城市小區(qū)地陷的成因探討與防治辦法
——以烏魯木齊地陷為例

朱泳霖

（中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 地陷綜述及研究?jī)?nèi)容

1.1 地陷綜述

1.1.1 地陷的概念

地面塌陷（地陷）是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象，是我國(guó)突出的地質(zhì)災(zāi)害之一。隨著城市建設(shè)不斷加快，地陷逐漸發(fā)展成為一種制約城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害[1]。

1.1.2 地陷的類型

（1）地陷主要包括地震塌陷、地面變形塌陷、水動(dòng)力塌陷、工程地質(zhì)塌陷、礦山塌陷等幾類。

（2）地陷按作用力不同又分為自然塌陷和人為塌陷。自然因素包括地震、降雨、自重等；人為因素包括采礦、過(guò)度開(kāi)采地下水等。

（3）根據(jù)是否存在巖溶現(xiàn)象，可大致分為巖溶地面塌陷和非巖溶地面塌陷兩大類。

1.1.3 地陷的危害

地陷的危害主要表現(xiàn)在突然毀壞城鎮(zhèn)設(shè)施、工程建筑和農(nóng)田，破壞交通線路，造成人員傷亡等方面。據(jù)資料顯示，2011 年以來(lái)我國(guó)超過(guò)50 座城市出現(xiàn)過(guò)地陷問(wèn)題，每年致使大量人員傷亡，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元[1]。

1.2 研究?jī)?nèi)容

本文首先是解釋了什么是地陷、地陷的類型以及地陷的危害，然后從國(guó)內(nèi)地陷發(fā)生現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合烏魯木齊的實(shí)際情況分析地陷的成因，進(jìn)而針對(duì)地陷的成因提出了一些防治措施，最后通過(guò)烏魯木齊七道灣采空區(qū)塌陷治理的實(shí)例來(lái)進(jìn)行論述。

2 地陷的成因探討

如前文所揭示的城市地陷現(xiàn)狀，經(jīng)研究認(rèn)為，造成地陷的原因主要可分為自然因素和人為因素。

2.1 自然因素

2.1.1 降雨入滲影響

烏魯木齊第四紀(jì)地層是以黃土和碎石土為主的地層。黃土又多為濕陷性黃土，碎石土也是含鹽類的鹽漬土。這兩種土質(zhì)都能在無(wú)水狀態(tài)下保持穩(wěn)定狀態(tài)，而一旦有水侵蝕，便立刻失穩(wěn)。而鹽漬土在遇雨后，土中的鹽分會(huì)被溶蝕掉，土的物理強(qiáng)度馬上大幅下降，從而引發(fā)土層溶陷，形成地面塌陷。

2.1.2 地殼運(yùn)動(dòng)

由于地殼運(yùn)動(dòng)是一個(gè)長(zhǎng)期且持續(xù)的活動(dòng)，即使其運(yùn)動(dòng)的速度很低，但是隨著時(shí)間的推移，也會(huì)很明顯地呈現(xiàn)出來(lái)。針對(duì)某些較為活躍的地質(zhì)構(gòu)造單元而言，其每年的沉降速率可達(dá)到數(shù)毫米。例如：斷陷盆地或者沉降帶由于斷陷下降運(yùn)動(dòng)的廣泛性，一旦發(fā)生地陷，其影響是非常大的[1]。

2.2 人為因素

2.2.1 開(kāi)采地下水

烏魯木齊是一個(gè)缺水城市，地下水的補(bǔ)給主要靠天山融化雪水和降雪、降雨水。由于近年來(lái)城市擴(kuò)展速度過(guò)快，人們對(duì)地下水過(guò)度開(kāi)采，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降，造成的后果就是淺層水被疏干，土體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。地下水的作用是維系土體結(jié)構(gòu)應(yīng)力平衡，而平衡被破壞，地表就會(huì)坍塌。開(kāi)采地下水成為出現(xiàn)地陷的主要原因之一[2]。

2.2.2 煤礦開(kāi)采

烏魯木齊盛產(chǎn)煤炭，由于長(zhǎng)期過(guò)度開(kāi)采，礦區(qū)留下大量的采空區(qū)，進(jìn)而引發(fā)地陷，嚴(yán)重影響了烏魯木齊城市發(fā)展和民生安全。現(xiàn)在有些煤礦雖已關(guān)閉，但采空區(qū)引發(fā)的地陷問(wèn)題依然存在。

2.2.3 地面工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)

地面工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也已經(jīng)成為地面沉降的制約性因素，其中工程建設(shè)顯得尤為突出。以烏魯木齊為例，每年都會(huì)發(fā)生幾十起工程塌陷事件。原因如下：①規(guī)劃不周；②監(jiān)管缺位；③排水不暢致使工程部位或路面長(zhǎng)期積水，導(dǎo)致塌陷產(chǎn)生；④市政工程缺乏科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)[3]。

