白云山西側(cè)地區(qū)巖溶發(fā)育成因及地面塌陷治理分析

李亞軍 高 林

（1.廣東省佛山地質(zhì)局，廣東佛山 528000；2.廣東佛山地質(zhì)工程勘察院，廣東佛山 528000）

巖溶地面塌陷是廣州市及其周邊地區(qū)發(fā)育最強(qiáng)、分布最廣、危害最大的地質(zhì)災(zāi)害之一，主要分布于廣花盆地。本文以廣州市白云區(qū)江夏村的建設(shè)工程為實(shí)例，從巖土層特征、地質(zhì)構(gòu)造等角度分析了白云山西部地區(qū)的巖溶發(fā)育成因；從地質(zhì)環(huán)境特征、人類工程活動(dòng)等角度分析了地面塌陷的主要成因；針對(duì)治理地質(zhì)災(zāi)害的施工方法進(jìn)行了可行性探討。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

本文以“廣州白云江夏46畝地塊項(xiàng)目”為研究對(duì)象，擬建工程項(xiàng)目位于廣州市白云區(qū)黃石街道江夏村，南臨黃石東路及藍(lán)天新苑小區(qū)，東臨白云大道北及白云山風(fēng)景區(qū)。

擬建工程項(xiàng)目包括5棟高層住宅樓及若干座附屬設(shè)施等，最大建筑高度為134.40 m，設(shè)有1～2層地下室，基坑開(kāi)挖深度為5.45～9.25 m。

1.2 地層巖性

根據(jù)鉆孔揭露，場(chǎng)地地基巖土層按成因可劃分為人工填土（Qml）、第四系沖積層（Qal）、第四系風(fēng)化殘積層（Qal）、石炭紀(jì)中晚石炭世壺天群（C2H）、早石炭世測(cè)水組（C1c）風(fēng)化基巖。

地基土主要為人工填土、粉質(zhì)黏土、粉土、黏土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫及殘積土等，層位不穩(wěn)定，且各土層的狀態(tài)、埋深和厚度在水平和垂直方向變化較大，地基的均勻性差。場(chǎng)地基巖垂直方向及水平方向上巖性變化較復(fù)雜，為煤層、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r及石灰?guī)r等。

在詳細(xì)勘察階段，本場(chǎng)地共實(shí)施工程地質(zhì)鉆孔130個(gè)，6個(gè)鉆孔處揭露有土洞，見(jiàn)洞率為4.62%；共33個(gè)鉆孔處分布有溶洞，見(jiàn)洞率為25.39%；在施工勘察階段，本場(chǎng)地共實(shí)施樁基礎(chǔ)超前鉆孔495個(gè)，發(fā)現(xiàn)土洞的鉆孔共7個(gè)，土洞見(jiàn)洞率1.42%；發(fā)現(xiàn)溶洞的鉆孔共157個(gè)，溶洞見(jiàn)洞率31.72%。綜合評(píng)價(jià)，本場(chǎng)地土洞發(fā)育程度屬微發(fā)育，溶洞發(fā)育程度屬?gòu)?qiáng)發(fā)育，建筑場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度屬巖溶強(qiáng)發(fā)育場(chǎng)地。

土洞洞高一般1.10～3.60 m，平均高度2.44 m，土洞一般呈空洞，充填物為多為流塑～軟塑狀黏性土。溶洞洞高一般0.70～9.00 m，平均3.73 m，溶洞一般位于中風(fēng)化灰?guī)r的中部、底部及微風(fēng)化灰?guī)r的頂部、上部及中部等，局部由多個(gè)溶洞交替組成，呈串珠狀，洞中多有基巖薄隔層。溶洞一般為半填充，局部全充填，填充物主要為黏性土，局部含較多基巖碎塊，大部分存在漏漿現(xiàn)象。

2 場(chǎng)地巖溶發(fā)育情況及成因分析

2.1 巖性對(duì)巖溶發(fā)育的控制

巖溶包括水對(duì)可溶巖產(chǎn)生化學(xué)溶解和機(jī)械破壞作用，還包括作用引起的各種現(xiàn)象和形態(tài)。巖溶形成必須基于一定條件，主要成因有巖石可溶性、巖石裂隙性、水流通性、水侵蝕性等。

場(chǎng)地下伏基巖主要為石炭紀(jì)中晚石炭世壺天群（C2H）及早石炭世測(cè)水組（C1c）的石灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r，灰?guī)r類中鈣質(zhì)成分的可溶性物質(zhì)較多，因此巖溶較發(fā)育。

