武漢市江夏區武嘉高速樁基施工巖溶塌陷形成條件及機理研究

鄭曉明，陳標典，潘 峰，魏 熊，陳 鈺

(湖北省地質環境總站，湖北 武漢 430034)

巖溶塌陷是我國主要的地質災害之一，從20世紀50年代起，我國學者就開始對巖溶塌陷進行研究[1]，其研究過程主要分為以下幾個階段：20世紀50年代以前，把巖溶塌陷作為一種地質作用，學者們偏重于巖溶地貌形態、水文地質作用方面的研究，重視水化學溶蝕和風化地貌的研究；20世紀50～70年代中期，人類工程活動導致巖溶塌陷日益頻繁，引起了地質工程界的重視，一些學者從巖溶水文地質學角度對巖溶塌陷開展了廣泛的研究[2]，主要包括巖溶塌陷形成的地質和地球化學條件、塌陷機理、塌陷區的區劃和地下洞穴的探測方法、工程措施等；20世紀80年代以來，許多學者對巖溶塌陷防治和預測開展了大量研究，如提出采取地下水優化開采與工程處理措施相結合的綜合防治思路，并發展了鉆孔注漿技術，將地質雷達、聲波透視、淺層地震和電磁波等技術在內的綜合物探方法應用于巖溶塌陷的防治和勘察，在塌陷預測方面建立了許多經驗的、半定量的、定量的巖溶塌陷預測評價模型[3-4]，嘗試過眾多監測預報方法，包括地面水文監測、異常狀況監測、地下水水位異常監測、地下水水位降深速度監測、水中沙泥量監測、地下埋入光導纖維定位報警、地質雷達監測土洞等方法。

經過專家學者的共同努力，在巖溶塌陷形成原因研究方面取得了一定的進展，認為：①巖溶塌陷的形成通常必須具備3個條件，即有溶蝕的空間(溶洞或土洞)、上部有一定厚度的土質蓋層、有產生巖溶塌陷的主導因素——致塌力[2]；②巖溶塌陷的成因機制可以分為以下8種[5-6],即重力致塌模式、潛蝕致塌模式、真空吸蝕致塌模式、沖爆致塌模式、振動致塌模式、荷載致塌模式、溶蝕致塌模式、根式致塌模式。近些年隨著研究的深入，對巖溶塌陷的致塌機理有了更細致的劃分，但不同地區、不同區域因其地質環境背景條件的不同而各具特點。

武漢市近年來陸續發生了多起巖溶塌陷，對社會經濟發展造成了嚴重的影響。武漢市境內長江兩岸巖溶塌陷的致塌機理主要包括潛蝕效應、吸蝕效應、垂直滲壓效應、重力(自重和加載)效應、振動效應、滲流液化效應、土體崩解和水擊作用等。本文對武漢市江夏區武嘉高速樁基施工期間金水河兩岸巖溶塌陷的形成條件及其控制作用進行分析，并結合其形成演化過程及施工工藝，對其形成機理和致塌模式進行了分析，以為該地區同類型巖溶塌陷研究提供參考，對相似地質環境背景區內工程施工期間巖溶塌陷的預測與防治具有重要的意義。

1 巖溶塌陷區地質環境背景條件和巖溶塌陷發育特征分析

1.1 巖溶塌陷區地質環境背景條件

本文研究的巖溶塌陷區位于武漢市江夏區法泗街長虹村六組四檔灣，金水河東西兩側(見圖1)，東距法泗街約1.3 km，北東側500 m為老桂子山。該地區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為15.8～17 ℃，雨量充沛，年降雨量為1 100～1 450 mm。

圖1 武漢市江夏區金水河兩岸巖溶塌陷區地理位置及周邊地貌分區圖Fig.1 Geographical location and surrounding geomorphological map of the karst collapse areas on both sides of Jinshui River in Jiangxia District,Wuhan1.沖湖積平原；2.壟崗；3.構造剝蝕殘丘；4.水系范圍；5.第四系全新統走馬嶺組沖積層；6.第四系全新統走馬嶺組沖湖積層； 7.第四系中更新統殘坡積層；8.第四系中更新統殘坡積+沖洪積層

該巖溶塌陷區屬沖湖積平原地貌，位于長江一級階地后緣，地勢較低，地形平坦、開闊，地面標高一般在20.00～22.00 m之間，見圖1。巖溶塌陷區上覆土層為第四系全新統走馬嶺組沖積層(Qhzal)，具有上部粉質黏土、下部粉細砂層的“上黏下砂”河流相二元結構特征，下伏基巖為二疊系中統棲霞組(P2q)灰巖，全區皆屬覆蓋型巖溶區。

