章丘区地面塌陷灾害形成机理及危险性评价研究

聂玉朋，王庆雷，曹光明，孟庆结

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014；3.山东省地质测绘院，山东 济南 250014)

1 引言

地面塌陷往往会导致交通道路中断、房屋坍塌，并造成人员伤亡和财产损失[1,2]。根据国家统计局近年来的统计资料，我国发生的地面塌陷数量居高不下，平均每年发生268 起。我国许多学者对此进行大量的研究，并提出了相应的防治对策和建议[3～6]。本文以济南市章丘区张辛村内发生的地面塌陷为研究内容，围绕塌陷问题开展了研究。

2 研究区概况

研究范围以地面塌陷发生地章丘区张辛村为中心，北到朱格务村，东到西巴漏河东侧，南到枣园街道驻地，西到垛庄村西，东西长约3.4 km，南北宽3.4 km，覆盖面积11.22 km2，距离济南中心城区42.0 km，周边有S244省道和S102省道。

根据当地气象站降水统计资料，该区域多年平均降雨量为642.5 mm，降雨多集中在夏季。该区属小清河水系，附近主要河流为西巴漏河，属于季节性河流。该区地处山前堆积平原区，东南部为剥蚀丘陵及西巴漏河，西南邻近西巴漏河洪积扇，地势总体上东南高西北低，张辛村附近地面标高55.5～56.5 m。属华北地层区鲁西地层分区，总体位于济南至明水以古生代地层为主体、向北倾斜的一个单斜构造上。据1∶500000 枣园幅地质图及本次水文地质调查资料，在张辛村附近地层由上往下分为第四系大站组、新近系巴漏河组，下伏基岩为二叠系石盒子群。

3 水文地质与工程地质条件

3.1 水文地质条件

研究区位于巴漏河冲洪积扇强富水地段东部边缘，主要含水层为第四系松散岩类孔隙含水层、碳酸盐岩裂隙岩溶含水层和碎屑岩类裂隙含水层。第四系松散岩类孔隙水主要赋存于西南的山前冲洪积平原、冲洪积扇等地带。在山前冲洪积平原区的含水层岩性主要为粉砂、半胶结砂砾石层，累计厚度5.0～7.0 m，水位埋深在15.0～25.0 m，单井涌水量一般500～1000 m3/d。据附近第四系孔隙水动态监测资料，其水位年变幅在1.0 m左右，历年最大变幅小于5.0 m。

通过本次水文地质调查显示，研究区附近第四系孔隙水水位埋深较大，水位变幅较小；东部巴漏河地表水虽然对西岸第四系孔隙水补给作用明显，但因距研究区较远，其渗漏补给作用所引起的地下水位变幅也较小。并且地下水位常年位于张辛村的地下古防洞、古地道、地窑之下。因此，张辛村发生的地面塌陷事故受下部地下水及西巴漏河地表水影响程度较小。

3.2 工程地质条件

根据前人对地灾勘查的研究，通常是在地面施工地质钻孔和物探工程获取区域的地层岩性和地下孔洞分布情况[7～10]。本次在研究区内施工27 个地质勘查钻孔，在获取地基土岩性资料的同时查清地下古防洞、古地道的分布及埋深情况，结合对区内3口古防井和农灌井的调查，本次勘探深度达到24.2 m。在该深度范围内共分为8层地基土，由上往下依次为①杂填土、素填土、空区及塌落堆积物；②黏土；③黄土状粉质黏土；④黄土状粉土；⑤半胶结砾石层；⑥粉土混砾石；⑦半胶结砾石层；⑧砾状灰岩。其中研究区范围内古地道、古防洞的开挖层位附近为黄土状粉土和粉质黏土，埋深大致在11.0 m左右。

4 地面塌陷形成机理

根据以往大量研究表明，导致地面塌陷的形成是由多种影响因素综合作用的结果，如不良地层岩性、过度开采地下水造成水位急剧下降、地下存在空洞现象等[11～13]。本次研究区地面塌陷主要是由于建筑物下方存在古防洞、古地道等空洞区，同时地下空洞位于黄土状粉质黏土和粉土层中，土层性质与湿陷性黄土相似，在大气降雨入渗和自来水管渗漏时，造成土层湿陷塌落。地面塌陷导致墙体裂缝、房屋内出现空洞，如图1所示。

