里銅礦、銅井金礦、九華山銅礦、安基山銅礦、云臺山硫礦、冶山鐵礦、愛景山鍶礦等八家礦山的采空區(qū)已出現(xiàn)塌陷坑26個,總塌陷面積約40.2萬m2,塌陷平面呈圓形、長方形或不規(guī)則形,剖面呈漏斗狀,深1～10m不等,除梅山鐵礦塌陷規(guī)模為中型,面積達(dá)37.5萬m2,塌陷深度在110m以上,余之皆為小型.區(qū)內(nèi)的采空塌陷及其采空區(qū)多未采取有效的防塌治理措施,僅采取了避讓警示措施,因此,今后若干年內(nèi)不僅現(xiàn)有塌陷規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大,而且還會出現(xiàn)新的塌陷坑.

(3)工程塌陷分布

隨著南京市人口的劇增,工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,工程塌陷引發(fā)的災(zāi)害日益嚴(yán)重(見表3).南京市工程地面塌陷主要集中發(fā)生于地鐵、隧道沿線等,據(jù)統(tǒng)計(jì)從2003年到2007年,南京地鐵1、2號線施工共發(fā)生8次地面塌陷,塌陷面積2～200m2不等,共約367m2,平面上多呈長方形或圓形,剖面上呈漏斗狀,深5～10m左右,伴生環(huán)狀裂隙,目前均已回填處理,處于穩(wěn)定狀態(tài).

表3 地鐵開發(fā)引發(fā)的地面塌陷一覽表

3 孕災(zāi)環(huán)境

地質(zhì)環(huán)境是地面塌陷發(fā)生的載體,人類工程活動是地面塌陷的主要誘發(fā)因素.

(1)地質(zhì)環(huán)境

南京市呈四周山巒起伏,長江橫穿市區(qū),秦淮河縈繞古城內(nèi)外之勢.地貌上可分為低山丘陵、波狀平原、沖積平原等3種類型.

在低山丘陵和波狀平原區(qū)地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源,據(jù)統(tǒng)計(jì),南京市已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)近40種,探明儲量13.89億噸,其中石膏、硫鐵礦、銅、金、鉛、鋅等埋藏型礦種,占礦儲量總數(shù)的56%,目前,主要形成了以梅山鐵礦為中心的黑色金屬鐵鋼基地、棲霞山有色多金屬的采選加工基地、云臺山以黃鐵礦產(chǎn)地為主的化工原料加工基地等,據(jù)調(diào)查,上屬基地除石膏礦外,均發(fā)生過采空區(qū)地面塌陷[4].

南京市巖溶較發(fā)育,分布面積約580 km2,第四系覆蓋層厚度小于30m,分布于江北老山、江南的幕府山、棲霞山等地的震旦系、寒武系、奧陶系及石炭-三疊系碳酸巖,巖性以白云巖、灰質(zhì)白云巖、泥灰?guī)r等為主,其巖溶發(fā)育程度一般較低,僅在淺部或地表形成溶溝、溶槽、溶隙,下部一般較完整,但在構(gòu)造特別發(fā)育部位,能形成較大的巖溶洞穴,例如受斷裂的影響,在老山復(fù)式倒轉(zhuǎn)背斜東西傾沒端有大量泉出露,據(jù)1986年調(diào)查在西端湯泉至陳莊一帶,溫泉天然總流量達(dá)4591m3/d,冷泉總量達(dá)1985 m3/d.在仙鶴門、青龍山-孔山西北側(cè)以及麒麟門、南京火車站-模范馬路等地,主要發(fā)育三疊系周沖村組(T2z)的角礫狀灰?guī)r,在垂直和水平方向上均能發(fā)育形成較大的巖溶洞穴,淺部洞穴大多被松散巖類所充填,深部洞穴則富集地下水,據(jù)調(diào)查,目前已形成4個塌陷中心,極富地下水,單井出水量在2000～5000m3/d之間,豐富的地下水資源可以滿足城市用水需求,但也是工程建設(shè)重要的影響因素,因此,長期大量開采和抽排巖溶地下水,會引起巖(土)體失穩(wěn),產(chǎn)生地面塌陷,例如浦口區(qū)陳莊于2002年11月發(fā)生2處塌陷.