該地區在區域構造上處于揚子準地臺、下揚子分區的大冶小區之梁子湖凹陷西側，與武漢臺褶束處于不同的四級構造單元，區域內褶皺發育，研究區位于老桂子山向斜北翼。

區內多數鉆孔揭露直接覆蓋于灰巖頂板上的第四系粉細砂層，第四系孔隙承壓水與下伏基巖裂隙巖溶水聯通，水力聯系密切，互為補給關系。上覆第四系孔隙承壓含水層厚度為6.10～24.81 m，頂板埋深為8.48～17.90 m，地下水水位高程一般為18.90～20.98 m;下伏基巖裂隙巖溶含水層頂板埋深為23.02～38.01 m，地下水水位高程一般為18.50～20.50 m。長江汛期多在5～10月份，7、8月份長江水位最高，武漢地區長江最高洪水位為27.86 m(武漢關水文站，1985年國家高程基準，下同)，最低枯水位為8.21 m，長江水位升降幅度為19.65 m。巖溶塌陷發生時，該地區金水河、長江地表水均處于汛期高水位，且金水河尚未啟動排澇調控措施。

1.2 巖溶塌陷的發育特征分析

2014年9月1日，武深高速公路第5合同段(即武嘉高速)在橋梁樁基沖擊成孔過程中有輕微漏漿現象，在隨后幾天的施工過程中，部分鉆孔漏漿嚴重；2014年9月5日11：20左右，正在施工的8-1號樁基鉆孔由于擊穿溶洞頂板又發生嚴重漏漿現象，11：40，施工的8-1號樁基鉆孔首先發生地面塌陷，隨后沿東北方向跨越金水河陸續發生多處地面塌陷。

塌陷坑總體走向為50°～60°，呈串珠狀排列，分布于金水河兩岸，與金水河流向近似垂直，與武嘉高速線路(走向21°)呈30°～40°的角度斜交；塌陷坑平面形態一般呈橢圓形、圓形，剖面形態多為錐狀、碟狀，面積大小相差懸殊，最小者為5#塌陷坑，面積僅60 m2，最大者為17#塌陷坑，面積達4 300 m2，塌陷總面積約1.5×104m2，塌陷單坑的展布方向以北東向50°～60°為主；最深的塌陷坑為7#塌陷坑，深約12.9 m，最淺的塌陷坑為10#塌陷坑，深僅0.7 m；在塌陷坑周圍不同程度地存在深淺和寬度不一的拉張裂縫；至2014年9月5日，塌陷坑坑底均未見地下水，而9月6日，一些較深的塌陷坑中有地下水滲出并開始出現積水，且積水深淺不一，詳見圖2、表1和表2[7-9]。

圖2 武漢市江夏區金水河兩岸巖溶塌陷分布圖Fig.2 Distribution map of the karst collapse areas on both sides of Jinshui River in Jiangxia District,Wuhan1.塌陷坑位置及編號；2.冒水、冒砂點；3.A-A′剖面位置

巖溶地面塌陷發生后，巖溶塌陷區周邊出現不同程度的冒水、冒砂現象，冒水、冒砂點一般為與地下巖溶水有水力聯系的鉆孔、農田機井，調查訪問得知發生地面塌陷期間下八塘村有居民家中廢棄的民井出現冒砂、水變渾濁現象。

表1 地面塌陷發生后巖溶塌陷區出現異常冒水、冒砂點特征

表2 巖溶塌陷區各塌陷單坑特征

巖溶地面塌陷發生后，施工方實施了回填等處理措施，并組織專家和相關部門通過對前期施工工藝進行分析和可行性論證，對施工工藝進行了優化改進，并在后續施工期間對巖溶塌陷進行了動態監測，以期降低施工中誘發巖溶塌陷的風險。改進后的施工工藝為：有溶洞的樁基，下外護筒至溶洞頂板；高度小于1.5 m的空溶洞、半填充溶洞，在擊穿溶洞頂板后，拋填片石加黏土或袋裝黏土，反復沖擊固壁成孔；高度大于1.5 m的溶洞，無論有無填充物，在擊穿溶洞頂板后，下內護筒穿越溶洞，繼續沖擊成孔。此外，在施工時對地下水水位進行動態實時監測與預警，后續施工未發生新的巖溶塌陷。

