武漢市長(zhǎng)江一級(jí)階地鉆探施工誘發(fā)巖溶塌陷的形成機(jī)制分析

李慧娟， 陳夢(mèng)源， 梁 川， 涂 婧

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

巖溶塌陷是制約武漢市經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的主要地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題之一[1-3]。近年來(lái)，隨著武漢城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，因人類工程活動(dòng)引發(fā)的巖溶塌陷越來(lái)越多[4-5]。鉆探施工對(duì)巖溶地質(zhì)環(huán)境影響較大，特別是在工程詳勘階段或樁基施工前進(jìn)行的超前鉆施工，由于鉆孔布設(shè)密度極大，鉆進(jìn)深度基本揭穿碳酸鹽巖巖溶發(fā)育層，因此極易誘發(fā)巖溶塌陷[6-7]。

2005年以來(lái)，武漢市長(zhǎng)江一級(jí)階地因鉆探施工誘發(fā)的巖溶塌陷多達(dá)9次[8]，例如2013年毛坦港某小區(qū)所在地塊因鉆探施工誘發(fā)1處巖溶塌陷(3個(gè)塌陷坑)[9]。該塌陷區(qū)位于超前鉆施工地段，造成工程停工和工期延期，因此分析鉆探誘發(fā)巖溶塌陷的成因機(jī)制十分必要，可以為巖溶區(qū)工程施工部署提供超前依據(jù)。本次研究以毛坦港某小區(qū)巖溶塌陷為例，分析鉆探施工誘發(fā)巖溶塌陷的形成機(jī)制和致塌模式，提出相應(yīng)的防治措施，為今后合理安全施工和巖溶塌陷防治提供依據(jù)。

1 塌陷區(qū)地質(zhì)概況

塌陷區(qū)位于武漢市洪山區(qū)青菱街道毛坦港(圖1)，屬長(zhǎng)江一級(jí)階地中后緣。該區(qū)具湖積沖積平原地貌，地形平坦開(kāi)闊，地面標(biāo)高18.6～21.0 m。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年降水量為1 100～1 450 mm，降水多集中于4—9月。

塌陷區(qū)在構(gòu)造上位于新隆—豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜南翼，南翼軸面北傾，傾角60°～75°。區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)走馬嶺組沖積層(Qhzal)，總厚度20.8～27.4 m，具“上黏下砂”的河流相二元結(jié)構(gòu)，上部為黏土、粉質(zhì)黏土層，厚5.2～21.2 m，可塑—軟塑，濕—飽和；下部為粉細(xì)砂層，厚0.7～13.9 m，稍密—中密，飽和。第四系之下隱伏石炭系—古近系地層。塌陷區(qū)位于埋藏型巖溶區(qū)和覆蓋型巖溶區(qū)交界部位(圖1)，下伏可溶巖主要為二疊系中統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，南側(cè)和西側(cè)主要分布白堊系上統(tǒng)—古近系下統(tǒng)公安寨組紅砂巖。

1.隱伏白堊系上統(tǒng)—古近系下統(tǒng)公安寨組;2.隱伏三疊系下統(tǒng)大冶組；3.隱伏二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M—大隆組；4.隱伏二疊系中統(tǒng)棲霞組—孤峰組；5.隱伏石炭系上統(tǒng)大埔組—黃龍組；6.隱伏石炭系下統(tǒng)高驪山組—和州組；7.隱伏地層界線；8.巖溶塌陷點(diǎn)；9.施工鉆孔及編號(hào)；10.收集鉆孔及編號(hào)；11.等高線(m)圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch of the study area

