江夏法泗岩溶地面塌陷内外因分析

樊永生，毛建喜（湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，湖北　武汉　430051）



江夏法泗岩溶地面塌陷内外因分析

樊永生，毛建喜（湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，湖北武汉430051）

江夏法泗塌陷事件引起了社会的广泛关注和政府各部门的高度重视，事件发生之后我市迅速组织相关部门研究调查，对此次事故发生的原因进行调查，从时空分布、发生破坏机理、影响因素等方面分析，根据当地的地理构造、地质条件、人为活动情况以及调查的相关数据，最终总结出了事故发生的内因以及外因。

地面塌陷；江夏法泗；地理环境

1　事件概况及其背景分析

2014年9月5日11时20分左右，武汉市江夏区法泗街武嘉高速五标段项目正在进行冲孔灌注桩施工时，突发地面塌陷，施工设备也随塌陷下沉，附近村民以及施工人员紧急撤离。灾情发生后，各级政府高度重视，迅速组织专家赶赴灾区指导救灾工作。

2014年9月1日，武嘉高速公路第五合同段施工人员发现，在桥梁桩基冲击成孔过程中有轻微漏浆现象，在随后几天的施工过程中，部分钻孔漏浆严重，施工人员对漏浆进行过多次处理。2014年9月5日11：20左右，正在施工的8-1号桩基钻孔又发生严重漏浆现象，11：40时刻8-1号桩基钻孔首先发生地面塌陷。随后向东北方向延伸，陆续发生多处地面塌陷。至2014年9月6日17：00时，初步统计，共产生了19处塌陷坑。塌陷坑呈串珠状排列，分布于金水河两岸，与武嘉高速公路线路走向21°呈30～40°的角度斜交。

事件发生地段及附近村庄位于长江一级阶地，属二元冲击层，下覆石灰岩，岩溶处于发育阶段，属于潜在岩溶地面塌陷易发区。本次塌陷属于自然灾害，由施工诱发。

2　事件发生过程以及诱发因素分析

2.1发生发展过程分析

从武汉市岩溶地面塌陷的发生发展过程分析，岩溶地面塌陷的发育可大致分为四个阶段（图1）。

（1）原始稳定阶段：孔隙承压水和岩溶水存在水头差，但渗透坡降不高，上覆土层处在一个较为稳定的阶段。

（2）自然因素作用阶段：这个阶段也处于水、土漏失阶段，岩溶水和孔隙水的水头差变大，加上因为降雨的作用，渗透力导致砂土颗粒流失，灰岩顶板上就形成疏松体、土洞、疏松砂土并且不停向上发展。

图1　一般岩溶塌陷发展过程示意图

（3）人工和自然因素共同作用阶段：施工扰动或提取地下水，一方面使岩溶水和孔隙水的水头差增大，另一方面在渗透力作用下，疏松砂土、土洞不断向两侧及向上扩展，逐步逼近粘性土盖层底板，并达到土洞临界拱高。

（4）塌陷阶段：粘性土盖层中形成的土洞上覆盖层已接近临界拱高，在降雨、地面荷载等诱发因素作用下，土拱的致塌力大于抗塌力，土拱破坏，产生塌陷。

2.2诱发因素

区内岩溶塌陷的产生，在具备可溶岩地层、覆盖层组合条件的基础上，还受诸多诱发因素所控制。据调查及勘察资料分析，勘查区内岩溶塌陷的诱发因素主要可分为自然因素和人为因素，自然因素主要包括地下水位变化等，人为因素主要为工程建设诱发岩溶地下水位波动和水击作用。

3　事件内因外因及塌陷机理分析

经现场勘察，此次岩溶地面塌陷主要由以下两大因素综合导致所致。

3.1内因

（1）自然地质环境条件是岩溶地面塌陷的基础因素。塌陷区域位处武汉长江一级阶地，为典型上土下砂的二元结构覆盖型碳酸盐岩区，表层为第四系全新统冲积粘性土，强度较低；下部为粉细砂层，下覆为可溶灰岩，且岩溶较发育，存在砂土颗粒向下漏失至下覆溶洞、溶隙之中的基本地质环境条件。据记载及调查访问，该区域历史上未发生过地面塌陷，从收集的钻探资料分析，溶洞垂高1.20～3.50m，最大达14.80m，少数为空洞，多呈半充填状，充填物主要以粉细砂、粘性土及砾砂。该区域地质环境条件较脆弱，具备形成地面塌陷的客观条件，有产生塌陷的可能，岩溶强烈发育的存在是产生塌陷的主要内因。

（2）地下水活动频繁。塌陷区属长江流域，区内水系发达，河流、鱼塘、藕塘分布广泛，沟渠纵横。地下水发育、补给丰富，地下水上下活动强烈，变幅较大，由于地下水位的上下波动易带走覆盖层砂土颗粒，因此地下水位的长期波动是地面塌陷的内因之一。

综上所述，该区域下覆灰岩岩溶发育，给岩溶地面塌陷创造了基础条件。地下水的长期波动带走了覆盖层中的松散颗粒，促进了地下管道的形成与发展，在外界诱因下易产生地面塌陷。