2 巖溶塌陷的形成條件分析

2.1 上部第四系為松散堆積層

第四系土層作為巖溶塌陷的物質基礎，其巖土性狀直接影響巖溶塌陷的產生和發展[10-11]。在松散砂土和含礫砂土覆蓋層地區，易產生潛蝕和管涌破壞等滲透變形，形成土洞和塌陷。

武漢市江夏區金水河兩岸巖溶塌陷區位于長江一級階地，塌陷區覆蓋層為上部粉質黏土、下部粉細砂層的“上黏下砂”河流相二元結構，根據鉆孔取樣土工試驗成果及鉆探資料，覆蓋層上部一般為粉質黏土、黏土，局部有淤泥質黏土、粉土，厚度為8.15～17.9 m；下部為粉細砂，局部夾粉土、礫砂，厚度為6.10～24.81 m。覆蓋層下部砂礫層呈松散狀，其黏聚力和摩擦力均較小，抵抗滲透變形的能力差，極易隨地下水滲流而向巖溶空隙中運移形成土洞。研究區巖溶塌陷區A-A′水文地質剖面圖，見圖3。

圖3 武漢市江夏區金水河兩岸巖溶塌陷區A-A′水文地質剖面圖Fig.3 Geological section A-A′ of the karst collapse areas in the study area 1.人工填土;2.粉質黏土;3.粉細砂;4.灰巖;5.溶洞、溶蝕裂隙;6.第四系全新統走馬嶺組沖積層;7.二疊系中統棲霞組灰巖; 8.巖層產狀;9.鉆孔編號地下水流向

2.2 下部可溶巖巖溶發育

研究區巖溶塌陷區巖溶均為隱伏巖溶，鉆孔資料顯示，巖溶的基本形式為溶洞、溶隙、溶槽等，巖溶的發育受巖性和構造的影響。在區域上，巖溶越發育的地方巖溶塌陷越容易發生[12]，巖溶的發育為塌陷的形成提供了條件，上覆土體在潛蝕等作用下逐漸形成土洞，最終形成巖溶塌陷。

研究區發生巖溶塌陷的區域位于老桂子山巖溶條帶內，下伏的基巖為二疊系中統棲霞組(P2q)灰巖，中厚層狀，方解石含量達78%以上，溶解率和溶蝕度均較高，為區域上巖溶強發育巖組。據區內鉆孔資料顯示，3#塌陷坑位處武嘉高速公路施工的8-1號樁基，即SZK257勘探孔(見圖2)，為2014年9月5日的初始塌陷點，孔深26.5(標高-5.66 m)～34.2(標高-13.36 m) m處見高7.7 m的半-全充填溶洞；1#塌陷坑有SZK260勘探孔，孔深24.6(標高-3.95 m)～32.5(標高-11.85 m) m處見高7.9 m的開口全充填溶洞。根據研究區巖溶塌陷區所在K32+700～K34+000段向兩側外擴500 m范圍內的鉆孔資料統計，所有灰巖孔遇洞率為16.38%，根據有溶洞的鉆孔描述計算，線巖溶率最大值為59.92%，最小值為1.68%，平均值超過20%。根據鉆孔資料分層信息，以各層標高為基礎，建立了研究區巖溶塌陷區內武嘉高速公路沿線下伏基巖面形態的三維模型，見圖4。

此外，通過對研究區巖溶塌陷區以外涉及的武嘉高速第5合同段詳勘及超前鉆孔資料中存在溶洞的鉆孔進行統計，結果顯示其他區域下伏灰巖也分布廣泛，主線橋K30+840～K33+925以及B、D兩個匝道橋范圍內共發現溶洞56處，見洞率約7%，溶洞頂板標高約為-1.53～-19.69 m，溶洞底板標高約為-2.19～-32.59 m，溶洞高約為0.20～14.80 m。

圖4 研究區巖溶塌陷區武嘉高速公路沿線下伏基巖面形態立面圖(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 構造條件

地質構造對巖溶發育的控制主要通過層理、節理裂隙及斷裂來體現[12-13]。研究區巖溶塌陷區位于桂子山隱伏向斜的北翼靠近核部位置，軸部整體走向50°～60°，裂隙較發育；塌陷區東北側500 m老桂子山有基巖出露，與塌陷區同屬老桂子山巖溶條帶，通過對固定范圍內二疊系中統棲霞組(P2q)灰巖地層的節理裂隙(包括層面)進行測量，共統計約50條結構面的走向、傾角，繪制了結構面的走向玫瑰花圖和傾角分布直方圖，見圖5。

圖5 老桂子山基巖巖層結構面的走向玫瑰花圖和傾角 分布直方圖Fig.5 Orientation roses and angle distribution histogram of the structural planes of bedrock in Old Guizi Mountain

