樊永生，毛建喜（湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北　武漢　430051）

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江夏法泗巖溶地面塌陷內(nèi)外因分析

樊永生，毛建喜（湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北武漢430051）

江夏法泗塌陷事件引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注和政府各部門(mén)的高度重視，事件發(fā)生之后我市迅速組織相關(guān)部門(mén)研究調(diào)查，對(duì)此次事故發(fā)生的原因進(jìn)行調(diào)查，從時(shí)空分布、發(fā)生破壞機(jī)理、影響因素等方面分析，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩順?gòu)造、地質(zhì)條件、人為活動(dòng)情況以及調(diào)查的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終總結(jié)出了事故發(fā)生的內(nèi)因以及外因。

地面塌陷；江夏法泗；地理環(huán)境

1　事件概況及其背景分析

2014年9月5日11時(shí)20分左右，武漢市江夏區(qū)法泗街武嘉高速五標(biāo)段項(xiàng)目正在進(jìn)行沖孔灌注樁施工時(shí)，突發(fā)地面塌陷，施工設(shè)備也隨塌陷下沉，附近村民以及施工人員緊急撤離。災(zāi)情發(fā)生后，各級(jí)政府高度重視，迅速組織專(zhuān)家趕赴災(zāi)區(qū)指導(dǎo)救災(zāi)工作。

2014年9月1日，武嘉高速公路第五合同段施工人員發(fā)現(xiàn)，在橋梁樁基沖擊成孔過(guò)程中有輕微漏漿現(xiàn)象，在隨后幾天的施工過(guò)程中，部分鉆孔漏漿嚴(yán)重，施工人員對(duì)漏漿進(jìn)行過(guò)多次處理。2014年9月5日11：20左右，正在施工的8-1號(hào)樁基鉆孔又發(fā)生嚴(yán)重漏漿現(xiàn)象，11：40時(shí)刻8-1號(hào)樁基鉆孔首先發(fā)生地面塌陷。隨后向東北方向延伸，陸續(xù)發(fā)生多處地面塌陷。至2014年9月6日17：00時(shí)，初步統(tǒng)計(jì)，共產(chǎn)生了19處塌陷坑。塌陷坑呈串珠狀排列，分布于金水河兩岸，與武嘉高速公路線路走向21°呈30～40°的角度斜交。

事件發(fā)生地段及附近村莊位于長(zhǎng)江一級(jí)階地，屬二元沖擊層，下覆石灰?guī)r，巖溶處于發(fā)育階段，屬于潛在巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)。本次塌陷屬于自然災(zāi)害，由施工誘發(fā)。

2　事件發(fā)生過(guò)程以及誘發(fā)因素分析

2.1發(fā)生發(fā)展過(guò)程分析

從武漢市巖溶地面塌陷的發(fā)生發(fā)展過(guò)程分析，巖溶地面塌陷的發(fā)育可大致分為四個(gè)階段（圖1）。

（1）原始穩(wěn)定階段：孔隙承壓水和巖溶水存在水頭差，但滲透坡降不高，上覆土層處在一個(gè)較為穩(wěn)定的階段。

（2）自然因素作用階段：這個(gè)階段也處于水、土漏失階段，巖溶水和孔隙水的水頭差變大，加上因?yàn)榻涤甑淖饔?，滲透力導(dǎo)致砂土顆粒流失，灰?guī)r頂板上就形成疏松體、土洞、疏松砂土并且不停向上發(fā)展。

圖1　一般巖溶塌陷發(fā)展過(guò)程示意圖

（3）人工和自然因素共同作用階段：施工擾動(dòng)或提取地下水，一方面使巖溶水和孔隙水的水頭差增大，另一方面在滲透力作用下，疏松砂土、土洞不斷向兩側(cè)及向上擴(kuò)展，逐步逼近粘性土蓋層底板，并達(dá)到土洞臨界拱高。

（4）塌陷階段：粘性土蓋層中形成的土洞上覆蓋層已接近臨界拱高，在降雨、地面荷載等誘發(fā)因素作用下，土拱的致塌力大于抗塌力，土拱破壞，產(chǎn)生塌陷。

2.2誘發(fā)因素

區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的產(chǎn)生，在具備可溶巖地層、覆蓋層組合條件的基礎(chǔ)上，還受諸多誘發(fā)因素所控制。據(jù)調(diào)查及勘察資料分析，勘查區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的誘發(fā)因素主要可分為自然因素和人為因素，自然因素主要包括地下水位變化等，人為因素主要為工程建設(shè)誘發(fā)巖溶地下水位波動(dòng)和水擊作用。

3　事件內(nèi)因外因及塌陷機(jī)理分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，此次巖溶地面塌陷主要由以下兩大因素綜合導(dǎo)致所致。

