廣州夏茅村巖溶地面塌陷成因機(jī)理與塌陷過程分析

郭 宇，周心經(jīng)，鄭小戰(zhàn)，李晶晶

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510440)

0 引言

巖溶地面塌陷往往是由自然因素或人類抽取地下水而引起的。隨著城市化進(jìn)程的加速及經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，廣州市西北部的廣花盆地等巖溶發(fā)育區(qū)承載了大量的工程建設(shè)項(xiàng)目。工程建設(shè)抽水引發(fā)的巖溶問題對工程地基穩(wěn)定性影響是廣州乃至全世界都面臨的長期困擾。因此，摸清巖溶塌陷的規(guī)律，分析其成因機(jī)理，探索行之有效的處理方法，已經(jīng)成為巖溶地面塌陷研究領(lǐng)域的重大技術(shù)難點(diǎn)之一[1-2]。

廣花盆地地處廣州市西北部且分布大面積可溶性碳酸鹽巖。廣州市白云區(qū)夏茅村巖溶地面塌陷位于廣花盆地的中南部，2008年12月19日發(fā)生巖溶地面塌陷，多棟民房損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失約300萬元。隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，人地關(guān)系愈發(fā)緊張，新建工程越來越多選址在廣花盆地巖溶發(fā)育區(qū)，因此，針對該區(qū)域的巖溶地面塌陷展開深入研究對加強(qiáng)區(qū)域規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工活動(dòng)等一系列工作具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。目前已有不少專家和學(xué)者對廣花盆地巖溶問題進(jìn)行了一定程度的研究，如黃健民[3]、鄭小戰(zhàn)[4]和郭宇[5]等對廣花盆地南部的金沙洲地區(qū)進(jìn)行了大量的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究，對金沙洲地區(qū)的巖溶發(fā)育和塌陷機(jī)理做了相關(guān)分析，積累了寶貴的資料；劉勇健等[6]對廣花盆地巖溶塌陷特征以及致塌機(jī)理作了整體分析，主要側(cè)重點(diǎn)在宏觀層面，具有一定的指導(dǎo)性；駱榮等[7]對廣花盆地西北部的赤坭地區(qū)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，并對巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制進(jìn)行了深入的分析，為當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害防治提出了指導(dǎo)性意見；蘇扣林等[8]對廣州市荔灣區(qū)大坦沙島的巖溶穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)，為該島的未來規(guī)劃提供了建設(shè)性的建議；此外，涂婧等[9]對武漢市江夏區(qū)的黏土蓋層巖溶塌陷進(jìn)行了致塌模式分析，探討了塌陷的變化過程；繆世賢等[10]對徐州市的巖溶發(fā)育進(jìn)行了調(diào)查研究；肖攀等[11]對貴州水城盆地巖溶地面塌陷進(jìn)行了成因分析。

本文在前人對廣花盆地和其它盆地研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合夏茅村巖溶地面塌陷的現(xiàn)場資料和有關(guān)數(shù)據(jù)，從地質(zhì)災(zāi)害的基本特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖溶塌陷機(jī)理以及塌陷過程分析等方面，深入研究了該地區(qū)的塌陷模式及演化機(jī)理，旨在為城市規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)營管理和地質(zhì)災(zāi)害防治等方面提供有價(jià)值的研究成果。

1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征

研究區(qū)北與江高鎮(zhèn)隔河相望，東與均禾、嘉禾、鶴龍街毗鄰，南與黃石、新市、石井接壤，西與石門街相鄰。北邊有華南快速干線三期城市快速路及北二環(huán)高速公路，東側(cè)有機(jī)場高速公路及廣花路，西側(cè)有京廣鐵路線及廣清高速公路，交通十分便捷。受夏茅村向西街五巷18號房基勘探鉆孔(BZK4)的誘發(fā)，2008年12月19日16時(shí)，夏茅村向西街及沙園坊街發(fā)生巖溶地面塌陷?，F(xiàn)場共發(fā)育5個(gè)地面塌陷坑，分別位于向西街8巷16號(DT5)、6巷16號(DT4)、3巷13號(DT3)、5巷北端(DT1)及沙園坊7巷6號(DT2)，其中向西街6巷16號房低層建筑全部沉入塌陷坑中，沙園坊華富街7巷6號房底部大半沉入塌陷坑中(基礎(chǔ)為10～13 m的樁基)。5巷北端塌陷坑面積最大(DT1)，為163 m2，其它單個(gè)陷坑面積一般70.4～86.0 m2，坑內(nèi)充水，水面距地面約0.5 m，未見地下水流動(dòng)跡象(圖1)。

