广州市荔湾区岩溶发育特征与地面塌陷防范对策★

楼康明 黄佳铭

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

广州市西北部的广花盆地断裂构造发育，大面积分布可溶性碳酸盐岩，是我国典型的覆盖型岩溶发育地区之一。随着广州城市开发建设的高速发展，地铁、地下管网、深基坑等各类建设工程越来越多的布局在广花盆地岩溶区。其中位于广花盆地南端的荔湾区大坦沙岛一带属于广州市“红层”岩溶典型发育区，自2007年年底进入开发建设高峰期以来，由施工引发地面塌陷的事故日趋频繁，对人民群众的生命、财产安全和生产活动造成了严重的威胁。近年来，国内有关专家与学者对广花盆地岩溶区已开展了一系列调查、评价和研究工作[1-9]，如珠三角地区岩溶分布特征及发育规律研究、广花盆地岩溶地面塌陷特征及形成机理研究以及广花盆地内针对部分典型的白云区、金沙洲地区、夏茅地区等岩溶发育特征与分布规律、岩溶塌陷稳定性评价、岩溶塌陷监测预警预报、地质灾害风险区划等方面取得了较大的成果。

本文通过对荔湾区开展的岩溶地面塌陷调查与评价工作，收集现场施工钻孔共1 936个，通过对大量钻孔数据统计分析，进一步划定了荔湾区除大坦沙岛以外的岩溶发育范围，通过对岩溶发育区内966个钻孔的详细分析，进一步研究和总结了荔湾区各岩溶层组岩溶发育特征与分布规律及岩溶发育的影响因素，提出了工程建设引发地面塌陷的防范对策建议。

1 地质环境条件概况

荔湾区位于珠江三角洲北缘，与广花盆地南部接壤，面积约59.1 km2，地势平坦且向南向北呈低落之势，北面为台地，地势较高，由西湾到小北江间，大部分为低洼平原。

在地质构造上，北东和北西向断裂组相互切割构成本区特有的块断构造体系。广从断裂带金盘岭—芳村段总体走向北东，倾向南东，倾角50°～80°；白坭—沙湾断裂带走向290°～320°，倾向南西或北东，倾角30°～80°。区内地层发育由老到新主要有石炭系、白垩系、古近系和第四系地层。地下水分布有第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水和基岩裂隙水三大类。

2 岩溶发育特征

2.1 可溶岩平面分布情况

根据钻孔揭露可溶岩情况，荔湾区可溶岩总分布面积约16.18 km2，占全区总面积的27.38%。揭露可溶岩主要为石炭系石磴子组(C1s)、壶天组(C2+3ht)灰岩、大理化灰岩和白垩系大塱山组(K2dl)砾岩、灰质砾岩、钙质砂岩、泥灰岩等，主要分布在西村街道西部、南源街道、昌华街道西北部、桥中街道、石围塘街道、茶滘街道北部等地。其中石磴子组灰岩以北东向条带状分布在大坦沙—芳村一带，面积约0.76 km2；壶天组灰岩小范围集中分布在荔湾北部与白云区交接处，面积约0.17 km2；其余可溶岩均为白垩系大塱山组，分布在大坦沙岛与芳村中部一带，面积约为13.39 km2，多与石磴子组灰岩互层，同样呈北东向条带状展布，各可溶岩组分布面积见表1。

表1 荔湾区可溶岩分布特征

2.2 岩溶竖向发育特征

以966个揭露可溶岩钻孔作为基础数据，其中揭露溶洞钻孔520个，揭露土洞钻孔46个，对区内所有可溶岩组岩溶的空间发育程度进行详细统计与分析，具体如表2所示。

表2 荔湾区主要岩溶层组岩溶发育特征一览表

2.2.1壶天组可溶岩

共91个钻孔揭露该层，其中揭露溶洞的钻孔39个，见洞率为42.86%，均值钻孔岩溶率为20.27%，属岩溶强发育岩组。单个钻孔一般揭露1层～2层溶洞，单孔最多揭露12层溶洞，平均揭露2.15层(见图1)。溶洞在竖向上发育程度强烈，岩溶发育段主要在地表以下15 m～40 m，首层溶洞埋深范围主要在地表以下10 m～40 m，其中埋深10 m～20 m范围揭露首层溶洞的数量最多(见图2，图3)。揭露首层溶洞顶板平均厚度为1.17 m，其中有60.27%顶板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.2 m～2.0 m之间，最大洞高为7.3 m，超过5 m溶洞有7个，占8.33%，平均高度为1.79 m(见图4)。