2.2 構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的控制

根據(jù)珠江三角洲1∶200 000綜合水文地質(zhì)圖資料，白云山區(qū)域主要發(fā)育有東北向的廣從斷裂、北西向的沙灣斷裂和北西向的瘦狗嶺斷裂。該區(qū)域構(gòu)造巖主要指角礫巖、碎裂巖等，且局部地段展現(xiàn)出了發(fā)育較好的鉆孔巖芯擦痕。該區(qū)域位于巖石破碎且連通性較好的斷裂帶內(nèi)，天然地為地下水流動(dòng)提供了良好通道條件，引發(fā)了巖溶發(fā)育現(xiàn)象。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，勘察場(chǎng)地附近有一次級(jí)斷層通過(guò)，斷層走向25°～55°，傾向南東，傾角陡。反向平移正斷層，斷裂北段上盤為石炭系，下盤為小坪組。發(fā)育構(gòu)造角礫巖和碎裂巖，寬2.5 m以上。斷面見(jiàn)擦痕、階步，指示反鐘向平移逆斷層性質(zhì)。兩側(cè)巖石節(jié)理、片理發(fā)育，巖層發(fā)生揉皺。斷層隱伏于第四系下，以發(fā)育構(gòu)造角礫巖為特征，下石炭統(tǒng)中，見(jiàn)構(gòu)造角礫巖、斷層泥和構(gòu)造透鏡體。斷裂帶內(nèi)巖石破碎，連通性較好，給地下水的流動(dòng)提供了較好的天然通道，致使巖溶發(fā)育[1-2]。

3 地面塌陷情況及原因分析

在施工勘察階段，鉆機(jī)附近發(fā)生多次小規(guī)模地面塌陷或沉降，局部地段超前鉆施工過(guò)程中，鉆孔出現(xiàn)不同程度的冒水現(xiàn)象，初期冒水高度約0.2～0.6 m，水柱呈紅褐色，含有大量泥沙，后逐漸變成清水，約1 h后地面停止冒水。

3.1 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境特征是形成地面塌陷的內(nèi)因

（1）廣州市白云區(qū)位于我國(guó)東南地洼區(qū)的南部，經(jīng)歷過(guò)加里東期、印支期、燕山期等多期次構(gòu)造變動(dòng)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使老構(gòu)造進(jìn)一步復(fù)雜化。第三紀(jì)以來(lái)的地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有明顯的繼承性和一定的新生性。繼承性主要表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)承襲燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái)地殼的構(gòu)造格局，以大面積抬升伴隨頻繁的斷塊差異運(yùn)動(dòng)，巖漿活動(dòng)為主，構(gòu)造線仍以屬于老構(gòu)造的北東走向和近東西走向?yàn)橹?。新生性則由內(nèi)陸向沿海增強(qiáng)，前者表現(xiàn)為斷塊差異運(yùn)動(dòng)弱，活動(dòng)盆地不發(fā)育，地震水平較低，后者表現(xiàn)為斷塊差異運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，火山活動(dòng)也較強(qiáng)，活動(dòng)盆地發(fā)育，地震水平較高。

（2）地面塌陷分布范圍內(nèi)隱伏巖溶的覆蓋層均為第四系雙層或多層結(jié)構(gòu)土體，河流沖洪積的中、粗砂等砂土層的結(jié)構(gòu)松散，透水性良好；隱伏巖溶為石炭紀(jì)中晚石炭世壺天群（C2H）及早石炭世測(cè)水組（C1c）的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及石灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r，巖溶較發(fā)育，構(gòu)成了良好的地下水流動(dòng)的巖溶管道和儲(chǔ)存空間。

3.2 工程活動(dòng)是地面塌陷的誘發(fā)因素

（1）工程活動(dòng)引起的地下水變化。

①土重度發(fā)生改變。

水量增加，土重度隨之增大；本工程中，區(qū)域內(nèi)存在較多一般黏性土，黏土土體充分吸收水分達(dá)到飽水狀態(tài)后，重度相應(yīng)增大，導(dǎo)致相關(guān)塌陷體重量增加，土洞拱頂垮落。

②改變土體結(jié)構(gòu)。

針對(duì)石炭紀(jì)中晚石炭世壺天群（C2H）及早石炭世測(cè)水組（C1c）廣泛分布的強(qiáng)風(fēng)化巖層以及場(chǎng)地揭露的煤層，含水量增加，必然出現(xiàn)膨脹；若處于干燥條件，會(huì)因垂直裂隙造成土體被切割，抗剪強(qiáng)度降低。在此狀態(tài)下，發(fā)育土洞會(huì)導(dǎo)致地基不穩(wěn)定。