圖1 夏茅村巖溶地面塌陷坑及地面變形裂縫位置分布圖Fig.1 Location of karst ground collapse pit and ground deformation crack in Xiamao Village

伴隨本次地面塌陷，發(fā)育有多處地面變形。研究區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷和地面變形災(zāi)害嚴(yán)重，事故雖未造成人員傷亡，但已損毀房屋8幢，數(shù)十處房屋墻壁及地面出現(xiàn)開裂、變形，地面裂縫多呈近東西向，災(zāi)害影響范圍約5 000 m2，直接經(jīng)濟(jì)損失約300萬元。根據(jù)鑒定，受巖溶地面塌陷毀壞及影響的住宅樓有81棟，建筑面積達(dá)23 308 m2。其中僅8棟住宅樓主體承重構(gòu)件基本未受損傷，暫未發(fā)現(xiàn)有因承載能力不足而引起損壞的現(xiàn)象；有38棟住宅樓受到輕微損壞，其主體承重構(gòu)件保持完好；有15棟住宅樓存在一般性損傷，主體承重構(gòu)件少量損壞，圍護(hù)墻體稍有裂縫和地基基礎(chǔ)有輕微不均勻沉降現(xiàn)象；有2棟房屋承重構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p壞，顯著影響整體承載功能和使用功能，影響正常使用；有18棟住宅房屋屬于危房，應(yīng)立即停止使用，地面塌陷和地面沉降發(fā)育程度強(qiáng)、危害大、潛在危險(xiǎn)性大。

2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征

研究區(qū)位于白云區(qū)石井街夏茅村向西北街與沙園坊華富街接壤區(qū)，區(qū)內(nèi)總體地勢平坦，地面標(biāo)高6.5～8.3 m，屬廣花盆地河谷沖積平原地貌。巖溶地面塌陷地段下伏基巖為石炭系壺天群可溶性碳酸鹽巖，直接隱伏于第四系粉質(zhì)黏土之下，據(jù)本次勘查及物探資料，巖溶形態(tài)主要有溶洞、溶隙發(fā)育帶、溶溝和溶槽，其中溶洞、溶隙發(fā)育帶、溶溝最為常見。區(qū)內(nèi)發(fā)育北北東向F10及近東西向F12兩條斷裂構(gòu)造帶，其斷層帶物質(zhì)為構(gòu)造角礫巖，巖體破碎，兩側(cè)分布有一定寬度的節(jié)理裂隙密集帶(影響帶)，斷層破碎帶及影響帶不僅直接為地下水的運(yùn)移提供了良好通道，而且沿?cái)鄬悠扑閹Щ規(guī)r的巖溶作用強(qiáng)烈，溶洞、溶槽及溶溝等巖溶發(fā)育。研究區(qū)第四系普遍發(fā)育含水砂土層，局部地段發(fā)育上、下兩層含水中粗砂、粉土結(jié)構(gòu)體，厚度約3.5～11.1 m，含有豐富的地下水，地下水向基巖垂直下滲補(bǔ)給，為巖溶、土洞的發(fā)育提供了充足的地下水補(bǔ)給。

研究區(qū)巖溶地面塌陷地段上覆松散蓋層中粗砂層中賦存豐富的松散巖類孔隙潛水，下伏基巖可溶性碳酸鹽巖中賦存巖溶裂隙溶洞水，兩者間雖然隔著粉質(zhì)黏土層，由于粉質(zhì)黏土層含較多的角礫、碎石、具有一定的滲透性能，中粗砂層中的潛水能夠穿過粉質(zhì)黏土層垂直下滲，匯集于巖溶發(fā)育帶集中補(bǔ)給巖溶裂隙溶洞水。由于粉質(zhì)黏土的厚度大、滲透性能弱，其形成土洞的時(shí)間長、規(guī)模大?？紫端┻^粉質(zhì)黏土層匯集于F10、F12附近下滲集中補(bǔ)給巖溶裂隙水，為巖溶塌陷提供了很好的水動(dòng)力循環(huán)條件。