2.2.2石磴子组可溶岩

共600个钻孔揭露该层，其中揭露溶洞的钻孔393个，揭露溶洞908个，见洞率为65.50%，均值钻孔岩溶率为23.27%，属岩溶强发育岩组。单个钻孔一般揭露1层～6层溶洞，普遍不超过3层，单孔最多揭露10层溶洞，平均揭露2.53层(见图5)。溶洞在竖向上发育程度强烈，岩溶发育段主要分布在地表以下20 m～45 m之间，其中25 m～40 m段发育最为强烈，首层溶洞埋深范围主要在地表以下20 m～40 m之间，地表以下20 m～30 m范围揭露首层溶洞的数量最多，地下埋深45 m以下岩溶发育减弱(见图6，图7)。揭露首层溶洞顶板平均厚度为1.57 m，其中有59.35%顶板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.1 m～3.0 m之间，最大洞高为15.6 m，超过5 m溶洞有48个，占5.29%，平均高度约1.7 m(见图8)。

2.2.3大塱山组可溶岩

共275个钻孔揭露该层，其中揭露溶洞的钻孔88个，揭露溶洞101个，见洞率为32.00%，均值钻孔岩溶率为11.40%，属岩溶强发育岩组。单个钻孔一般揭露1层～2层溶洞，单孔最多揭露4层溶洞，平均揭露1.24层(见图9)。该岩组岩溶发育程度极不均匀，在大坦沙岛与芳村滘口区域岩溶中等～强烈，其他区域揭露溶洞数量明显减少。岩溶发育段主要分布在地表以下20 m～40 m之间，其中25 m～35 m段岩溶发育最为强烈，首层溶洞埋深范围主要在地表以下20 m～30 m之间，地下埋深40 m以下岩溶发育减弱(见图10，图11)。揭露首层溶洞顶板平均厚度为2.31 m，其中有48.36%顶板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.2 m～2.0 m之间，最大洞高为7.2 m，超过5 m溶洞有4个，占3.96%，平均高度约1.56 m(见图12)。

3 岩溶发育影响因素分析

3.1 地层岩性因素

根据本次收集及现场实测钻孔揭露溶洞情况分析，区内石炭系石磴子组、壶天组灰岩杂质含量低，CaO成分含量达50%以上，为隐晶质结构，溶洞极为发育，见洞率超过40%；白垩系大塱山组“红层”碎屑岩，CaO成分含量一般10%～40%，同样有利于岩溶发育，但其可溶成分差异性大，岩溶发育极不均匀，溶洞发育程度总体较石磴子组灰岩偏弱，见洞率为32%。从岩石矿物与化学成分分析来看，岩石矿物成分中方解石、白云石含量越高，越易溶蚀形成洞隙；其次，从岩石结构和构造来看，孔隙大而多的灰岩有利于水岩相互作用，有利于岩溶发育。

3.2 地质构造因素

荔湾区内断裂构造集中发育于大坦沙岛内，其中北东向断裂7条，北西向断裂5条[2]，断裂带切割使区内岩石破碎，形成良好的地下水渗流通道，增大了水系密度、增强了地层渗透性，大大增强了水岩相互作用，为地下岩溶发育提供了良好条件，同时也总体上控制了岩溶发育方向和岩溶发育规模。此外，区内石炭系石磴子组灰岩和白垩系大塱山组“红层”接触带附近、可溶岩与不可溶岩接触面上，地下水交替活动强烈，也极大的促进了大坦沙地区强岩溶发育带的形成。

3.3 地下水因素

荔湾区地下水类型可划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和基岩裂隙水三个大类。松散岩类孔隙水广泛分布，富水性和透水性总体较好，但区内砂层分布及厚度变化大或部分砂层黏粒或淤泥质含量较高，导致地下水分布及透水性等差异变化大。基岩水均为隐伏型，其中碳酸盐岩类裂隙岩溶水主要赋存在石炭系及白垩系大塱山组岩溶发育区，富水性中等，主要分布在荔湾区北部区域，尤以大坦沙岩溶发育最为强烈，受岩性、地质构造及地下水动力影响，岩体溶蚀严重，且构造裂隙及溶隙、溶沟、溶槽、溶(土)洞等多种岩溶形态发育，且相互贯通，岩溶水系统极其复杂。