3 應(yīng)對(duì)措施

由于烏魯木齊城區(qū)快速擴(kuò)張，政府在城市發(fā)展規(guī)劃中已將周邊采空塌陷區(qū)規(guī)劃為建設(shè)用地，并組織精干的技術(shù)隊(duì)伍詳細(xì)勘查采空塌陷區(qū)現(xiàn)狀，劃分建設(shè)用地適宜區(qū)和避讓區(qū)。在城市功能布局時(shí)，充分考慮地面塌陷的易發(fā)程度和適宜性，對(duì)采空塌陷區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)劃，提出防治措施和建議，把采空塌陷區(qū)變害為利，為烏魯木齊經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)[3]。

4 新疆某公司建設(shè)用地綜合治理項(xiàng)目采空塌陷區(qū)治理實(shí)例

4.1 工程概況

新疆某公司建設(shè)用地綜合治理項(xiàng)目位于烏魯木齊市七道灣鄉(xiāng)六道灣村，即烏魯木齊市南湖路以西、熱力路（原名犁華街）以東，王家梁陶瓷市場(chǎng)與南湖安居工程二期住宅區(qū)之間。批準(zhǔn)書(shū)規(guī)劃的藍(lán)線范圍東西平均長(zhǎng)420 m，南北平均寬215 m，面積為67 100.5 m2。

4.2 地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件

（1）地層。①雜填土層；②圓礫、含礫黏土含礫粉土層；③粉砂巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖層；④煤巖層。

（3）水文地質(zhì)條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的以往數(shù)據(jù)分析，該地區(qū)地下水位在3～6 m，屬于淺部的上層滯水。對(duì)塌陷區(qū)域內(nèi)空體和塌落體進(jìn)行處理時(shí)，必須考慮上層滯水的影響。

4.3 治理方案的選取

鑒于施工現(xiàn)場(chǎng)的特殊要求，在眾多的施工方案比選中，專家組最終選定了“灌漿爆破壓密技術(shù)”方案[4]。

4.3.1 灌漿加固技術(shù)

灌漿法是處理地面塌陷最常用的加固方法。灌漿就是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液或水成為高壓流從噴嘴中噴射出來(lái)，沖擊破壞土體，與漿液攪拌混合。漿液凝固后，便在土中形成一個(gè)固結(jié)體。灌漿法提高了地基土的抗剪強(qiáng)度，改善了土的變形性質(zhì)，使其在上部荷載直接作用下，不產(chǎn)生破壞或過(guò)大的變形。但注漿材料的滲透性好壞與諸多因素有關(guān)，如巖土的孔隙率及孔隙大小、材料的可注性、注漿的施工方法，地基的非均勻性、地下水的流動(dòng)、注漿材料的時(shí)間特性等。

4.3.2 灌漿爆破壓密技術(shù)

灌漿爆破壓密技術(shù)的基本原理是通過(guò)爆破擠壓密實(shí)處理爆破藥包周圍的漿液，使注漿漿液充分液化，加大漿液的滲透能力，漿液與土體混合，沖開(kāi)土體孔隙中的盲洞[4]。

灌漿爆破壓密法是灌漿與深孔爆破的結(jié)合，既彌補(bǔ)了干爆過(guò)程中能量的損失，又解決了灌漿加固中巖土體孔隙率不均、裂隙大小不同而導(dǎo)致效果降低的問(wèn)題，同時(shí)爆破擠壓密實(shí)處理使?jié){液的壓力提高了數(shù)十倍，達(dá)到良好的土體加固效果[4]，如圖1 所示。

圖1 灌漿爆破壓密漿液

4.4 灌漿爆破壓密的數(shù)據(jù)確定

4.4.1 爆破壓密的影響效應(yīng)

2．3 各組小鼠心肌組織病理學(xué)改變 光鏡下，A組小鼠心肌組織未見(jiàn)病變；B、C組小鼠心肌組織均可見(jiàn)典型的VMC改變，B組病變較重，可見(jiàn)片狀及彌漫性炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，心肌纖維斷裂和局灶性壞死，C組病變較B組輕，炎性細(xì)胞浸潤(rùn)輕，壞死灶少且小。各組心肌病理積分見(jiàn)表1，HE染色見(jiàn)圖1。

在使用水壓爆破時(shí)，根據(jù)理論參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的單個(gè)藥包爆破時(shí)的效應(yīng)情況，如圖2所示。