區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系松散巖類孔隙承壓水含水層和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水層。孔隙水主要賦存于粉細(xì)砂層中，含水層厚1.0～9.7 m，地下水水位高程為10.3～19.2 m。巖溶水主要賦存于灰?guī)r中的溶蝕裂隙及溶洞中，地下水水位高程為-3.59～5.75 m。粉細(xì)砂層與灰?guī)r之間的局部地段發(fā)育厚0.7～4.0 m的公安寨組紅砂巖，構(gòu)成相對(duì)隔水層。區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為長(zhǎng)江汛期江水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。上部孔隙水水位常年高于下部巖溶水水位，水頭差20 m左右。巖溶水一方面接受上部孔隙水的補(bǔ)給(無(wú)相對(duì)隔水層地段，孔隙水直接徑流補(bǔ)給巖溶水；有相對(duì)隔水層地段，孔隙水通過(guò)越流補(bǔ)給巖溶水)，另一方面接受鄰區(qū)碎屑巖類裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給。

2 巖溶發(fā)育程度

塌陷區(qū)可溶巖為連續(xù)狀純碳酸鹽巖，整體純度較高，具含生物碎屑結(jié)構(gòu)、微—中粗粒結(jié)構(gòu)，由方解石(88%～100%)、白云石(0～7%)及少量生物碎屑(0～5%)組成。區(qū)內(nèi)巖溶整體中等發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象主要為溶孔、溶蝕裂隙和溶洞，平均線巖溶率7.94%，鉆孔遇洞率37.5%。鉆孔中揭露的溶洞洞高0.7～5.0 m，多分布于灰?guī)r層頂板至向下一定深度范圍內(nèi)，溶洞頂板厚度為0.3～4.7 m。多數(shù)溶洞為全充填或半充填，少量為無(wú)充填，充填物為松散中粗砂夾軟塑黏性土。

3 巖溶塌陷發(fā)育過(guò)程

1999年4月22日，毛坦港小學(xué)北東約50 m的村級(jí)公路處發(fā)生1處巖溶塌陷，陷坑面積250 m2，影響范圍約400 m2，造成公路、水渠、農(nóng)田毀壞，對(duì)京廣鐵路構(gòu)成潛在威脅。該塌陷主要由上部孔隙水向下部巖溶水徑流補(bǔ)給時(shí)產(chǎn)生的潛蝕滲壓作用所誘發(fā)[10-11]。2012年在毛坦港小學(xué)塌陷區(qū)附近布設(shè)了2個(gè)地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)孔ZK1和ZK2(圖1)。2013年3月10日，ZK1監(jiān)測(cè)孔水位跳升5.26 m。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡視，發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)孔南側(cè)約160 m的一處住宅工地正在進(jìn)行詳勘鉆探施工，施工時(shí)間與水位劇烈波動(dòng)時(shí)間相吻合，因此推測(cè)ZK1監(jiān)測(cè)孔水位變動(dòng)與此有關(guān)。分析原因認(rèn)為，該區(qū)巖溶水為承壓水，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)多臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)帶水鉆進(jìn)，待鉆至灰?guī)r層頂部且連通巖溶裂隙后，鉆探循環(huán)水壓力迅速傳導(dǎo)至巖溶水，導(dǎo)致ZK1監(jiān)測(cè)孔水位出現(xiàn)大幅變化，但所幸未誘發(fā)巖溶塌陷。

2013年4月13日14：30、4月21日13：30、4月24日12：30，ZK1監(jiān)測(cè)孔多次出現(xiàn)水位異常突變，最大水位變幅分別為3.68 m、9.46 m、7.01 m(表1)。相應(yīng)地，4月14日—24日Z(yǔ)K1監(jiān)測(cè)孔以西約190 m處先后發(fā)生了3處巖溶塌陷(圖1，表2)，從西向東依次編號(hào)1#、2#、3#。塌陷坑平面呈橢圓狀，剖面呈碟狀，整體呈串珠狀排列，走向約106°，間距分別為4.3 m、5.8 m。

表1 巖溶塌陷巖溶水水位異常統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of karst water level anomaly of karst collapse