3 巖溶塌陷形成機(jī)理

第四系覆蓋土層厚度總體上較大，一般15.7～31.6 m，且存在東厚西薄、北厚南薄的趨勢，最厚處達(dá)55 m，平均18.9 m，承載力特征值70～280 kPa。第四系砂土層厚度總體上分布較均勻，局部變化偏薄，厚度一般4.9～9.6 m，零星幾處偏厚達(dá)12.05～12.4 m，最薄處僅1.2～1.3 m。以向西街四巷為界，西側(cè)分布有兩層砂土層，上部為灰白色中、粗砂，下部為粉土或粉細(xì)砂，東側(cè)僅分布有一層砂土層，為粉土或粉細(xì)砂層。第四系軟土層厚度分布不均勻，厚度變化差異很大，總體上為東厚西薄，西部厚度一般3～6.3 m，且在西部兩側(cè)基本無軟土分布，最厚處達(dá)8.7 m，中間一帶為上、下兩層淤泥；東部軟土層主要分布于沙園坊華富街7巷6號一帶，淤泥層厚度非常大，厚度普遍在10.0 m 以上，最厚處超過33.0 m。淤泥質(zhì)土飽水，孔隙比大，含水量高，抗剪強(qiáng)度低，工程地質(zhì)性狀差，為建筑場地的不良地質(zhì)體。

巖溶地面塌陷是以覆蓋層粉質(zhì)黏土層或砂類土層的擾動(dòng)和土洞的形成為起點(diǎn)的。根據(jù)勘查區(qū)上覆蓋層二元結(jié)構(gòu)的特征，區(qū)內(nèi)地面塌陷及土洞的發(fā)育過程可分為兩種模式：

3.1 “下黏上砂”二元結(jié)構(gòu)模式

覆蓋層二元結(jié)構(gòu)(圖2)下部為黏性土，上部砂性土，兩層都厚度較大，土洞往往形成于下部的厚黏性土層中，由于黏性土層黏粒含量較多，具有一定的內(nèi)聚力，自立成拱能力較強(qiáng)，土洞形成時(shí)間漫長，因該黏性土層非均一介質(zhì)，在較大水力坡降條件下能造成滲透變形，長期的地下水位波動(dòng)造成黏性土層細(xì)顆粒的逐漸流失，從而在土層中形成漏斗狀拱形土洞，隨著土洞規(guī)模的不斷擴(kuò)大，土洞最后發(fā)展到與砂層接觸面附近，隨著砂層的擾動(dòng)破壞會直接傳遞到砂層頂部，在自重和各種觸發(fā)因素作用下發(fā)生地面塌陷。

圖2 “下黏上砂”二元結(jié)構(gòu)巖溶結(jié)構(gòu)模式圖Fig.2 Structural model of karst collapse with “l(fā)ower clay and upper sand”

該類塌陷發(fā)育主要特征是土洞發(fā)育時(shí)間長，規(guī)模大，破壞時(shí)間短，突發(fā)性強(qiáng)。一般情況下不易發(fā)生塌陷，一旦發(fā)生，破壞性特別強(qiáng)，時(shí)間短，破壞的臨界土洞洞頂處于黏性土與砂性土層的接觸帶。

3.2 “下黏上砂、軟土”多元結(jié)構(gòu)模式

覆蓋層為多元結(jié)構(gòu)(圖3)：下部為黏性土，上部砂性土、軟土，其中黏性土、砂性土層厚度較大、軟土厚度不大。該類結(jié)構(gòu)塌陷模式與“下黏上砂”二元結(jié)構(gòu)模式類似，土洞往往形成于下部的厚黏性土層中，由于黏性土層黏粒含量較多，具有一定的內(nèi)聚力，自立成拱能力較強(qiáng)，土洞形成時(shí)間漫長，因該黏性土層非均一介質(zhì)，在較大水力坡降條件下能造成滲透變形，長期的地下水位波動(dòng)造成黏性土層細(xì)顆粒的逐漸流失，從而在土層中形成漏斗狀拱形土洞，隨著土洞規(guī)模的不斷擴(kuò)大，土洞最后發(fā)展到與砂層接觸面附近，隨著砂層的擾動(dòng)破壞逐步地傳遞到砂層與軟土層接觸面，由于軟土的抗剪強(qiáng)度低，難以抵抗上部荷載的的作用，在附加荷載和各種觸發(fā)因素作用下發(fā)生沉降或直接塌陷。

圖3 “下黏上砂、軟土”多元結(jié)構(gòu)巖溶塌陷模式圖Fig.3 Karst collapse mode of “l(fā)ower clay and upper sand and soft soil”