4 防灾减灾建议

4.1 岩溶发育与地面塌陷的相互关系

据不完全统计，荔湾区自2003年以来发生地面塌陷40余起，主要集中在大坦沙岛及周边区域，其在时间、空间和诱发因素上均有一定的规律。在2003年—2007年期间，大坦沙岛未进行大范围地下工程施工时，几乎无塌陷产生，平均每年发生1起～2起地面塌陷。2008年—2009年及近两年，大型地下工程施工增多，如地铁6号线区间与站台基坑施工、珠江大桥桩基施工、大面积钻探等，期间造成地面塌陷27起，造成地面塌陷的主要原因为抽排地下水、桩基施工、钻探施工等。地面塌陷位置呈带状分布，主要发生在石磴子组分布区域中。本次统计的所有地面塌陷，均直接或间接地与人类工程活动有关。同时地面塌陷发生之后，塌陷的诱发因素若没有解除或诱发因素重新出现，塌陷会持续发生，若已经对塌陷进行治理，则塌陷会在前塌陷区临近复活。如西海路及桥中路在2008年及2009年同一范围内曾发生多次塌陷，河沙南路和东海南路在2018年10月～11月两次发生塌陷。

4.2 工程建设引发地面塌陷防范对策

岩溶地面塌陷防治应当坚持“预防为主、避让与治理相结合和全面规划、突出重点”的原则。

1)规划和选址阶段，应加强对岩溶地面塌陷等地质问题的考虑，优化城市功能布局。重大工程宜布置在非岩溶区或岩溶塌陷低易发区；新的城市建设区宜避开岩溶塌陷高易发区；在岩溶塌陷中、高易发区规划建设工程，应控制建设工程的类型、规模和密度，谨慎开展超标准、超高度和超密度的建设项目。

2)地质勘察阶段，钻探应做好砂土层护壁和封孔工作，降低因钻探而引起坍塌的风险；要详细查明场地岩溶洞隙及伴生土洞的分布、发育程度和发育规律，为设计施工提供翔实可靠的工程地质依据。

3)工程设计阶段，应根据地质勘察资料对岩溶(土)洞隙提出合理的处理方案，选用适宜的基础类型；提前进行风险事件预测和风险等级评估，并提出有针对性的后续勘察、施工工法和安全防范措施。

4)工程施工阶段，应严格按照设计要求选用合理可靠的施工方法和施工设备，制定合理的施工组织方案和有针对性的应急预案并组织实施，对地质条件变化或与勘察报告不符地段及时反馈，并开展补充勘察探测，必要时调整施工工艺和设计方案，杜绝地质条件不清、安全风险未有效控制进行设计、施工。

5 结论与建议

1)荔湾区岩溶发育受地层岩性、地质构造及地下水活动控制明显，岩溶分布主要集中在区内北部断裂构造交错发育的大坦沙岛及周边地区，在平面上总体上呈北东向呈带状展布，其中石炭系石磴子组、壶天组灰岩岩溶发育程度强烈，白垩系大塱山组岩溶发育程度弱～中等，在不同岩性接触界面、断层位置及其附近岩溶较发育。

2)在垂向上，壶天组灰岩中溶洞发育段主要在地表以下埋深15 m～40 m范围内；石磴子组灰岩中溶洞发育段主要在地表以下埋深20 m～45 m范围内；大塱山组“红层”碎屑岩中溶洞发育段主要集中在地表以下埋深20 m～40 m范围内。一般埋深40 m～45 m以下随深度增加岩溶发育程度呈减弱趋势；区内揭露溶洞多以单层为主，局部发育多层溶洞，70%以上的溶洞洞高在1 m以内。

3)荔湾区发生的地面塌陷主要集中在岩溶发育程度高的大坦沙岛，基本为抽排地下水、桩基施工、钻探施工等人类活动引发。

4)岩溶地面塌陷防治应当坚持“预防为主、避让与治理相结合和全面规划、突出重点”的原则，岩溶地区规划建设应从规划选址、地质勘察、工程设计和工程施工各阶段有针对性的做好工程建设引发地面塌陷防范工作，最大限度避免或减少地面塌陷事故的发生。