③巖溶地下水位下降。

減弱巖溶對(duì)于覆蓋層或土洞頂板的浮托力，即水位下降會(huì)增加土體自重，具體消減值主要與水位下降程度、土體重度變化有關(guān)。

工程活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地下水發(fā)生滲透潛蝕作用，地下水位下降時(shí)，坡降和流速相應(yīng)增大，增強(qiáng)動(dòng)水壓力的過(guò)程中，側(cè)向潛蝕、沖刷和掏空巖溶洞隙通道的松散充填物和覆蓋層[3-5]。

（2）人為振動(dòng)和機(jī)械擊穿。

人為工程活動(dòng)引起地面塌陷指施工過(guò)程因設(shè)備使用等產(chǎn)生振動(dòng)，土體結(jié)構(gòu)會(huì)受到不同程度影響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致其被破壞（如抗剪強(qiáng)度降低等），減少抗塌力，使溶洞、土洞失衡，加速塌陷。

在人工加載時(shí)，施工區(qū)域內(nèi)蓋層會(huì)增加一個(gè)附加應(yīng)力，導(dǎo)致蓋層力學(xué)不平衡，穩(wěn)定性降低。在此作用下，若不及時(shí)進(jìn)行處理，溶洞、土洞頂板已接近極限平衡狀態(tài)的情況下，加載作用會(huì)導(dǎo)致洞頂發(fā)生失穩(wěn)而被破壞，最終出現(xiàn)塌陷。地下土洞或溶洞的隔水頂板被樁基或勘探工程貫穿后，地表水與地下水相聯(lián)系，引發(fā)沙漏，也會(huì)引起地面塌陷。

4 溶洞、土洞及地面塌陷的治理工作建議

（1）封堵回填法。

一般用于塌坑較淺、范圍較大的塌陷處理，通過(guò)采用碎石或石塊，先大塊后小塊回填進(jìn)行填堵夯實(shí)，對(duì)塌坑及地下巖溶管道進(jìn)行填實(shí)封堵，削弱地下水的侵蝕作用，增強(qiáng)土體的抗?jié)撐g能力，防止塌陷的再次發(fā)生與發(fā)展[6-8]。

（2）壓力注漿法。

一般用于較深的土洞、溶洞，采用適當(dāng)?shù)淖{材料將土洞、溶蝕裂隙、管道等充填密實(shí)并膠結(jié)。此方案可降低巖土體的滲透性，削弱地下水的潛蝕作用，可對(duì)松散土體或巖石進(jìn)行加固，增大強(qiáng)度，提高抵抗?jié)B透變形以及抵抗塌陷的能力，限制或消除巖溶塌陷的發(fā)生與發(fā)展。

（3）梁、板跨越法或樁基礎(chǔ)穿越法。

針對(duì)建造在塌陷或潛在塌陷帶上的構(gòu)筑物，可采用梁、板等牢固的跨越結(jié)構(gòu)，使作用在塌陷帶上的荷載通過(guò)跨越結(jié)構(gòu)傳到兩側(cè)穩(wěn)定的巖土體上，防止建筑物荷載的作用引起塌陷的發(fā)生與發(fā)展。塌陷范圍較大時(shí)，對(duì)重大建筑物也可采用樁等深基礎(chǔ)穿越塌陷或土洞、溶洞底部以下，進(jìn)入穩(wěn)定的巖土層內(nèi)，確保建筑物的穩(wěn)定和安全。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）白云山西側(cè)地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件差，場(chǎng)地穩(wěn)定性較差，溶洞非常發(fā)育，且經(jīng)常發(fā)生地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，巖土工程地質(zhì)性質(zhì)差，建議超高層或重要建筑物宜避開(kāi)此區(qū)域，如無(wú)法避開(kāi)，設(shè)計(jì)及施工均需要謹(jǐn)慎考慮。

（2）治理溶洞與處理地面塌陷的方法應(yīng)當(dāng)結(jié)合進(jìn)行，對(duì)于深度較淺、范圍較小的塌陷，對(duì)建筑物危害不大時(shí)，對(duì)塌陷進(jìn)行回填夯實(shí)即可；對(duì)于一般的多層建筑，塌陷坑、隱伏土洞、溶洞規(guī)模較小時(shí)，可采用灌漿封堵以及跨越法等綜合治理。