白沙洲大道张家湾段岩溶塌陷机理分析

廖明政, 韩德村, 霍　芳

(湖北省地质环境总站,湖北 武汉　430034)

0　引言

随着武汉市城市飞速发展,人类工程活动进一步加剧,如地下水的抽取、勘察孔的施工、深基坑的开挖等等都改变了原有的水文地质条件,故人类工程活动可能是岩溶塌陷形成的重要影响因素。本文就白沙洲大道张家湾段岩溶塌陷,研究其产生的地质环境、形成条件、发育规律和影响因素,分析出其成因机制,总结该区域岩溶发育规律,为岩溶塌陷防治工作提出对策。

1　岩溶塌陷机理研究现状

按岩溶塌陷成因机制分析,其产生的根本原因是盖层的部分土体受力失稳破坏,塌陷体受到的致塌力超过抗塌力。各种致塌力可以形成各种力学效应,构成不同的塌陷模式,因此,岩溶塌陷的形成应该是多机制的。一般条件下,致塌力包括盖层岩土体自重力、地下水的垂向渗透力、侧向渗透力、岩土体空隙中气体的正压力或负压力、振动力、大气压力;抗塌力包括岩土体的内聚力、塌陷体周边的摩阻力、地下水的浮托力等。由于所处的地质环境和引起塌陷的作用不同,对一个岩溶塌陷来说,不可能同时受到上述所有力的作用,但因受力状态不同,产生的力学效应不一样,却有不同的成因机制,形成不同的致塌模式,所以岩溶塌陷的形成是多机制的,单一成因论只能解释某些特定条件下所形成的岩溶塌陷。

岩溶塌陷的成因机制可分为以下八种(康彦仁,1992):①重力致塌模式;②潜蚀致塌模式;③真空吸蚀致塌模式;④冲爆致塌模式;⑤振动致塌模式;⑥荷载致塌模式;⑦溶蚀致塌模式;⑧渗压致塌模式[1-3]。

2　岩溶塌陷发育特征

白沙洲大道张家湾段位于武汉市洪山区青菱乡及其临近地区,该地区来往行人、车辆频繁,为武汉南大门、交通要道。研究区地势平坦开阔,地面标高17～25 m,在地貌结构上表现为河流湖泊漫滩和一级阶地。

岩溶塌陷发生于2009年11月24日,发生时该处正在进行白沙洲大道高架桥桩基施工。塌陷坑平面上呈椭圆形,长24 m,宽20 m,深度为0.5～2 m,长轴方向为NE135°,与白沙洲大道垂直,面积约500 m2,影响范围约1 000 m2(图1)。

塌陷造成路面损坏,桩基施工设备毁损,并导致该处桩基不得不进行移位变更。塌陷致使供水管道破裂,坑内大量积水,未造成人员伤亡。塌陷发生后,道路施工方采取了压力注浆和回填工程处理,现今地面平整,塌陷已趋稳定,未见新的变形迹象。

3　岩溶塌陷形成地质条件

3.1　二元结构覆盖层特点

研究区土层结构为长江一级阶双层结构,主要为第四系全新统走马岭组,总厚度25～30 m。其上部为粘性土层,岩性主要为粉质粘土,局部夹淤泥质粉质粘土,厚度变化较大,一般5～22 m。下部为砂性土层,岩性主要为粉砂、细砂和砾砂,厚度1～21 m;砾砂层层位不稳定,在区内呈间断分布,层厚在1.4～9 m之间。

在第四系全新统砂性土层与下部灰岩之间有一层间断分布的第四系更新统王家店组残坡积层,层厚0.2～2 m不等。残坡积层起到了相对隔水的作用,但在局部地段缺失,形成天窗,加大第四系孔隙水与岩溶水的联系。

图1　白沙洲大道张家湾段岩溶塌陷平面示意图Fig.1　Schematic plan of karst collapse of Zhangjiawan Section1.塌陷坑及编号；2.第四系全新统走马岭组冲积层(隐伏三叠系下统大冶组灰岩)；3.地面高程；4.剖面线及编号。

3.2　下伏可溶岩发育特征

研究区内赋存的碳酸盐岩,主要分为石炭系上统黄龙—大埔组(C2h+d)、二叠系中统栖霞组(P2q)、三叠系下统大冶组(T1d)三种地层,呈条带状分布。岩性多为灰岩及白云质灰岩,部分属泥质灰岩、泥质条带灰岩及角砾状灰岩。岩石中方解石脉发育,纵横交错,脉宽0.01～3.9 mm,溶蚀孔洞中有方解石晶簇产出(表1)。

3.3　岩溶塌陷地质结构

该塌陷构造部位属于新隆—豹澥倒转向斜核部,据收集钻探资料,该地段属覆盖型岩溶区,地层岩性自上而下依次为填土、粉质粘土、粉砂、细砂、灰岩,上覆第四系松散堆积层厚度为29.4～30.2 m,下伏碳酸盐岩岩溶发育,主要为溶洞、溶蚀裂隙,溶洞高0.4～4.5 m,由上至下发育2层,分别位于埋深30 m、40 m处。区域地质资料显示,在其下部还可能存在溶洞层(图2)。

