廣州市荔灣區巖溶發育特征與地面塌陷防范對策★

樓康明 黃佳銘

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

廣州市西北部的廣花盆地斷裂構造發育，大面積分布可溶性碳酸鹽巖，是我國典型的覆蓋型巖溶發育地區之一。隨著廣州城市開發建設的高速發展，地鐵、地下管網、深基坑等各類建設工程越來越多的布局在廣花盆地巖溶區。其中位于廣花盆地南端的荔灣區大坦沙島一帶屬于廣州市“紅層”巖溶典型發育區，自2007年年底進入開發建設高峰期以來，由施工引發地面塌陷的事故日趨頻繁，對人民群眾的生命、財產安全和生產活動造成了嚴重的威脅。近年來，國內有關專家與學者對廣花盆地巖溶區已開展了一系列調查、評價和研究工作[1-9]，如珠三角地區巖溶分布特征及發育規律研究、廣花盆地巖溶地面塌陷特征及形成機理研究以及廣花盆地內針對部分典型的白云區、金沙洲地區、夏茅地區等巖溶發育特征與分布規律、巖溶塌陷穩定性評價、巖溶塌陷監測預警預報、地質災害風險區劃等方面取得了較大的成果。

本文通過對荔灣區開展的巖溶地面塌陷調查與評價工作，收集現場施工鉆孔共1 936個，通過對大量鉆孔數據統計分析，進一步劃定了荔灣區除大坦沙島以外的巖溶發育范圍，通過對巖溶發育區內966個鉆孔的詳細分析，進一步研究和總結了荔灣區各巖溶層組巖溶發育特征與分布規律及巖溶發育的影響因素，提出了工程建設引發地面塌陷的防范對策建議。

1 地質環境條件概況

荔灣區位于珠江三角洲北緣，與廣花盆地南部接壤，面積約59.1 km2，地勢平坦且向南向北呈低落之勢，北面為臺地，地勢較高，由西灣到小北江間，大部分為低洼平原。

在地質構造上，北東和北西向斷裂組相互切割構成本區特有的塊斷構造體系。廣從斷裂帶金盤嶺—芳村段總體走向北東，傾向南東，傾角50°～80°；白坭—沙灣斷裂帶走向290°～320°，傾向南西或北東，傾角30°～80°。區內地層發育由老到新主要有石炭系、白堊系、古近系和第四系地層。地下水分布有第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水和基巖裂隙水三大類。

2 巖溶發育特征

2.1 可溶巖平面分布情況

根據鉆孔揭露可溶巖情況，荔灣區可溶巖總分布面積約16.18 km2，占全區總面積的27.38%。揭露可溶巖主要為石炭系石磴子組(C1s)、壺天組(C2+3ht)灰巖、大理化灰巖和白堊系大塱山組(K2dl)礫巖、灰質礫巖、鈣質砂巖、泥灰巖等，主要分布在西村街道西部、南源街道、昌華街道西北部、橋中街道、石圍塘街道、茶滘街道北部等地。其中石磴子組灰巖以北東向條帶狀分布在大坦沙—芳村一帶，面積約0.76 km2；壺天組灰巖小范圍集中分布在荔灣北部與白云區交接處，面積約0.17 km2；其余可溶巖均為白堊系大塱山組，分布在大坦沙島與芳村中部一帶，面積約為13.39 km2，多與石磴子組灰巖互層，同樣呈北東向條帶狀展布，各可溶巖組分布面積見表1。

表1 荔灣區可溶巖分布特征

2.2 巖溶豎向發育特征

以966個揭露可溶巖鉆孔作為基礎數據，其中揭露溶洞鉆孔520個，揭露土洞鉆孔46個，對區內所有可溶巖組巖溶的空間發育程度進行詳細統計與分析，具體如表2所示。

表2 荔灣區主要巖溶層組巖溶發育特征一覽表

2.2.1壺天組可溶巖

共91個鉆孔揭露該層，其中揭露溶洞的鉆孔39個，見洞率為42.86%，均值鉆孔巖溶率為20.27%，屬巖溶強發育巖組。單個鉆孔一般揭露1層～2層溶洞，單孔最多揭露12層溶洞，平均揭露2.15層(見圖1)。溶洞在豎向上發育程度強烈，巖溶發育段主要在地表以下15 m～40 m，首層溶洞埋深范圍主要在地表以下10 m～40 m，其中埋深10 m～20 m范圍揭露首層溶洞的數量最多(見圖2，圖3)。揭露首層溶洞頂板平均厚度為1.17 m，其中有60.27%頂板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.2 m～2.0 m之間，最大洞高為7.3 m，超過5 m溶洞有7個，占8.33%，平均高度為1.79 m(見圖4)。