由圖5可見，基巖巖層結構面走向以北東向55°～65°為主，東南向次之，節理裂隙發育，以順巖層走向為主；巖層結構面傾角為30°～40°，構造裂隙傾角以80°～90°陡傾為主；同時，塌陷坑總體走向為50°～60°，呈串珠狀排列，且19個塌陷坑中有13個塌陷坑長軸走向為50°～71°，3個塌陷坑長軸走向為140°～145°。可見，研究區巖溶塌陷的發育與構造裂隙的發育方向具有一致性，即構造條件通過對巖溶發育的控制直接影響巖溶塌陷的發育特征。

2.4 水動力條件

研究區巖溶塌陷區地表長江水、第四系孔隙承壓水、基巖裂隙巖溶水之間均具有一定的水力聯系。據區內大量鉆孔資料顯示，巖溶水與孔隙承壓水在自然狀況下多通過巖土接觸面上的空隙連通，其水力聯系較好(見圖3)，且據監測孔水位數據統計，塌陷區第四系孔隙承壓水水位高程一般為18.90～20.98 m，下伏基巖裂隙巖溶水水位高程一般為18.50～20.50 m，即多數情況下孔隙承壓水水位略高于裂隙巖溶水水位，且存在一定的水頭差，但在特殊條件誘發下，如抽水、機械振動和錘擊等，地下承壓含水層被擾動，局部地下水與地表水之間會產生其他動態變化，如水力聯系增強、水位波動等；同時，第四系孔隙承壓水水位和基巖裂隙巖溶水水位變化主要受長江水位漲落的影響，但因觀測孔距長江較遠，其影響幅度較小，但整體上存在一致性。根據搜集的豐水期流速流向測試結果，塌陷區巖溶水流向為200°左右，整體趨勢為從北東流向南西，與地下水整體上沿北東-南西構造裂隙向長江排泄相一致。

水動力條件是巖溶塌陷形成演化過程中最活躍的因子和驅動力，并貫穿于整個塌陷過程。首先，地下水的長期活動,對灰巖不斷進行溶蝕和侵蝕,使其原有裂隙等空間不斷擴大,形成溶洞、溶隙和溶蝕溝槽等；同時,地下水的活動還會對覆蓋層土體產生潛蝕作用,使土體中的某些細小顆粒隨地下水的流動而逐漸遷移,從而導致土洞的產生；這種作用的反復進行,可使土洞逐漸擴大,最終可導致巖溶地面塌陷的發生；此外，地下水的升降還會促進土體的散解脫落和脹縮,從而加速土洞的發展和巖溶地面塌陷的產生。

3 巖溶塌陷的形成演化過程分析

由于巖溶塌陷發生時研究區正在進行大規模的工程建設，根據現場勘查情況，確定此次塌陷由沖孔樁樁基施工誘發。通過對研究區內巖溶塌陷的發生及發展過程進行分析，可知巖溶塌陷的形成演化過程大致分為以下4個階段:

(1) 原始穩定階段：大部分區域孔隙承壓水與巖溶水存在一定的水頭差，孔隙水補給巖溶水，但是滲透坡降較小，砂土層處于相對穩定階段。

(2) 自然因素作用階段：此階段也即土洞發展階段，在孔隙水和巖溶水的水頭差以及地下水水位天然波動的作用下，滲透力造成粉細砂向下伏可溶巖巖溶空隙中流失，初始時巖土界面處土層臨空面粉細砂發生剝落，在土層中形成土洞，隨著土洞處各應力趨于平衡狀態，土洞形態保持穩定。

(3) 人工和自然因素共同作用階段：樁基施工等人類工程活動中，機械振動作用使土體顆粒結構更為松散，其黏聚力、摩擦力等減弱，土體發生崩解剝落，在滲透水流作用下加速流失，巖溶空隙上方土層中土洞不斷向兩側及向上擴展[14]。

(4) 塌陷階段：樁基施工時重錘沖擊，沖擊鉆頭向上提拉瞬間，鉆頭下方迅速形成真空，吸蝕力加強，砂土結構遭受破壞而開始加速漏失；重錘下行時地下水壓力驟增，滲流速度加大，隨后溶洞或者巖溶裂隙帶頂部灰巖或相對隔水層被揭穿，上層孔隙水由鉆孔向巖溶水的補給力度瞬時加強，粉細砂層中滲流作用增強；同時，重錘往復沖擊導致的砂土振動液化效應使砂土通過巖溶裂隙、溶洞以及人為破壞的巖層頂板快速大量漏失，潰入下部巖溶空隙，土洞不斷擴大，上部黏性土隨之垮落，便產生巖溶地面塌陷。第一處塌陷產生后，該處地下水壓強變化在巖溶空腔中傳導，形成水擊效應，導致了后續一系列鏈式塌陷。