表2 巖溶塌陷坑特征Table 2 Characteristics of karst collapse pits

4 形成機(jī)制分析

4.1 巖溶塌陷形成條件

可溶巖地區(qū)發(fā)育的淺部巖溶是巖溶塌陷形成的空間基礎(chǔ)[12-13]。塌陷區(qū)位于新隆—豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜南翼，碳酸鹽巖地層層理發(fā)育，傾角較大，同時(shí)非可溶巖作為隔水底板有利于地下水滯留和徑流，從而為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了有利條件。受構(gòu)造影響，塌陷區(qū)灰?guī)r或上覆公安寨組紅砂巖(厚度薄且較破碎)，或直接與第四系粉細(xì)砂層接觸。灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)主要有溶洞、溶隙和溶孔，為上覆第四系松散層的側(cè)向、垂向潛蝕流失提供了運(yùn)移通道和儲(chǔ)存空間。

第四系松散土層是巖溶塌陷形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[12-13]。塌陷區(qū)上覆土層為“上黏下砂”的二元結(jié)構(gòu)，且土層厚度較薄(<30 m)。下部粉細(xì)砂層中黏粒含量較低，滲透系數(shù)大，粉細(xì)砂層自身穩(wěn)定性差，臨界水力坡降較小，地下水的垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)粉細(xì)砂層破壞相對(duì)較強(qiáng)，砂土容易被地下水帶走。上部黏性土層厚度較薄，強(qiáng)度較低，臨界土洞破壞時(shí)的誘發(fā)作用強(qiáng)度不需很大即可導(dǎo)致黏性土層的破壞，從而出現(xiàn)地面塌陷。

強(qiáng)烈的地下水活動(dòng)是巖溶塌陷形成的主要驅(qū)動(dòng)力[12-13]。巖溶塌陷及塌陷程度主要取決于水動(dòng)力條件的改變，即地下水的波動(dòng)幅度和速度、水力坡降、水流速度等[13]。在物質(zhì)基礎(chǔ)條件既定的情況下，水力坡度越大、水力作用越強(qiáng)，塌陷越容易產(chǎn)生。根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)和依斯托米納模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)曲線[13]，該區(qū)粉細(xì)砂層臨界水力梯度Icr=0.78，粉細(xì)砂層厚度H=4 m，對(duì)應(yīng)的臨界水頭差Δh=IcrH=3.12 m。計(jì)算結(jié)果表明地下水水位變幅超過(guò)3.12 m時(shí)，粉細(xì)砂層的滲透穩(wěn)定性就會(huì)發(fā)生變化。而該區(qū)塌陷發(fā)生前ZK1監(jiān)測(cè)孔觀測(cè)到的最大水位變幅(3.68 m、9.46 m、7.01 m)均超出臨界水頭差，因此發(fā)生塌陷不可避免。

4.2 巖溶塌陷形成機(jī)制

塌陷區(qū)東南約200 m處的工地有多臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行帶水鉆進(jìn)作業(yè)，在鉆探擊穿無(wú)充填或半充填溶洞頂板瞬間，鉆探循環(huán)水大量涌入，造成鉆探循環(huán)水和第四系孔隙水向巖溶水滲透路徑迅速減少，引發(fā)巖溶水水位突增，形成較大水頭差(超出臨界水力梯度對(duì)應(yīng)的水頭差)。該情況下水力梯度超過(guò)臨界值，粉細(xì)砂層滲透穩(wěn)定性被破壞，水流裹挾大量粉細(xì)砂層顆粒向溶洞運(yùn)移。粉細(xì)砂層擾動(dòng)帶不斷向兩側(cè)及上部擴(kuò)展，形成扁球狀土洞，繼而失穩(wěn)破壞，被上覆粉質(zhì)黏土填充，從而在地表形成淺碟形的塌陷坑。另外，多臺(tái)鉆機(jī)施工時(shí)機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度大，在一定程度上破壞了松散土層的穩(wěn)定性，加劇上覆土層向溶洞流失的速度，加快了巖溶塌陷的形成。