图1 地表塌陷事故现场

4.1 地下空洞区

地下空洞区主要分布在张辛村西北部、东北部、东南部及西部和中部部分地区，总体呈东西方向稍长的不规则图形，东西最长270 m，南北最宽235 m，面积3.03 km2。该区内共发现古防井14 眼、发现古防洞4 个、古地道4 处、古地道出口3 个、地面塌陷26 处、房裂住户38 个。调查发现古地道常与古防井相连，并且在靠近古防井的古防洞分布区受地下自来水管道泄漏或雨水渗漏长期影响，空洞区规模往往较大。到目前为止，该区已发现的4 处古防洞，其中3 处古防洞发生过地面塌陷事故，古防洞基本分布在张辛村西北部，呈北东向带状展布。

4.2 地层岩性

根据前期的地质钻探和孔内电视探查，发现在研究区范围内广泛发育一层厚度约为7.0 m以上的黄土状粉质黏土和粉土，且古防空洞多分布在该不良土层之中，并以上部的黄土状粉质黏土底界面作为古防洞和古地道的顶板，土层取样如图2所示。由于该类土具有湿陷性黄土的一些性质，即土质松软、强度低，遇水强烈崩解，膨胀量小等。虽然在天然状态下，地下水水位常年处于空洞区以下，对土层的影响较小，但该区域内埋设的地下水管常出现渗漏问题，加之夏季降雨多发，管道水和雨水下渗必然导致下部不良土层吸水崩解，土体强度显著降低。

图2 不良土取样情况

5 危险性评价

对研究区的地面塌陷进行危险性评价，首先是对区域的地基稳定性进行分析，同时考虑《岩土工程勘查规范中》有关地面塌陷危险性评估量化指标，如地表倾斜值T。

5.1 地基稳定性评价

张辛村的地下空区多沿古地道、古防洞、古防井或自来水管线呈细线状或细条带状展布，其空区宽度0.8～4.0 m，顶板埋深2.7～4.2 m，底板埋深5.5～6.8 m。因此，张辛村地下空区属浅部空区，其特点类似小窑采空区。因此，参照小窑采空区临界深度的计算公式(1)，对地基稳定性初步分析[14,15]。

(1)

式(1)中，Ho为空区临界深度(m)；B为空区宽度(m)，本次选取0.8～4.0 m；γ为空区上部地层重度(kN/m3)，取黄土状粉土的重度1.88×104kN/m3；φ为地层内摩擦角(°)，取20.4°；Po为上部建筑物基底单位压力(kN/m2)，取1.96×105kN/m2。

按照以下判别标准：当H1.5Ho时，地基稳定。根据张辛村古地道和古防洞的宽度，按地面上有无建筑物两种情况，分别进行了空区临界深度的计算。经计算，古地道宽度0.8 m且上部没有住房荷载时，空区临界深度为4.45 m；上部有两层楼房荷载时，空区临界深度为9.38 m。古防洞宽度4.0 m，上部没有住房荷载时，空区临界深度为22.25 m；上部有两层楼房荷载时，空区临界深度为29.99 m。

该区古地道空区宽度0.8 m，顶板实际深度2.7～4.2 m，均小于所计算的空区临界深度4.45 m和9.38 m；古防洞空区宽度4.0 m，顶板实际深度3.3～4.0 m，均小于所计算的空区临界深度22.25 m和29.99 m。即无论是何种工况条件，区域的地基都是不稳定的。

5.2 地面塌陷灾害危险性评估

在地基稳定性评价的基础上，利用量化评价指标对研究区危险性做出分析，评价标准按照有关勘查规范和有关研究[16,17]，如表1所示。

表1 地面塌陷危险性评估标准

经计算，地表倾斜值T均在3 mm/m以上，部分区域甚至超过10 mm/m，表明研究区存在地面塌陷的风险。按照分类标准可分为危险中等区和危险性大区两大类，如图3为两类地面塌陷灾害风险区分布情况。

图3 地面塌陷灾害危险性分区

6 结论

本文通过对章丘区张辛村的水文地质条件和工程地质条件详细勘查的基础上，总结了影响区内地面塌陷的主要因素，同时对区域地面塌陷发生的危险性进行了评估，得出如下结论。

(1)经调查，研究区内地下含水层对地面塌陷的影响程度较小，而主要的影响因素为客观存在的地下空洞区(古防井、古地道及防空洞等)、不良的黄土状粉质黏土和粉土，其次是雨水和管道渗水等诱发因素，增大了地面塌陷发生的可能性。

(2)通过对区域地基稳定分析，无论地面是否有建筑物，该区域范围内均为不稳定地基。根据地表倾斜值指标T进一步评价了地面塌陷灾害危险性，结果表明研究区地面塌陷危险性为中等和大两类。

(3)本次研究的资料和成果对该区域的地面塌陷灾害防治具有一定的理论意义，为下一步制定有效的地面塌陷防控措施提供了科学指导。