沖積漫灘平原區(qū)主要包括長江河谷漫灘、滁河河谷漫灘、秦淮河漫灘等3部分,第四系覆蓋層較厚,長江河谷漫灘平原沿長江兩側(cè)分布,沉積層厚度50～75m間,砂層一般厚30～40m,地下水極其豐富,單井涌水量達(dá)1000～5000m3/d;滁河河谷漫灘平原主要分布在江浦區(qū)老山山脈以北,沉積層厚度20～30m,砂層厚度在河床部位一般為5～10m,在漫灘與階地交接處多小于5m,單井涌水量達(dá)100～1000m3/d;秦淮河漫灘平原主要分布在南京市區(qū)及城南至江寧縣城一帶,沉積物厚度一般為20～30m,在城區(qū)最厚度可達(dá)40余米,砂層厚度一般為5～10m,在古河床部位可達(dá)15～25m,單井涌水量達(dá)100～300m3/d,局部地段涌水量可達(dá)1000～2500m3/d.此區(qū)域?yàn)槌擎?zhèn)密集區(qū),基礎(chǔ)工程建設(shè)量大,砂層分布較厚,在人為擾動條件下易發(fā)生砂土液化,加之強(qiáng)烈抽排地下水和土層上部高強(qiáng)度的加載,易引發(fā)基坑頂部土地失穩(wěn),產(chǎn)生了塌陷,例如修建地鐵2號線引發(fā)4處地面塌陷.

(2)人類工程活動活動

南京市轄11個區(qū)2個縣,總面積6582km2,截止2009年底,全市常住人口771.31萬人,比上年末增加12.42萬人,全市實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值4230.26億元,比上年增長11.5%,隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長,對資源和城市基礎(chǔ)設(shè)施的需求量逐漸增加,現(xiàn)南京市埋藏型礦床年開采量600萬噸,巖溶水年開采資源量3913萬m3,據(jù)南京市地鐵最新規(guī)劃,南京市擬建17條地鐵,共617.1km.大量的埋藏型礦產(chǎn)不合理開采和地下水疏干排水,形成采空區(qū)導(dǎo)致引發(fā)地面塌陷;地下水資源的大量開采,致使上層土地失穩(wěn),產(chǎn)生巖溶塌陷;城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),如基坑開挖、除排水、沉樁、盾構(gòu)掘進(jìn)等都可造成地面塌陷,若工程穿過易液化砂層或飽和淤泥質(zhì)軟土?xí)r可能造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn),導(dǎo)致基坑附近塌陷[1].

4 影響因素及形成機(jī)制

(1)巖溶塌陷影響因素及形成機(jī)制

南京市巖溶塌陷主要有兩個影響因素:強(qiáng)烈開采地下水和礦坑排水.在南京市隱伏灰?guī)r分布、裂隙溶洞發(fā)育區(qū),地下水資源非常豐富,由人工抽、排水的動力條件下,使地下水位波動,流水的不斷潛蝕使洞穴頂部的土體(覆第四系松散層厚度小于30m[3])被帶走,在長期循環(huán)往復(fù)的過程中,逐漸形成土洞,當(dāng)土體薄到如1～2m或更薄時,就出現(xiàn)了塌陷.例如棲霞山明鏡湖,曾因修整湖心亭工程擾動底泥,加上南京鉛鋅銀礦排水,引起塌陷.K297～298一線,處于楊坊山和長林村逆掩斷裂南側(cè),上覆第四系松散層厚度一般在10m左右,下覆為三疊系中統(tǒng)周沖村組(T2z)角礫灰?guī)r,巖溶溶洞特別發(fā)育,由于南京硫鐵礦不合理開采下部礦體和礦區(qū)地下水排水疏干,就導(dǎo)致了地面塌陷的發(fā)生.

(2)采空塌陷影響因素及形成機(jī)制

南京市采空塌陷的形成主要受礦體的埋藏分布、所處地質(zhì)構(gòu)造部位、頂板地層巖性、地下水作用、開采方法等因素影響.

南京市地下礦山主要采用無底柱采礦法,并且大部分采空區(qū)都沒有進(jìn)行回填,采空區(qū)頂板覆巖(土)失去了支撐,在重力作用下,逐漸改變了原始地應(yīng)力的平衡,產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中,但采空面積較大時,圍巖強(qiáng)度不足以抵抗上覆巖(土)體重力時,頂板巖層內(nèi)部形成的拉張應(yīng)力超過巖層抗拉強(qiáng)度極限時產(chǎn)生向下的彎曲和移動,進(jìn)而發(fā)生斷裂、破碎并相比冒落,巖(土)層離層滑動,導(dǎo)致塌陷發(fā)生.例如梅山鐵礦主要采用無底柱分段采空崩落法,而礦體上部沉積層厚度僅幾米,其余均為百余米的高嶺土化安山巖,裂隙較發(fā)育,風(fēng)化蝕變程度高,隨采礦空間擴(kuò)大,上部基巖逐步崩落,直至影響地面,就形成了地面塌陷.另外,由于地面塌陷的形成,也改變了塌陷區(qū)范圍內(nèi)的水文地質(zhì)條件,使匯水面積增大,地表水(水塘或溝)和淺層孔隙裂隙水向下滲漏,加劇了礦體上部基巖的風(fēng)化及對地層軟弱面和裂隙中的充填物沖刷和搬運(yùn),使巖體抗剪強(qiáng)度減弱,加快了塌陷的速度.在每次降水之后,塌陷區(qū)范圍均有明顯的發(fā)展.

