武汉市江夏区武嘉高速桩基施工岩溶塌陷形成条件及机理研究

郑晓明，陈标典，潘 峰，魏 熊，陈 钰

(湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

岩溶塌陷是我国主要的地质灾害之一，从20世纪50年代起，我国学者就开始对岩溶塌陷进行研究[1]，其研究过程主要分为以下几个阶段：20世纪50年代以前，把岩溶塌陷作为一种地质作用，学者们偏重于岩溶地貌形态、水文地质作用方面的研究，重视水化学溶蚀和风化地貌的研究；20世纪50～70年代中期，人类工程活动导致岩溶塌陷日益频繁，引起了地质工程界的重视，一些学者从岩溶水文地质学角度对岩溶塌陷开展了广泛的研究[2]，主要包括岩溶塌陷形成的地质和地球化学条件、塌陷机理、塌陷区的区划和地下洞穴的探测方法、工程措施等；20世纪80年代以来，许多学者对岩溶塌陷防治和预测开展了大量研究，如提出采取地下水优化开采与工程处理措施相结合的综合防治思路，并发展了钻孔注浆技术，将地质雷达、声波透视、浅层地震和电磁波等技术在内的综合物探方法应用于岩溶塌陷的防治和勘察，在塌陷预测方面建立了许多经验的、半定量的、定量的岩溶塌陷预测评价模型[3-4]，尝试过众多监测预报方法，包括地面水文监测、异常状况监测、地下水水位异常监测、地下水水位降深速度监测、水中沙泥量监测、地下埋入光导纤维定位报警、地质雷达监测土洞等方法。

经过专家学者的共同努力，在岩溶塌陷形成原因研究方面取得了一定的进展，认为：①岩溶塌陷的形成通常必须具备3个条件，即有溶蚀的空间(溶洞或土洞)、上部有一定厚度的土质盖层、有产生岩溶塌陷的主导因素——致塌力[2]；②岩溶塌陷的成因机制可以分为以下8种[5-6],即重力致塌模式、潜蚀致塌模式、真空吸蚀致塌模式、冲爆致塌模式、振动致塌模式、荷载致塌模式、溶蚀致塌模式、根式致塌模式。近些年随着研究的深入，对岩溶塌陷的致塌机理有了更细致的划分，但不同地区、不同区域因其地质环境背景条件的不同而各具特点。

武汉市近年来陆续发生了多起岩溶塌陷，对社会经济发展造成了严重的影响。武汉市境内长江两岸岩溶塌陷的致塌机理主要包括潜蚀效应、吸蚀效应、垂直渗压效应、重力(自重和加载)效应、振动效应、渗流液化效应、土体崩解和水击作用等。本文对武汉市江夏区武嘉高速桩基施工期间金水河两岸岩溶塌陷的形成条件及其控制作用进行分析，并结合其形成演化过程及施工工艺，对其形成机理和致塌模式进行了分析，以为该地区同类型岩溶塌陷研究提供参考，对相似地质环境背景区内工程施工期间岩溶塌陷的预测与防治具有重要的意义。

1 岩溶塌陷区地质环境背景条件和岩溶塌陷发育特征分析

1.1 岩溶塌陷区地质环境背景条件

本文研究的岩溶塌陷区位于武汉市江夏区法泗街长虹村六组四档湾，金水河东西两侧(见图1)，东距法泗街约1.3 km，北东侧500 m为老桂子山。该地区属亚热带季风气候，年平均气温为15.8～17 ℃，雨量充沛，年降雨量为1 100～1 450 mm。

图1 武汉市江夏区金水河两岸岩溶塌陷区地理位置及周边地貌分区图Fig.1 Geographical location and surrounding geomorphological map of the karst collapse areas on both sides of Jinshui River in Jiangxia District,Wuhan1.冲湖积平原；2.垄岗；3.构造剥蚀残丘；4.水系范围；5.第四系全新统走马岭组冲积层；6.第四系全新统走马岭组冲湖积层； 7.第四系中更新统残坡积层；8.第四系中更新统残坡积+冲洪积层

该岩溶塌陷区属冲湖积平原地貌，位于长江一级阶地后缘，地势较低，地形平坦、开阔，地面标高一般在20.00～22.00 m之间，见图1。岩溶塌陷区上覆土层为第四系全新统走马岭组冲积层(Qhzal)，具有上部粉质黏土、下部粉细砂层的“上黏下砂”河流相二元结构特征，下伏基岩为二叠系中统栖霞组(P2q)灰岩，全区皆属覆盖型岩溶区。