2.2.2石磴子組可溶巖

共600個鉆孔揭露該層，其中揭露溶洞的鉆孔393個，揭露溶洞908個，見洞率為65.50%，均值鉆孔巖溶率為23.27%，屬巖溶強發育巖組。單個鉆孔一般揭露1層～6層溶洞，普遍不超過3層，單孔最多揭露10層溶洞，平均揭露2.53層(見圖5)。溶洞在豎向上發育程度強烈，巖溶發育段主要分布在地表以下20 m～45 m之間，其中25 m～40 m段發育最為強烈，首層溶洞埋深范圍主要在地表以下20 m～40 m之間，地表以下20 m～30 m范圍揭露首層溶洞的數量最多，地下埋深45 m以下巖溶發育減弱(見圖6，圖7)。揭露首層溶洞頂板平均厚度為1.57 m，其中有59.35%頂板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.1 m～3.0 m之間，最大洞高為15.6 m，超過5 m溶洞有48個，占5.29%，平均高度約1.7 m(見圖8)。

2.2.3大塱山組可溶巖

共275個鉆孔揭露該層，其中揭露溶洞的鉆孔88個，揭露溶洞101個，見洞率為32.00%，均值鉆孔巖溶率為11.40%，屬巖溶強發育巖組。單個鉆孔一般揭露1層～2層溶洞，單孔最多揭露4層溶洞，平均揭露1.24層(見圖9)。該巖組巖溶發育程度極不均勻，在大坦沙島與芳村滘口區域巖溶中等～強烈，其他區域揭露溶洞數量明顯減少。巖溶發育段主要分布在地表以下20 m～40 m之間，其中25 m～35 m段巖溶發育最為強烈，首層溶洞埋深范圍主要在地表以下20 m～30 m之間，地下埋深40 m以下巖溶發育減弱(見圖10，圖11)。揭露首層溶洞頂板平均厚度為2.31 m，其中有48.36%頂板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.2 m～2.0 m之間，最大洞高為7.2 m，超過5 m溶洞有4個，占3.96%，平均高度約1.56 m(見圖12)。

3 巖溶發育影響因素分析

3.1 地層巖性因素

根據本次收集及現場實測鉆孔揭露溶洞情況分析，區內石炭系石磴子組、壺天組灰巖雜質含量低，CaO成分含量達50%以上，為隱晶質結構，溶洞極為發育，見洞率超過40%；白堊系大塱山組“紅層”碎屑巖，CaO成分含量一般10%～40%，同樣有利于巖溶發育，但其可溶成分差異性大，巖溶發育極不均勻，溶洞發育程度總體較石磴子組灰巖偏弱，見洞率為32%。從巖石礦物與化學成分分析來看，巖石礦物成分中方解石、白云石含量越高，越易溶蝕形成洞隙；其次，從巖石結構和構造來看，孔隙大而多的灰巖有利于水巖相互作用，有利于巖溶發育。

3.2 地質構造因素

荔灣區內斷裂構造集中發育于大坦沙島內，其中北東向斷裂7條，北西向斷裂5條[2]，斷裂帶切割使區內巖石破碎，形成良好的地下水滲流通道，增大了水系密度、增強了地層滲透性，大大增強了水巖相互作用，為地下巖溶發育提供了良好條件，同時也總體上控制了巖溶發育方向和巖溶發育規模。此外，區內石炭系石磴子組灰巖和白堊系大塱山組“紅層”接觸帶附近、可溶巖與不可溶巖接觸面上，地下水交替活動強烈，也極大的促進了大坦沙地區強巖溶發育帶的形成。

3.3 地下水因素

荔灣區地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和基巖裂隙水三個大類。松散巖類孔隙水廣泛分布，富水性和透水性總體較好，但區內砂層分布及厚度變化大或部分砂層黏粒或淤泥質含量較高，導致地下水分布及透水性等差異變化大。基巖水均為隱伏型，其中碳酸鹽巖類裂隙巖溶水主要賦存在石炭系及白堊系大塱山組巖溶發育區，富水性中等，主要分布在荔灣區北部區域，尤以大坦沙巖溶發育最為強烈，受巖性、地質構造及地下水動力影響，巖體溶蝕嚴重，且構造裂隙及溶隙、溶溝、溶槽、溶(土)洞等多種巖溶形態發育，且相互貫通，巖溶水系統極其復雜。