4 巖溶塌陷的形成機理和致塌模式分析

4.1 巖溶塌陷的形成機理

巖溶塌陷的產生往往是多機制綜合作用的結果，即巖溶塌陷的產生過程往往有一種或多種主導機制控制塌陷的形成及演化，其形成機理[15-17]主要可概括為以下4種：

(1) 潛蝕效應:主要發生在自然因素作用階段。自然條件下，地表水、上部孔隙水與下部巖溶水之間水力聯系密切，且之間存在一定的水頭差，其大小與水力梯度成正比，當水力梯度達到一定值時，動水壓力則大于下部砂土的黏聚力與顆粒間的摩擦力，土顆粒開始被滲流帶動遷移，從而在上部蓋層中形成土洞。

(2) 振動效應：主要發生在自然和人為因素共同作用階段。機械振動使得巖土體解體，結構變得松散，顆粒之間的黏聚力降低、物理力學性質降低，在地下水滲流時更容易流失、垮塌，增大了土洞的空間。

(3) 滲流液化效應：主要發生在塌陷階段。巖溶頂板揭穿后，第四系下部砂層處于飽水狀態，滲流作用的加劇使局部水力坡度瞬時增大，加上沖擊成孔時重錘往復振動使得砂土發生振動液化，粉砂層呈液化狀態沿鉆孔不斷流入巖溶空隙，從而在砂層中形成“空洞”，當“空洞”發展到一定階段，上覆黏土層失穩產生地面塌陷。

(4) 水擊效應：主要發生在塌陷階段。管道中因塌陷物的堵塞或充填物的沖決，使水流速度突然變化，水流的動能轉化為壓力，形成一種向來水方向傳播的彈性波即水擊波[18]，從而產生水擊作用，沖擊巖溶洞隙管道系統，引起與之相通的上方覆蓋巖土體的擊穿與塌陷。局部巖溶地面塌陷發生的瞬間，巖溶管道內地下水壓強增大，水擊作用而增加的壓強可能達到原巖溶管道正常壓強的幾十倍甚至幾百倍[19]，造成地下水流速發生急劇變化，且壓強在地下水中傳導，致使其他區域地下水水位波動變幅加大，加速了第四系砂層向下伏巖溶空隙的運移，從而誘發其他相臨區域產生塌陷。

4.2 巖溶塌陷的致塌模式

本文結合巖溶塌陷的形成演化過程及其相應的形成機理分析，將研究區樁基施工處巖溶地面塌陷概括為潛蝕、振動—巖層頂板破壞—滲流液化致塌模式，其他多處后續巖溶塌陷可概括為潛蝕—水擊—滲流液化致塌模式[5,17]。

5 結 論

本文通過對武漢市江夏區金水河兩岸巖溶地面塌陷的形成條件、形成機理和致塌模式的分析，得到如下結論：

(1) 巖溶塌陷區覆蓋層“上黏下砂”河流相二元結構為巖溶塌陷的發生提供了物質基礎[20]。

(2) 巖溶塌陷區與老桂子山同屬一個巖溶條帶，塌陷區溶隙、溶槽及溶洞發育，巖溶發育主要受基巖巖性(P2q)和北東向50°～60°構造裂隙及層間裂隙控制，具有明顯的成帶性、方向性，塌陷單坑及總體的展布方向以北東向50°～60°為主，巖溶的發育為巖溶塌陷提供了介質空間。

(3) 巖溶塌陷區覆蓋層第四系孔隙承壓水與下伏基巖裂隙巖溶水具有一定的水力聯系，且均隨地表水位(長江和金水河水位)的升降而波動，地下水滲流作用為巖溶塌陷提供了動力條件，并貫穿于整個巖溶塌陷過程。

(4) 該巖溶塌陷均為人為因素誘發的上覆土體破壞陷落的大型土層塌陷，其形成演化過程大致分為原始穩定階段、自然因素作用階段、自然和人為共同作用階段、塌陷階段4個階段。

(5) 結合巖溶塌陷的形成演化過程及其相應的形成機理分析，將研究區樁基施工處巖溶地面塌陷概括為潛蝕、振動—巖層頂板破壞—滲流液化致塌模式，其他多處后續巖溶塌陷可概括為潛蝕—水擊—滲流液化致塌模式。