该地区在区域构造上处于扬子准地台、下扬子分区的大冶小区之梁子湖凹陷西侧，与武汉台褶束处于不同的四级构造单元，区域内褶皱发育，研究区位于老桂子山向斜北翼。

区内多数钻孔揭露直接覆盖于灰岩顶板上的第四系粉细砂层，第四系孔隙承压水与下伏基岩裂隙岩溶水联通，水力联系密切，互为补给关系。上覆第四系孔隙承压含水层厚度为6.10～24.81 m，顶板埋深为8.48～17.90 m，地下水水位高程一般为18.90～20.98 m;下伏基岩裂隙岩溶含水层顶板埋深为23.02～38.01 m，地下水水位高程一般为18.50～20.50 m。长江汛期多在5～10月份，7、8月份长江水位最高，武汉地区长江最高洪水位为27.86 m(武汉关水文站，1985年国家高程基准，下同)，最低枯水位为8.21 m，长江水位升降幅度为19.65 m。岩溶塌陷发生时，该地区金水河、长江地表水均处于汛期高水位，且金水河尚未启动排涝调控措施。

1.2 岩溶塌陷的发育特征分析

2014年9月1日，武深高速公路第5合同段(即武嘉高速)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；2014年9月5日11：20左右，正在施工的8-1号桩基钻孔由于击穿溶洞顶板又发生严重漏浆现象，11：40，施工的8-1号桩基钻孔首先发生地面塌陷，随后沿东北方向跨越金水河陆续发生多处地面塌陷。

塌陷坑总体走向为50°～60°，呈串珠状排列，分布于金水河两岸，与金水河流向近似垂直，与武嘉高速线路(走向21°)呈30°～40°的角度斜交；塌陷坑平面形态一般呈椭圆形、圆形，剖面形态多为锥状、碟状，面积大小相差悬殊，最小者为5#塌陷坑，面积仅60 m2，最大者为17#塌陷坑，面积达4 300 m2，塌陷总面积约1.5×104m2，塌陷单坑的展布方向以北东向50°～60°为主；最深的塌陷坑为7#塌陷坑，深约12.9 m，最浅的塌陷坑为10#塌陷坑，深仅0.7 m；在塌陷坑周围不同程度地存在深浅和宽度不一的拉张裂缝；至2014年9月5日，塌陷坑坑底均未见地下水，而9月6日，一些较深的塌陷坑中有地下水渗出并开始出现积水，且积水深浅不一，详见图2、表1和表2[7-9]。

图2 武汉市江夏区金水河两岸岩溶塌陷分布图Fig.2 Distribution map of the karst collapse areas on both sides of Jinshui River in Jiangxia District,Wuhan1.塌陷坑位置及编号；2.冒水、冒砂点；3.A-A′剖面位置

岩溶地面塌陷发生后，岩溶塌陷区周边出现不同程度的冒水、冒砂现象，冒水、冒砂点一般为与地下岩溶水有水力联系的钻孔、农田机井，调查访问得知发生地面塌陷期间下八塘村有居民家中废弃的民井出现冒砂、水变浑浊现象。

表1 地面塌陷发生后岩溶塌陷区出现异常冒水、冒砂点特征

表2 岩溶塌陷区各塌陷单坑特征

岩溶地面塌陷发生后，施工方实施了回填等处理措施，并组织专家和相关部门通过对前期施工工艺进行分析和可行性论证，对施工工艺进行了优化改进，并在后续施工期间对岩溶塌陷进行了动态监测，以期降低施工中诱发岩溶塌陷的风险。改进后的施工工艺为：有溶洞的桩基，下外护筒至溶洞顶板；高度小于1.5 m的空溶洞、半填充溶洞，在击穿溶洞顶板后，抛填片石加黏土或袋装黏土，反复冲击固壁成孔；高度大于1.5 m的溶洞，无论有无填充物，在击穿溶洞顶板后，下内护筒穿越溶洞，继续冲击成孔。此外，在施工时对地下水水位进行动态实时监测与预警，后续施工未发生新的岩溶塌陷。

2 岩溶塌陷的形成条件分析

2.1 上部第四系为松散堆积层

第四系土层作为岩溶塌陷的物质基础，其岩土性状直接影响岩溶塌陷的产生和发展[10-11]。在松散砂土和含砾砂土覆盖层地区，易产生潜蚀和管涌破坏等渗透变形，形成土洞和塌陷。