(3)工程塌陷影響因素及形成機(jī)制

工程地面塌陷主要跟工程施工技術(shù)手段、地下水分布特征和地層巖性等相關(guān).

在南京市沖積漫灘區(qū),分布約5～40m厚的砂土層,水量豐富,在地下工程如地鐵、隧道、人防等在基坑開挖的過程中,由于施工震動、排疏地下水或突水,引發(fā)砂土液化,同時使地下水水位快速降低,加之地表車輛建筑物的擠壓,破壞了地應(yīng)力的平衡,使其上方的地表巖、土體失穩(wěn),在有地下空洞存在時,便產(chǎn)生塌陷.

5 防治措施

地面塌陷災(zāi)害與高度發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)、完善的城市基礎(chǔ)設(shè)施相耦合,必然放大災(zāi)害的破壞效應(yīng),因此防治地面塌陷為當(dāng)務(wù)之急.

(1)夯實(shí)南京市地面塌陷的基礎(chǔ)調(diào)查和研究工作,為防治工作提供翔實(shí)的基礎(chǔ)資料

在全市開展地面塌陷的專題調(diào)查評價研究,查明地面塌陷現(xiàn)狀、發(fā)育分布特征、孕災(zāi)環(huán)境及其致災(zāi)機(jī)理等,進(jìn)行地面塌陷易發(fā)性和風(fēng)險性評價,圈定災(zāi)害嚴(yán)重的區(qū)段,對重點(diǎn)區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)剖析,建立南京市地面塌陷信息系統(tǒng).翔實(shí)的基礎(chǔ)信息不僅可以服務(wù)于災(zāi)害防治,城市建設(shè),而且可以指導(dǎo)城市規(guī)劃.

(2)對地面塌陷進(jìn)行實(shí)時和長期監(jiān)測預(yù)報,以降低災(zāi)害損失

依據(jù)地面塌陷調(diào)查研究成果,對不穩(wěn)定地面塌陷點(diǎn)和潛在危險區(qū)段布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),及時獲得數(shù)據(jù),準(zhǔn)確分析前兆信息,并不斷提高監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測精度.日常監(jiān)測應(yīng)以群測群防為主,專業(yè)隊(duì)伍與群眾相結(jié)合的措施進(jìn)行監(jiān)測,對地面塌陷災(zāi)害點(diǎn)的演變趨勢及時進(jìn)行預(yù)報,盡可能減少地面塌陷災(zāi)害活動帶來的損失.

(3)及時采取工程和避讓措施

對嚴(yán)重危害人民生命及財(cái)產(chǎn)安全的地面塌陷災(zāi)害點(diǎn),可采用搬遷、注漿充填、建筑物采用樁基礎(chǔ)等工程處理方法進(jìn)行治理[6],防止地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害對建筑物產(chǎn)生危害.在城市規(guī)劃和工程選址時,必須進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險性評價,盡可能避開地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū).

(4)保護(hù)地質(zhì)環(huán)境,嚴(yán)格限制地下水和礦產(chǎn)資源的開采

南京市地面塌陷主要由于強(qiáng)烈開采地下水和地下礦床、地下工程不合理施工等誘發(fā),因此,應(yīng)對區(qū)域內(nèi)的巖溶地下水資源進(jìn)行評價和規(guī)劃[7],減少人工抽取地下水規(guī)模,使地下水位下降幅度不致過大;對區(qū)域內(nèi)的地下礦產(chǎn)資源應(yīng)進(jìn)行儲量評價和開發(fā)利用規(guī)劃,嚴(yán)格限制地下礦產(chǎn)的開采,并規(guī)范開采的技術(shù)和支護(hù)手段;在城市建設(shè)過程中,應(yīng)先查明區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件,進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險性評估,選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)施工手段,盡可能減少災(zāi)害風(fēng)險.

(5)加強(qiáng)行政立法,提高政府監(jiān)督和管理職能

逐步完善法律條文,將地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和治理的措施、礦業(yè)和工程單位應(yīng)盡的義務(wù)納入法律范疇,加大處罰力度,加強(qiáng)政府監(jiān)督職能.

6 結(jié)語

綜上所述,通過對南京市地面塌陷的發(fā)育分布規(guī)律和形成機(jī)制研究,表明南京市地面塌陷已嚴(yán)重威脅城市安全,并且隨著城市建設(shè)的擴(kuò)展,將會引發(fā)新的地面塌陷,毀壞農(nóng)田、建筑、森林、公路等,產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失.因此,對南京市開展地面塌陷和地質(zhì)環(huán)境詳細(xì)調(diào)查研究,對城市資源(地下水和地下礦產(chǎn)資源等)進(jìn)行合理規(guī)劃,限制開采等措施勢在必行.