綜上所述，此次鉆探施工誘發(fā)的巖溶塌陷屬巖層頂板破壞—垂直滲壓致塌模式[4]，其基本機(jī)理是鉆探溝通了上下含水層的水力聯(lián)系，使得地下水潛蝕滲流作用增強(qiáng)，上部松散土體隨水流運(yùn)移到碳酸鹽巖空隙中，這是土洞形成和發(fā)展的根本。從巖溶塌陷的發(fā)生發(fā)展過(guò)程分析，巖溶塌陷形成演化過(guò)程大致分為四個(gè)階段：

(1) 初始穩(wěn)定階段(圖2-a)。孔隙水和巖溶水存在一定的水頭差，孔隙水補(bǔ)給巖溶水，但是滲透坡降較小，砂土層處于相對(duì)穩(wěn)定階段。

(2) 鉆孔揭穿灰?guī)r頂板(人工擾動(dòng))階段(圖2-b)。鉆探循環(huán)水大量涌入使孔隙水和巖溶水的水頭差突然增大，在滲透力作用下，砂土層向溶洞運(yùn)移，土洞發(fā)生垂向和橫向拓展，逐步逼近土洞臨界拱高。

(3) 塌陷形成發(fā)展階段(圖2-c、圖2-d)。土洞上覆蓋層已接近臨界拱高，在地面荷載等壓力作用下，土拱的致塌力超過(guò)抗塌力，從而發(fā)生土拱破壞，形成巖溶塌陷。

圖2 巖溶塌陷形成過(guò)程圖Fig.2 Formation process of karst collapse

5 防治措施

鉆探施工誘發(fā)巖溶塌陷并不罕見(jiàn)，為減少此類巖溶塌陷的危害，需加強(qiáng)防治工作。根據(jù)本區(qū)鉆探誘發(fā)巖溶塌陷的形成機(jī)制及致塌模式，提出以下防治措施建議：

(1) 在工程建設(shè)不適宜區(qū)內(nèi)，對(duì)于已發(fā)生巖溶塌陷的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)塌陷特征及場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受塌陷影響的衰減程度，劃分塌陷區(qū)、塌陷影響區(qū)及正常區(qū)，分區(qū)進(jìn)行專項(xiàng)勘察。

(2) 在鉆探施工前，全面分析已有地質(zhì)資料，合理安排施鉆順序，盡量拉大鉆探孔距。

(3) 在鉆探過(guò)程中，增加造漿措施，做好砂土層的護(hù)壁，防止砂土流失，并時(shí)刻注意地表變形、地下水水位突變等巖溶塌陷發(fā)育征兆。

(4) 在鉆探結(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行封孔，將孔徑大小的木樁放入鉆孔，利用鉆具下至基巖面，封堵砂土層地下水與基巖裂隙水的聯(lián)系；并盡快實(shí)施樁基作業(yè)，防止砂土隨地下水進(jìn)入基巖空隙，盡可能做到鉆探結(jié)束一孔施工一樁。

6 結(jié)論

(1) 毛坦港某小區(qū)巖溶塌陷是長(zhǎng)江一級(jí)階地巖溶地區(qū)由鉆探施工誘發(fā)的巖溶塌陷，屬巖層頂板破壞—垂直滲壓致塌模式，其形成發(fā)展主要經(jīng)歷初始穩(wěn)定階段、鉆孔揭穿灰?guī)r頂板(人工擾動(dòng))階段、塌陷形成發(fā)展階段三個(gè)過(guò)程。

(2) 在下伏碳酸鹽巖巖溶發(fā)育且上覆蓋層具“上黏下砂”二元結(jié)構(gòu)的區(qū)域，進(jìn)行鉆探施工時(shí)可能破壞基巖與覆蓋層的平衡條件及地下水動(dòng)力條件，如果未采取及時(shí)有效的防護(hù)措施，極易引發(fā)巖溶塌陷。

(3) 對(duì)于鉆探施工誘發(fā)的巖溶塌陷，應(yīng)加強(qiáng)防治工作，重點(diǎn)采取鉆探前合理布孔、鉆探中加強(qiáng)護(hù)壁與監(jiān)測(cè)、鉆探后及時(shí)封孔并盡快實(shí)施樁基作業(yè)等措施。