武汉市江夏区金水河两岸岩溶塌陷区位于长江一级阶地，塌陷区覆盖层为上部粉质黏土、下部粉细砂层的“上黏下砂”河流相二元结构，根据钻孔取样土工试验成果及钻探资料，覆盖层上部一般为粉质黏土、黏土，局部有淤泥质黏土、粉土，厚度为8.15～17.9 m；下部为粉细砂，局部夹粉土、砾砂，厚度为6.10～24.81 m。覆盖层下部砂砾层呈松散状，其黏聚力和摩擦力均较小，抵抗渗透变形的能力差，极易随地下水渗流而向岩溶空隙中运移形成土洞。研究区岩溶塌陷区A-A′水文地质剖面图，见图3。

图3 武汉市江夏区金水河两岸岩溶塌陷区A-A′水文地质剖面图Fig.3 Geological section A-A′ of the karst collapse areas in the study area 1.人工填土;2.粉质黏土;3.粉细砂;4.灰岩;5.溶洞、溶蚀裂隙;6.第四系全新统走马岭组冲积层;7.二叠系中统栖霞组灰岩; 8.岩层产状;9.钻孔编号地下水流向

2.2 下部可溶岩岩溶发育

研究区岩溶塌陷区岩溶均为隐伏岩溶，钻孔资料显示，岩溶的基本形式为溶洞、溶隙、溶槽等，岩溶的发育受岩性和构造的影响。在区域上，岩溶越发育的地方岩溶塌陷越容易发生[12]，岩溶的发育为塌陷的形成提供了条件，上覆土体在潜蚀等作用下逐渐形成土洞，最终形成岩溶塌陷。

研究区发生岩溶塌陷的区域位于老桂子山岩溶条带内，下伏的基岩为二叠系中统栖霞组(P2q)灰岩，中厚层状，方解石含量达78%以上，溶解率和溶蚀度均较高，为区域上岩溶强发育岩组。据区内钻孔资料显示，3#塌陷坑位处武嘉高速公路施工的8-1号桩基，即SZK257勘探孔(见图2)，为2014年9月5日的初始塌陷点，孔深26.5(标高-5.66 m)～34.2(标高-13.36 m) m处见高7.7 m的半-全充填溶洞；1#塌陷坑有SZK260勘探孔，孔深24.6(标高-3.95 m)～32.5(标高-11.85 m) m处见高7.9 m的开口全充填溶洞。根据研究区岩溶塌陷区所在K32+700～K34+000段向两侧外扩500 m范围内的钻孔资料统计，所有灰岩孔遇洞率为16.38%，根据有溶洞的钻孔描述计算，线岩溶率最大值为59.92%，最小值为1.68%，平均值超过20%。根据钻孔资料分层信息，以各层标高为基础，建立了研究区岩溶塌陷区内武嘉高速公路沿线下伏基岩面形态的三维模型，见图4。

此外，通过对研究区岩溶塌陷区以外涉及的武嘉高速第5合同段详勘及超前钻孔资料中存在溶洞的钻孔进行统计，结果显示其他区域下伏灰岩也分布广泛，主线桥K30+840～K33+925以及B、D两个匝道桥范围内共发现溶洞56处，见洞率约7%，溶洞顶板标高约为-1.53～-19.69 m，溶洞底板标高约为-2.19～-32.59 m，溶洞高约为0.20～14.80 m。

图4 研究区岩溶塌陷区武嘉高速公路沿线下伏基岩面形态立面图(含塌陷位置)Fig.4 Morphological elevation of the underlying rock surface along the highway in karst collapse areas of the study area

2.3 构造条件

地质构造对岩溶发育的控制主要通过层理、节理裂隙及断裂来体现[12-13]。研究区岩溶塌陷区位于桂子山隐伏向斜的北翼靠近核部位置，轴部整体走向50°～60°，裂隙较发育；塌陷区东北侧500 m老桂子山有基岩出露，与塌陷区同属老桂子山岩溶条带，通过对固定范围内二叠系中统栖霞组(P2q)灰岩地层的节理裂隙(包括层面)进行测量，共统计约50条结构面的走向、倾角，绘制了结构面的走向玫瑰花图和倾角分布直方图，见图5。

图5 老桂子山基岩岩层结构面的走向玫瑰花图和倾角 分布直方图Fig.5 Orientation roses and angle distribution histogram of the structural planes of bedrock in Old Guizi Mountain