該類塌陷發(fā)育主要特征是土洞發(fā)育時(shí)間長，規(guī)模大，破壞時(shí)間短，突發(fā)性強(qiáng)。一般情況下不易發(fā)生塌陷，一旦發(fā)生，破壞性特別強(qiáng)，時(shí)間短，破壞的臨界土洞洞頂處于黏性土與砂性土層的接觸帶。該類結(jié)構(gòu)塌陷主要分布于壺天群的灰?guī)r分布地段，是勘查區(qū)主要塌陷結(jié)構(gòu)類型。

塌陷區(qū)的巖溶塌陷致塌機(jī)制主要為機(jī)械貫穿作用。該作用的機(jī)理為：溶洞、土洞含水層上覆蓋有飽水而且具有蝕變性的疏松土層，在土木工程施工成樁過程中，破壞地下洞穴的隔水頂板，貫穿了第四系水與土洞、基巖裂隙溶洞水的水力聯(lián)系，在地下水的滲流方向突變、垂直方向滲透動(dòng)水壓力迅速增加的時(shí)候，土層突然液化，伴隨上層第四系水涌入土洞、溶洞中，從而導(dǎo)致地面塌陷。

4 塌陷過程分析

從現(xiàn)有的資料分析，夏茅巖溶地面塌陷發(fā)育大約經(jīng)歷了以下四個(gè)階段，第一階段為土洞雛形形成階段，第二階段為土洞發(fā)展擴(kuò)大階段，第三階段為暫時(shí)性平衡穩(wěn)定階段，第四階段為突發(fā)性地面塌陷階段。

4.1 土洞雛形形成階段

根據(jù)塌陷區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特征及土洞發(fā)育分布規(guī)律，推斷塌陷區(qū)土洞的形成與夏茅煤礦及大朗煤礦的采礦活動(dòng)有關(guān)。

據(jù)調(diào)查，夏茅煤礦從標(biāo)高-150 m、-190 m、-210 m、-250 m、-280 m和-310 m六個(gè)不同水平的巷道進(jìn)行采礦活動(dòng)，全礦共開采煤量約5.3×105t；大朗煤礦雖未成規(guī)模開采，但零星的采礦活動(dòng)也在標(biāo)高-50 m以下。采礦過程中的抽水及采礦巷道終采后形成的空間都將可能使地下水進(jìn)行交替循環(huán)。據(jù)訪，采礦活動(dòng)的初期階段，因采礦需要，存在大量的抽排水活動(dòng)，采礦過程中的抽排水及煤礦閉坑后的巨大儲水空間，使巖溶裂隙水長期補(bǔ)給礦坑巷道，促使第四系松散巖類孔隙水以散流的形式匯集于巖溶通道(巖溶洞隙發(fā)育帶)附近形成管道流，尤其通過斷層構(gòu)造破碎帶側(cè)向補(bǔ)給采礦巷道及采空區(qū)，引發(fā)巖溶水的徑流，從而使巖溶洞隙上覆的第四系松散巖類孔隙潛水垂向下滲補(bǔ)給巖溶水，形成地下水循環(huán)，即巖溶洞隙發(fā)育地帶成為地下水的活躍帶(鉆孔BZK4及其周邊)。地下水的徑流具有一定的滲透力，特別在基巖面附近，將掏蝕、潛蝕第四系土層，使細(xì)顆粒成分先行被帶走，最終在土層與巖溶洞隙接觸處形成拱形土洞，逐漸發(fā)育成土洞雛形(圖3)。

4.2 土洞發(fā)展擴(kuò)大階段

由于土洞形成于具有一定黏性的粉質(zhì)黏土層中，雛洞不可能在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大成較大規(guī)模的土洞。因此，土洞的發(fā)展擴(kuò)大需要第四系松散巖類孔隙水長期補(bǔ)給巖溶裂隙水，而且?guī)r溶裂隙水長期處于水位上下波動(dòng)變化之中，作用于土層與基巖面交接部位。一方面地下水位的波動(dòng)對土體有潛蝕、掏蝕作用，另一方面第四系松散巖類孔隙水補(bǔ)給巖溶裂隙水具有滲透破壞作用，使蓋層土體逐漸流失產(chǎn)生流土。隨著夏茅、大朗煤礦采礦活動(dòng)的繼續(xù)，及其他直接抽取灰?guī)r溶洞水的人類工程活動(dòng)的開展，使灰?guī)r溶洞水長期處于徑流、循環(huán)交替中。巖溶水的徑流，促使上部的第四系松散巖類孔隙水發(fā)生垂向補(bǔ)給。地下水循環(huán)的長期作用使雛洞由基巖面附近逐漸向上發(fā)展，從而形成土洞(本次勘查揭露的溶洞、土洞基本上位于基巖面接觸帶附近，也為其典型的例證)(圖4)。