其中△h 為藥包的懸掛深度，灌漿爆破壓密的有效深度為hc，爆破半徑為R。根據(jù)我國(guó)工程實(shí)踐，碎石土墊層和砂礫墊層懸掛藥包各次爆破后土層的相對(duì)沉降量與爆破次數(shù)的關(guān)系值如圖2 所示[4]。

圖2 藥包參數(shù)與壓密關(guān)系

實(shí)踐證明，在水土分離的水中爆破，每10 kg 的藥可以壓實(shí)4 m 范圍內(nèi)的水下部土體，利用藥包爆破中水中壓密法其爆炸夯實(shí)的深度，夯實(shí)層內(nèi)總的相對(duì)沉陷量可達(dá)到5%～10%。

4.4.2 擠密效果

據(jù)表1 可知，在此場(chǎng)區(qū)內(nèi)，雜填土的孔隙率只有29.7%，而塌落煤層的孔隙率為45.2%，說(shuō)明采空區(qū)上部土體密實(shí)，而越深層土體的密實(shí)度越小，有如雞蛋的殼體，上硬下軟。這就需要對(duì)深層的土體進(jìn)行擠密加固，上部的土體密實(shí)效果較好，但也不排除有擠密的可能性。

表1 不同回填土空隙度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)對(duì)黏土層灌漿爆破壓密效果的分析，在雜填土層和素填土即塌落煤層的處理過(guò)程中，土體發(fā)生5%～10%的壓縮，壓縮后的土體孔隙可由注漿漿液進(jìn)行填充。根據(jù)壓縮數(shù)據(jù)分析，處理后的土體發(fā)生2～4 m 的沉降，部分存在空體的地段可能沉降量為10～20 m。

4.4.3 擠密范圍

經(jīng)檢驗(yàn)公式和理論數(shù)據(jù)，得出了藥包參數(shù)和灌漿爆破壓密的范圍數(shù)據(jù)：藥包的設(shè)計(jì)在10 kg 的壓密影響效應(yīng)可以達(dá)到10～15 m，是符合本次加固范圍要求的。

4.4.4 加固注漿

本次除了雜填土層的灌漿以外，還有對(duì)巖石基巖的灌漿工序。此次灌漿液選定水泥黏土漿。漿液的水與干料的比例為1:1，水泥與黏土采用3:7 的體積比，可以滿足本次注漿的要求，最后一次注漿加入水玻璃，占總注漿量的10%。

4.4.5 效果檢查

灌漿效果的檢查，通常在灌漿結(jié)束后28 d 方可進(jìn)行，檢驗(yàn)方法如下。

（1）開(kāi)挖檢驗(yàn)。待灌漿結(jié)束28 d 后，固結(jié)體具有了一定強(qiáng)度，即可在灌漿孔處開(kāi)挖檢查固結(jié)垂直度和固結(jié)形狀。開(kāi)挖檢查的數(shù)量不低于灌漿孔的10%。

（2）鉆孔取芯。在已固結(jié)好的固體中鉆取巖芯，巖芯的連續(xù)長(zhǎng)度不小于50 cm，做成標(biāo)準(zhǔn)試件，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)。

（3）由于工程現(xiàn)場(chǎng)地下水的賦存狀態(tài)為上層滯水，需做壓力注水和抽水兩種滲透試驗(yàn)，以測(cè)定灌漿固結(jié)體的抗?jié)B能力。

（4）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。在灌漿區(qū)域已形成固結(jié)體的部位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)，確定灌漿區(qū)域的固結(jié)密實(shí)度。標(biāo)貫點(diǎn)不少于灌漿孔的20%。

固結(jié)灌漿宜在土層覆蓋的情況下進(jìn)行，注入漿液一般達(dá)50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，效果已穩(wěn)定，地基土的承載力已達(dá)到200 kN。

5 結(jié)語(yǔ)

地面塌陷是一種廣泛分布的城市地質(zhì)災(zāi)害，與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及對(duì)地下水資源和土地資源的開(kāi)發(fā)利用關(guān)系密切，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與工程活動(dòng)在地面塌陷中的作用已然成為很關(guān)鍵的因素。

本文分析了烏魯木齊地面塌陷產(chǎn)生的原因、主要影響因素及其內(nèi)在機(jī)制。開(kāi)采地下水和采煤及地面工程建設(shè)活動(dòng)是主要的和決定性的外在原因。開(kāi)采地下水和采煤是城市區(qū)域性地面塌陷的主導(dǎo)因素，地面工程建設(shè)活動(dòng)是城市市區(qū)地面塌陷的重要原因。針對(duì)上述原因，本文提出了地面塌陷防治的對(duì)策與建議。

烏魯木齊七道灣使用灌漿爆破壓密法處理采空區(qū)塌陷，消除了采空區(qū)塌陷，提高了地基土承載力，使采空塌陷區(qū)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地成為可能。