由图5可见，基岩岩层结构面走向以北东向55°～65°为主，东南向次之，节理裂隙发育，以顺岩层走向为主；岩层结构面倾角为30°～40°，构造裂隙倾角以80°～90°陡倾为主；同时，塌陷坑总体走向为50°～60°，呈串珠状排列，且19个塌陷坑中有13个塌陷坑长轴走向为50°～71°，3个塌陷坑长轴走向为140°～145°。可见，研究区岩溶塌陷的发育与构造裂隙的发育方向具有一致性，即构造条件通过对岩溶发育的控制直接影响岩溶塌陷的发育特征。

2.4 水动力条件

研究区岩溶塌陷区地表长江水、第四系孔隙承压水、基岩裂隙岩溶水之间均具有一定的水力联系。据区内大量钻孔资料显示，岩溶水与孔隙承压水在自然状况下多通过岩土接触面上的空隙连通，其水力联系较好(见图3)，且据监测孔水位数据统计，塌陷区第四系孔隙承压水水位高程一般为18.90～20.98 m，下伏基岩裂隙岩溶水水位高程一般为18.50～20.50 m，即多数情况下孔隙承压水水位略高于裂隙岩溶水水位，且存在一定的水头差，但在特殊条件诱发下，如抽水、机械振动和锤击等，地下承压含水层被扰动，局部地下水与地表水之间会产生其他动态变化，如水力联系增强、水位波动等；同时，第四系孔隙承压水水位和基岩裂隙岩溶水水位变化主要受长江水位涨落的影响，但因观测孔距长江较远，其影响幅度较小，但整体上存在一致性。根据搜集的丰水期流速流向测试结果，塌陷区岩溶水流向为200°左右，整体趋势为从北东流向南西，与地下水整体上沿北东-南西构造裂隙向长江排泄相一致。

水动力条件是岩溶塌陷形成演化过程中最活跃的因子和驱动力，并贯穿于整个塌陷过程。首先，地下水的长期活动,对灰岩不断进行溶蚀和侵蚀,使其原有裂隙等空间不断扩大,形成溶洞、溶隙和溶蚀沟槽等；同时,地下水的活动还会对覆盖层土体产生潜蚀作用,使土体中的某些细小颗粒随地下水的流动而逐渐迁移,从而导致土洞的产生；这种作用的反复进行,可使土洞逐渐扩大,最终可导致岩溶地面塌陷的发生；此外，地下水的升降还会促进土体的散解脱落和胀缩,从而加速土洞的发展和岩溶地面塌陷的产生。

3 岩溶塌陷的形成演化过程分析

由于岩溶塌陷发生时研究区正在进行大规模的工程建设，根据现场勘查情况，确定此次塌陷由冲孔桩桩基施工诱发。通过对研究区内岩溶塌陷的发生及发展过程进行分析，可知岩溶塌陷的形成演化过程大致分为以下4个阶段:

(1) 原始稳定阶段：大部分区域孔隙承压水与岩溶水存在一定的水头差，孔隙水补给岩溶水，但是渗透坡降较小，砂土层处于相对稳定阶段。

(2) 自然因素作用阶段：此阶段也即土洞发展阶段，在孔隙水和岩溶水的水头差以及地下水水位天然波动的作用下，渗透力造成粉细砂向下伏可溶岩岩溶空隙中流失，初始时岩土界面处土层临空面粉细砂发生剥落，在土层中形成土洞，随着土洞处各应力趋于平衡状态，土洞形态保持稳定。

(3) 人工和自然因素共同作用阶段：桩基施工等人类工程活动中，机械振动作用使土体颗粒结构更为松散，其黏聚力、摩擦力等减弱，土体发生崩解剥落，在渗透水流作用下加速流失，岩溶空隙上方土层中土洞不断向两侧及向上扩展[14]。

(4) 塌陷阶段：桩基施工时重锤冲击，冲击钻头向上提拉瞬间，钻头下方迅速形成真空，吸蚀力加强，砂土结构遭受破坏而开始加速漏失；重锤下行时地下水压力骤增，渗流速度加大，随后溶洞或者岩溶裂隙带顶部灰岩或相对隔水层被揭穿，上层孔隙水由钻孔向岩溶水的补给力度瞬时加强，粉细砂层中渗流作用增强；同时，重锤往复冲击导致的砂土振动液化效应使砂土通过岩溶裂隙、溶洞以及人为破坏的岩层顶板快速大量漏失，溃入下部岩溶空隙，土洞不断扩大，上部黏性土随之垮落，便产生岩溶地面塌陷。第一处塌陷产生后，该处地下水压强变化在岩溶空腔中传导，形成水击效应，导致了后续一系列链式塌陷。