4 防災減災建議

4.1 巖溶發育與地面塌陷的相互關系

據不完全統計，荔灣區自2003年以來發生地面塌陷40余起，主要集中在大坦沙島及周邊區域，其在時間、空間和誘發因素上均有一定的規律。在2003年—2007年期間，大坦沙島未進行大范圍地下工程施工時，幾乎無塌陷產生，平均每年發生1起～2起地面塌陷。2008年—2009年及近兩年，大型地下工程施工增多，如地鐵6號線區間與站臺基坑施工、珠江大橋樁基施工、大面積鉆探等，期間造成地面塌陷27起，造成地面塌陷的主要原因為抽排地下水、樁基施工、鉆探施工等。地面塌陷位置呈帶狀分布，主要發生在石磴子組分布區域中。本次統計的所有地面塌陷，均直接或間接地與人類工程活動有關。同時地面塌陷發生之后，塌陷的誘發因素若沒有解除或誘發因素重新出現，塌陷會持續發生，若已經對塌陷進行治理，則塌陷會在前塌陷區臨近復活。如西海路及橋中路在2008年及2009年同一范圍內曾發生多次塌陷，河沙南路和東海南路在2018年10月～11月兩次發生塌陷。

4.2 工程建設引發地面塌陷防范對策

巖溶地面塌陷防治應當堅持“預防為主、避讓與治理相結合和全面規劃、突出重點”的原則。

1)規劃和選址階段，應加強對巖溶地面塌陷等地質問題的考慮，優化城市功能布局。重大工程宜布置在非巖溶區或巖溶塌陷低易發區；新的城市建設區宜避開巖溶塌陷高易發區；在巖溶塌陷中、高易發區規劃建設工程，應控制建設工程的類型、規模和密度，謹慎開展超標準、超高度和超密度的建設項目。

2)地質勘察階段，鉆探應做好砂土層護壁和封孔工作，降低因鉆探而引起坍塌的風險；要詳細查明場地巖溶洞隙及伴生土洞的分布、發育程度和發育規律，為設計施工提供翔實可靠的工程地質依據。

3)工程設計階段，應根據地質勘察資料對巖溶(土)洞隙提出合理的處理方案，選用適宜的基礎類型；提前進行風險事件預測和風險等級評估，并提出有針對性的后續勘察、施工工法和安全防范措施。

4)工程施工階段，應嚴格按照設計要求選用合理可靠的施工方法和施工設備，制定合理的施工組織方案和有針對性的應急預案并組織實施，對地質條件變化或與勘察報告不符地段及時反饋，并開展補充勘察探測，必要時調整施工工藝和設計方案，杜絕地質條件不清、安全風險未有效控制進行設計、施工。

5 結論與建議

1)荔灣區巖溶發育受地層巖性、地質構造及地下水活動控制明顯，巖溶分布主要集中在區內北部斷裂構造交錯發育的大坦沙島及周邊地區，在平面上總體上呈北東向呈帶狀展布，其中石炭系石磴子組、壺天組灰巖巖溶發育程度強烈，白堊系大塱山組巖溶發育程度弱～中等，在不同巖性接觸界面、斷層位置及其附近巖溶較發育。

2)在垂向上，壺天組灰巖中溶洞發育段主要在地表以下埋深15 m～40 m范圍內；石磴子組灰巖中溶洞發育段主要在地表以下埋深20 m～45 m范圍內；大塱山組“紅層”碎屑巖中溶洞發育段主要集中在地表以下埋深20 m～40 m范圍內。一般埋深40 m～45 m以下隨深度增加巖溶發育程度呈減弱趨勢；區內揭露溶洞多以單層為主，局部發育多層溶洞，70%以上的溶洞洞高在1 m以內。

3)荔灣區發生的地面塌陷主要集中在巖溶發育程度高的大坦沙島，基本為抽排地下水、樁基施工、鉆探施工等人類活動引發。

4)巖溶地面塌陷防治應當堅持“預防為主、避讓與治理相結合和全面規劃、突出重點”的原則，巖溶地區規劃建設應從規劃選址、地質勘察、工程設計和工程施工各階段有針對性的做好工程建設引發地面塌陷防范工作，最大限度避免或減少地面塌陷事故的發生。