3.4　塌陷区水文地质特征

塌陷地段上部为孔隙承压水,下部为岩溶裂隙水。 孔隙承压水含水层厚度23.6 m,含水层顶板埋深6.5 m,平水期地下水位埋深3 m。下部的裂隙岩溶水含水层顶板埋深29 m,地下水位埋深17 m。从图2可看出第四系孔隙承压水与下伏岩溶裂隙水之间并无明显的隔水层,具有一定的水力联系。

表1　研究区碳酸盐岩特征表Table 1　Schedule of characteristics of carbonate rocks in study area

4　塌陷成因机制分析

4.1　发育地质模式

根据研究区发生的岩溶塌陷分析,岩溶塌陷形成的基本条件主要有三个方面,即:上覆盖层具“上粘下砂”二元结构;下伏基岩可溶性碳酸盐岩浅部岩溶发育;孔隙水与岩溶水水力联系密切。

4.1.1上覆盖层具“上粘下砂”二元结构

在研究区岩溶发育的地段,其上覆盖层均为第四系全新统走马岭组松散冲积物,钻孔资料显示岩性上部为粘性土层,主要为粉质粘土,局部有粉质粘土与砂互层,下部为砂性土,主要为粉砂、细砂和砾砂,具河流相二元结构,总厚度25～35 m,局部可达40 m,颗粒级配中粒径0.05～0.25 mm粒级的细砂,占全重的70%～80%,分选性较好,含少量中粗砂粒及粉粒、粘粒。

图2　白沙洲大道张家湾段岩溶塌陷剖面图Fig.2　Profile of karst collapse of Zhangjiawan Section1.粉质粘土;2.粉质粘土夹粉砂;3.粉砂;4.细砂;5.塌积物;6.灰岩;7.第四系全新统走马岭组冲积层;8.三叠系下统大冶组;9.地下水位线;10.岩层产状倾向/倾角。

4.1.2下伏可溶性碳酸盐岩浅部岩溶发育

白沙洲大道一带覆盖型碳酸盐岩分布区下伏基岩均为二叠系中统栖霞组(P2q)、三叠系下统大冶组(T1d)可溶性碳酸盐岩,隐伏于第四系全新统走马岭组粉细砂层之下,岩性为中厚层状灰岩、生物碎屑灰岩,隐晶质结构、微晶结构、微粒结构、生物碎屑结构,块状构造,晶粒较粗,且方解石含量达93%以上,质纯,岩溶发育。尤其是基岩顶面附近浅部岩溶极为发育,多沿地层不整合面、岩石层面、裂隙面及破碎带分布。溶洞是区内岩溶的主要形态,洞高一般为0.1～5.0 m,个别达10.0 m,大多呈全充填或半充填状态,少数为空洞,溶洞充填物为粉砂和岩石碎屑混粉质粘土,结构多呈松散状。揭露了碳酸盐岩的钻孔中,均发现有不同程度的岩溶现象。

白沙洲大道岩溶塌陷碳酸盐岩浅部岩溶较发育,实际调查中表现为该处钻孔岩芯破碎且具溶蚀痕迹,节理裂隙发育,取芯率极低,钻孔漏水现象严重。

下伏可溶性碳酸盐岩顶板附近浅部岩溶发育,为上覆粉细砂层的侧向潜蚀流失和垂向潜蚀流失提供了运移通道和储存空间,是工作区岩溶塌陷形成的基本条件之一。

4.1.3孔隙水、岩溶水水力联系密切

研究区白沙洲一带的长江一级阶地,全新统孔隙承压含水岩组直接覆盖于碳酸岩盐裂隙岩溶含水岩组之上,上覆松散盖层中粉细砂层中赋存松散岩类孔隙承压水,下伏基岩可溶性碳酸盐岩中赋存裂隙岩溶水。部分区域全新统孔隙承压含水岩组与裂隙岩溶含水岩组之间存在红砂岩和含碎石粘土,为相对隔水层,使得两含水层地下水存在一定水头差。但局部无相对隔水层或存在天窗,全新统孔隙承压水可沿这些通道下渗补给下伏碳酸盐岩裂隙岩溶水,因而这些地段岩溶塌陷也尤为发育。碳酸盐岩裂隙岩溶水枯水期也向第四系松散岩类孔隙承压水及碎屑岩类裂隙水越流补给。在埋藏型岩溶区,碳酸盐岩裂隙岩溶水与上部碎屑岩类裂隙水相通,可接受碎屑岩类裂隙水补给。

白沙洲大道岩溶塌陷地段上覆松散盖层中粉细砂层赋存松散岩类孔隙承压水,下伏碳酸盐岩赋存裂隙岩溶水,两者之间无隔水层存在,水力联系密切。上部孔隙承压水水位长年高出下部岩溶水水位10余米,这一水头差形成了较大的水头压力,为上覆粉砂层中地下水潜蚀作用提供了条件。

4.2　形成机理演化

4.2.1岩溶塌陷致塌因素的动力作用机制

在详细调查分析研究基础上,导致岩溶塌陷产生的动力作用及其作用机制主要有:

(1) 地下水渗流潜蚀效应。塌陷地段上覆松散盖层中粉细砂层赋存松散岩类孔隙承压水,下伏碳酸盐岩赋存裂隙岩溶水,两者之间无相对隔水层存在,部分地段存在相对隔水层但局部有天窗或人为钻孔揭露,水力联系密切。上部孔隙承压水水位长年高出下部岩溶水水位10余米,这一水头差形成了较大的水头压力。

(2) 岩土体自身重力效应。岩土体自重力一方面表现在土洞形成过程中岩土体向下方岩溶空隙的运移,一方面表现在土洞坍塌时洞顶岩土体重力大于抗塌力。

地表水、降雨可使上覆岩土体饱水,自重力增大,此外,还使土质软化,抗剪强度降低。在降雨等诱因下,洞顶岩土体重力大于抗塌力,土洞坍塌,在地面表现为岩溶塌陷。

4.2.2岩溶塌陷致塌模式

塌陷可归为潜蚀—重力致塌模式。它的形成机制主要是在地下水的潜蚀作用下,在上覆盖层中形成土洞,随着潜蚀作用的不断进行,土洞逐渐发展扩大,当有其它因素诱发时,土洞顶部逐渐失稳产生变形,同时该路段发生塌陷前正在进行桩基施工,工程施工增强了第四系孔隙水与岩溶水的水力联系,使潜蚀、流沙加速,进而加速了土洞的形成。如人类工程活动的重力加载;连续较大强度降雨时,降雨入渗不但给土体颗粒施加垂向渗透压力,加速土洞发展,而且加大了导致塌陷的致塌力。同时,降雨入渗后,上覆土体饱水,土体容重增加,自重加大。此外,土体饱水后,物理力学性质强度降低,抗塌力减小,当致塌力大于土拱的抗塌力时,即产生岩溶塌陷。因此,在由溶洞→土洞→塌陷的形成过程中其形成机制主要是潜蚀作用的结果,而促使岩溶塌陷的发生则是渗压和重力起主要作用,所以其致塌模式属潜蚀—重力致塌式。

图3　岩溶塌陷形成示意图Fig.3　Schematic diagram of formation of karst collapse

塌陷力学关系式为:

式中:G为盖层土的重量;F为土的摩擦阻力;C为土的内聚力;Gw为塌陷产生时土体孔隙中水的重量;Fs为降雨入渗垂直渗透力;Fw为地下水的浮托力。

岩溶塌陷的形成是多因素共同作用下多机制的变形破坏,具有不同地质环境背景和自然地理条件的塌陷,受力状态不同,即致塌力及诱发因素等存在一定的差异,产生的力学效应也不一样,形成塌陷的机制就有差异,因而有不同的致塌模式存在。

岩溶塌陷是自然因素诱发塌陷,主要是由于降雨使得上部土体饱水,自重压力增大,加大致塌力,土质软化,物理力学性质降低,减小抗塌力,诱发产生地面变形直至塌陷。塌陷形成发展较快,形成过程如图3所示。

5　结论与建议

5.1　结论

(1) 岩溶塌陷形成的基本条件主要有三个方面,即:上覆盖层具“上粘下砂”二元结构;下伏基岩可溶性碳酸盐岩浅部岩溶发育;孔隙水与岩溶水水力联系密切。

(2) 研究区岩溶塌陷影响因素主要有构造、岩性、地下水等地质因素及地表水入渗、人类工程活动、附加荷载等外部因素。

(3) 研究区岩溶塌陷模式可归结为潜蚀—生力致塌模式。导致岩溶塌陷产生的动力作用及其作用机制主要有：地下水渗流潜蚀效应，岩土体自身重力效应。

(4) 该路段发生塌陷前正在进行桩基施工,采用冲击成孔灌注桩施工,当钻孔揭穿灰岩顶板时,遇下部溶洞,造成孔内泥浆迅速漏失,孔壁失去支撑垮塌,形成塌陷。同时,第四系孔隙水与岩溶水的水力联系增强,使潜蚀、流沙加速,加剧了塌陷的形成。

(5) 随着城区范围不断扩展,城市重大工程建设的增多,人类工程活动的加剧,武汉市岩溶塌陷的发生与发展、诱发因数等呈现出新的变化趋势,表现为人类工程活动引发的灾害所占比例比较大的特点。岩溶塌陷越来越体现为人为因素导致。

5.2　建议

(1) 严格控制地下水的开采。

(2) 钻探施工时做好护壁,施工后及时封孔,防治增加第四系水与岩溶水之间的水力联系。

(3) 在岩溶发育地段桩基施工时,减少冲击钻的使用。

(4) 在岩溶发育区,实时监测地下水位变化、地面变形。

参考文献：

[1]杨立中,王建秀.国外岩溶塌陷研究的发展及我国的研究现状[J].中国地质灾害与防治学报,1997(S1):14-18.

[2]康彦仁.岩溶塌陷的形成机制[J].广西地质,1989(2):83-90.

[3]沈万里,宣世进.岩溶塌陷形成机制及防治方法研究[J].科协论坛(下半月),2009(1):94-95.