4 岩溶塌陷的形成机理和致塌模式分析

4.1 岩溶塌陷的形成机理

岩溶塌陷的产生往往是多机制综合作用的结果，即岩溶塌陷的产生过程往往有一种或多种主导机制控制塌陷的形成及演化，其形成机理[15-17]主要可概括为以下4种：

(1) 潜蚀效应:主要发生在自然因素作用阶段。自然条件下，地表水、上部孔隙水与下部岩溶水之间水力联系密切，且之间存在一定的水头差，其大小与水力梯度成正比，当水力梯度达到一定值时，动水压力则大于下部砂土的黏聚力与颗粒间的摩擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移，从而在上部盖层中形成土洞。

(2) 振动效应：主要发生在自然和人为因素共同作用阶段。机械振动使得岩土体解体，结构变得松散，颗粒之间的黏聚力降低、物理力学性质降低，在地下水渗流时更容易流失、垮塌，增大了土洞的空间。

(3) 渗流液化效应：主要发生在塌陷阶段。岩溶顶板揭穿后，第四系下部砂层处于饱水状态，渗流作用的加剧使局部水力坡度瞬时增大，加上冲击成孔时重锤往复振动使得砂土发生振动液化，粉砂层呈液化状态沿钻孔不断流入岩溶空隙，从而在砂层中形成“空洞”，当“空洞”发展到一定阶段，上覆黏土层失稳产生地面塌陷。

(4) 水击效应：主要发生在塌陷阶段。管道中因塌陷物的堵塞或充填物的冲决，使水流速度突然变化，水流的动能转化为压力，形成一种向来水方向传播的弹性波即水击波[18]，从而产生水击作用，冲击岩溶洞隙管道系统，引起与之相通的上方覆盖岩土体的击穿与塌陷。局部岩溶地面塌陷发生的瞬间，岩溶管道内地下水压强增大，水击作用而增加的压强可能达到原岩溶管道正常压强的几十倍甚至几百倍[19]，造成地下水流速发生急剧变化，且压强在地下水中传导，致使其他区域地下水水位波动变幅加大，加速了第四系砂层向下伏岩溶空隙的运移，从而诱发其他相临区域产生塌陷。

4.2 岩溶塌陷的致塌模式

本文结合岩溶塌陷的形成演化过程及其相应的形成机理分析，将研究区桩基施工处岩溶地面塌陷概括为潜蚀、振动—岩层顶板破坏—渗流液化致塌模式，其他多处后续岩溶塌陷可概括为潜蚀—水击—渗流液化致塌模式[5,17]。

5 结 论

本文通过对武汉市江夏区金水河两岸岩溶地面塌陷的形成条件、形成机理和致塌模式的分析，得到如下结论：

(1) 岩溶塌陷区覆盖层“上黏下砂”河流相二元结构为岩溶塌陷的发生提供了物质基础[20]。

(2) 岩溶塌陷区与老桂子山同属一个岩溶条带，塌陷区溶隙、溶槽及溶洞发育，岩溶发育主要受基岩岩性(P2q)和北东向50°～60°构造裂隙及层间裂隙控制，具有明显的成带性、方向性，塌陷单坑及总体的展布方向以北东向50°～60°为主，岩溶的发育为岩溶塌陷提供了介质空间。

(3) 岩溶塌陷区覆盖层第四系孔隙承压水与下伏基岩裂隙岩溶水具有一定的水力联系，且均随地表水位(长江和金水河水位)的升降而波动，地下水渗流作用为岩溶塌陷提供了动力条件，并贯穿于整个岩溶塌陷过程。

(4) 该岩溶塌陷均为人为因素诱发的上覆土体破坏陷落的大型土层塌陷，其形成演化过程大致分为原始稳定阶段、自然因素作用阶段、自然和人为共同作用阶段、塌陷阶段4个阶段。

(5) 结合岩溶塌陷的形成演化过程及其相应的形成机理分析，将研究区桩基施工处岩溶地面塌陷概括为潜蚀、振动—岩层顶板破坏—渗流液化致塌模式，其他多处后续岩溶塌陷可概括为潜蚀—水击—渗流液化致塌模式。