圖4 土洞發(fā)展擴(kuò)大階段Fig.4 Development and expansion stage of soil cave

4.3 暫時(shí)性平衡穩(wěn)定階段

20世紀(jì)90年代以后，隨著夏茅煤礦、大朗煤礦及勘查區(qū)其他人類工程活動(dòng)的暫停，抽排地下水活動(dòng)也處于暫停階段。由于塌陷區(qū)內(nèi)降雨量充足、地表水豐富，第四系松散巖類孔隙水有充足的水源，通過不斷的補(bǔ)給，采礦形成的地下巷道及采空區(qū)很快被水充滿。地下水的水循環(huán)活動(dòng)也由活躍期逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎＞徛募竟?jié)性水循環(huán)交替期，溶洞、土洞中充滿地下水。土洞的擴(kuò)大發(fā)展處于休止階段，即暫時(shí)性平衡穩(wěn)定階段(圖5)。

圖5 暫時(shí)性平衡穩(wěn)定階段Fig.5 Temporary equilibrium and stable stage

4.4 突發(fā)性地面塌陷階段

2008年前后，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)活動(dòng)又日益活躍，并有所加強(qiáng)，塌陷區(qū)民房建設(shè)由原來二、三層的低矮建筑逐漸加高至現(xiàn)在的八、九層，增加了地面荷載，西邊開始修建白云湖、石井河朗環(huán)圍排洪站(水閘)及地下排污管道等大量的地下工程活動(dòng)。地下工程建設(shè)必須要進(jìn)行一定量的抽排地下水活動(dòng)，原來處于正常緩慢的季節(jié)性地下水循環(huán)交替重新開始活躍起來，溶洞、土洞中的部分水量被抽排掉，使原來充滿地下水的土洞、溶洞形成水、氣混合體的臨塌洞體。當(dāng)5巷18號鉆孔施工時(shí)，對局部的臨時(shí)平衡狀態(tài)進(jìn)行了擾動(dòng)，揭穿了黏性土層形成的土洞蓋板，加上鉆孔水循環(huán)，使砂性土層很快變形破壞，土洞快速擴(kuò)大，在上部土體及外荷載作用下，迅速發(fā)生塌陷，因發(fā)育于塌陷區(qū)附近的溶洞、土洞連通性好，因而在短時(shí)間內(nèi)能迅速蔓延開來，從而形成了“12·19”大規(guī)模的巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。即5巷18號鉆孔樁施工破壞了塌陷區(qū)地下水、氣的平衡狀態(tài)，誘發(fā)了本次巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害(圖6)。

圖6 突發(fā)性地面塌陷階段Fig.6 Stage of sudden ground collapse

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件極其復(fù)雜，第四系覆蓋土層厚度大，底部粉質(zhì)黏土層土洞發(fā)育、隱伏基巖為壺天群灰?guī)r，溶洞及斷層破碎帶發(fā)育，單個(gè)溶洞、土洞規(guī)模較大，溶洞與溶洞、土洞與溶洞之間連通性能較好。巖溶地面塌陷是以覆蓋層粉質(zhì)黏土層或砂類土層的擾動(dòng)和土洞的形成為起點(diǎn)的，塌陷區(qū)的巖溶塌陷致塌機(jī)制主要為機(jī)械貫穿作用，塌陷過程經(jīng)歷了土洞雛形—土洞擴(kuò)大—平衡穩(wěn)定—突發(fā)地面塌陷四個(gè)階段。

5.2 建議

塌陷區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件非常復(fù)雜，溶洞、土洞發(fā)育，且具有一定規(guī)模，連通性能較好，建議今后不宜在勘查區(qū)及其周邊500 m范圍進(jìn)行地下工程建設(shè)活動(dòng)及抽、排巖溶地下水行為，避免地下水動(dòng)力條件發(fā)生改變，再次發(fā)生巖溶地面塌陷。同時(shí)建議做好地下水長期監(jiān)測及地面、建筑變形監(jiān)測網(wǎng)，進(jìn)行地下水及變形長期監(jiān)測，以便掌握勘查區(qū)地下水位及地面、建筑物變形的動(dòng)態(tài)變化，隨時(shí)對巖溶地面塌陷進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。