3.2外因

（1）勘察管控不严。在长江一级阶地上土下砂二元结构覆盖型岩溶区，勘察过程不下套管（跟管钻进）至灰岩层一定深度（至少 0.5m），以及终孔后对勘探孔不进行封孔处理，是诱发地面塌陷的外部因素之一。跟管钻进主要目的是对上部砂土予以阻隔，防止钻至灰岩层因灰岩发育溶洞、溶隙，出现漏浆现象，导致钻孔孔壁瞬间跨塌，砂土颗粒发生流失逐渐引发地面塌陷；终孔后按照规范要求对勘探孔予以封堵，主要目的是有效防止下覆灰岩层被揭盖子（钻穿完整灰岩顶板），上部砂土颗粒直接向溶洞中流失，进而引发地面塌陷。故勘察必须严格规范管理，监控到位，记录详细，存档备查。

（2）桩基施工扰动。本次机械施工是诱发因素。桥梁钻孔灌注桩施工时，冲击振动较大，一方面改变了桩基附近覆盖层的密实度，另一方面易引起砂土液化，松散砂土颗粒在地下水的饱和下处于流动状态，当钻孔桩揭穿上部表层顶板遇溶洞时，孔内瞬间出现严重漏浆现象，桩周一带地下水位短期急剧波动，将松散砂土颗粒带走，加剧了覆盖层松散颗粒的流失速度，在覆盖层中形成空洞或疏松体，在机械施工的反复振动下最终产生了地面塌陷。故施工机械振动是诱发脆弱地质环境下地面塌陷的主要原因。

法泗塌陷首先因自然及人为原因产生的地下水位波动，诱发于3号塌陷坑，其后因极大的超孔隙水压力作用，致使周边岩溶管道因垮塌堵塞、堵体冲决，产生正、负水击作用使岩溶水连通上部孔隙承压水，导致周边岩溶顶板或开口洞隙顶部失稳，形成水土流失并向上迅速发展，引发周边产生一系列塌陷，勘察钻孔也出现冒水、冒砂现象。

3.3形成机理

岩溶地面塌陷的机理大致可以分为三种：①潜蚀机理；②潜蚀-渗流液化-漏失机理；③真空吸蚀机理。

事件发生区以上土下砂的二元结构覆盖型岩溶为主，可溶岩隐伏于砂土层之下，埋深较大；由于砂性土具粘聚力小、易液化的特点，潜蚀、真空吸蚀机理对砂性土作用较小，故潜蚀-渗流液化-漏失机理为勘查区主要的塌陷类型。

潜蚀-渗流液化-漏失机理：这是一种混合机理，首先发生潜蚀、渗流液化，然后通过渗流漏失产生“空洞”。在隐伏岩溶上覆土层为二元结构冲积层且下部饱和砂层直接覆盖于基岩面时，砂层中的孔隙水直接与下伏岩溶裂隙、管道水产生联系，形成统一的径流，在地下水位的不断升降变化过程中，尤其是岩溶地下水位或承压水头低于孔隙水位时，发生垂直渗流，先在砂层中发生潜蚀作用，形成“漏斗状疏松体”，进而因垂直渗流作用的加剧，局部水力坡度加大，砂层呈液化状态流入岩溶空洞，从而在砂层上部形成“空洞”，在“空洞”发展到一定阶段，在内外营力作用下，上部粘性土盖层的致塌力超过抗塌力即产生地面塌陷。另一种是打桩等采用重锤冲击，加剧砂层液化，继而流失产生“空洞”，产生的机理还是潜蚀—渗流，只是增加的外营力导致“空洞”扩大的速度加快，从而加剧了地面塌陷的发生。

4　总结

本次江夏法泗岩溶地面塌陷属自然地质因素，内因是该区域的岩溶地质环境条件所决定的，而施工机械振动是诱发岩溶地面塌陷的主要原因。

地面塌陷危害性较大，所以要采取适当的措施加以避免造成更大的影响。为了避免地面塌陷现象的发生，在以后的实际操作的时候需要防治结合，当防治措施做好之后依然出现塌陷的时候，就需要采取适当的解决措施。在实际的操作过程中需要按照实际情况来进行选择。首先我们在今后的工作中要加强对地面塌陷的评价工作，综合地理学、土木工程学、环境地质学等相关知识，对于地面上的潜在性的塌陷危险系数进行系统综合的评估和分析，这样才能预防事故的发生，更好的解决问题。最后还需要按照实际情况来进行岩溶地面塌陷的实验研究分析，进行室内模拟实验，按照不同条件下发生的地面塌陷的主要的影响因素和机理开展研究实验，得出相关的数据，为预防地面塌陷事件提供理论依据和精确的数据支持。

［1］杨 涛，涂 婧，殷 美，等.武汉市岩溶塌陷分类及防治对策［J］.资源环境与工程，2013（5）：51～54.

［2］曹升堂，梁静嫒，段 磊.黄土路基塌陷及治理措施研究［J］.交通标准化，2013（8）：78～80.

［3］任新红，郭永春，王清海，等.覆盖型岩溶潜蚀塌陷临界裂隙开度模型试验研究［J］.水文地质工程地质，2012（5）：90～93.

［4］余泰敏，李爱军，樊永生.武汉市江夏区法泗街岩溶地面塌陷应急勘查报告［R］.2014（10）.

毛建喜（1985-），男，工程师，工程地质与水文地质专业，从事工程地质勘察工作。

P642.26

A

2095-2066（2016）13-0108-02

2016-4-10

樊永生（1973-），男，高级工程师，工程地质与水文地质专业，从事工程地质勘察工作。