3.1內(nèi)因

（1）自然地質(zhì)環(huán)境條件是巖溶地面塌陷的基礎(chǔ)因素。塌陷區(qū)域位處武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地，為典型上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型碳酸鹽巖區(qū)，表層為第四系全新統(tǒng)沖積粘性土，強(qiáng)度較低；下部為粉細(xì)砂層，下覆為可溶灰?guī)r，且?guī)r溶較發(fā)育，存在砂土顆粒向下漏失至下覆溶洞、溶隙之中的基本地質(zhì)環(huán)境條件。據(jù)記載及調(diào)查訪問(wèn)，該區(qū)域歷史上未發(fā)生過(guò)地面塌陷，從收集的鉆探資料分析，溶洞垂高1.20～3.50m，最大達(dá)14.80m，少數(shù)為空洞，多呈半充填狀，充填物主要以粉細(xì)砂、粘性土及礫砂。該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件較脆弱，具備形成地面塌陷的客觀條件，有產(chǎn)生塌陷的可能，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的存在是產(chǎn)生塌陷的主要內(nèi)因。

（2）地下水活動(dòng)頻繁。塌陷區(qū)屬長(zhǎng)江流域，區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河流、魚(yú)塘、藕塘分布廣泛，溝渠縱橫。地下水發(fā)育、補(bǔ)給豐富，地下水上下活動(dòng)強(qiáng)烈，變幅較大，由于地下水位的上下波動(dòng)易帶走覆蓋層砂土顆粒，因此地下水位的長(zhǎng)期波動(dòng)是地面塌陷的內(nèi)因之一。

綜上所述，該區(qū)域下覆灰?guī)r巖溶發(fā)育，給巖溶地面塌陷創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。地下水的長(zhǎng)期波動(dòng)帶走了覆蓋層中的松散顆粒，促進(jìn)了地下管道的形成與發(fā)展，在外界誘因下易產(chǎn)生地面塌陷。

3.2外因

（1）勘察管控不嚴(yán)。在長(zhǎng)江一級(jí)階地上土下砂二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶區(qū)，勘察過(guò)程不下套管（跟管鉆進(jìn)）至灰?guī)r層一定深度（至少 0.5m），以及終孔后對(duì)勘探孔不進(jìn)行封孔處理，是誘發(fā)地面塌陷的外部因素之一。跟管鉆進(jìn)主要目的是對(duì)上部砂土予以阻隔，防止鉆至灰?guī)r層因灰?guī)r發(fā)育溶洞、溶隙，出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔孔壁瞬間跨塌，砂土顆粒發(fā)生流失逐漸引發(fā)地面塌陷；終孔后按照規(guī)范要求對(duì)勘探孔予以封堵，主要目的是有效防止下覆灰?guī)r層被揭蓋子（鉆穿完整灰?guī)r頂板），上部砂土顆粒直接向溶洞中流失，進(jìn)而引發(fā)地面塌陷。故勘察必須嚴(yán)格規(guī)范管理，監(jiān)控到位，記錄詳細(xì)，存檔備查。

（2）樁基施工擾動(dòng)。本次機(jī)械施工是誘發(fā)因素。橋梁鉆孔灌注樁施工時(shí)，沖擊振動(dòng)較大，一方面改變了樁基附近覆蓋層的密實(shí)度，另一方面易引起砂土液化，松散砂土顆粒在地下水的飽和下處于流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)鉆孔樁揭穿上部表層頂板遇溶洞時(shí)，孔內(nèi)瞬間出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿現(xiàn)象，樁周一帶地下水位短期急劇波動(dòng)，將松散砂土顆粒帶走，加劇了覆蓋層松散顆粒的流失速度，在覆蓋層中形成空洞或疏松體，在機(jī)械施工的反復(fù)振動(dòng)下最終產(chǎn)生了地面塌陷。故施工機(jī)械振動(dòng)是誘發(fā)脆弱地質(zhì)環(huán)境下地面塌陷的主要原因。

法泗塌陷首先因自然及人為原因產(chǎn)生的地下水位波動(dòng)，誘發(fā)于3號(hào)塌陷坑，其后因極大的超孔隙水壓力作用，致使周邊巖溶管道因垮塌堵塞、堵體沖決，產(chǎn)生正、負(fù)水擊作用使巖溶水連通上部孔隙承壓水，導(dǎo)致周邊巖溶頂板或開(kāi)口洞隙頂部失穩(wěn)，形成水土流失并向上迅速發(fā)展，引發(fā)周邊產(chǎn)生一系列塌陷，勘察鉆孔也出現(xiàn)冒水、冒砂現(xiàn)象。

3.3形成機(jī)理

巖溶地面塌陷的機(jī)理大致可以分為三種：①潛蝕機(jī)理；②潛蝕-滲流液化-漏失機(jī)理；③真空吸蝕機(jī)理。

事件發(fā)生區(qū)以上土下砂的二元結(jié)構(gòu)覆蓋型巖溶為主，可溶巖隱伏于砂土層之下，埋深較大；由于砂性土具粘聚力小、易液化的特點(diǎn)，潛蝕、真空吸蝕機(jī)理對(duì)砂性土作用較小，故潛蝕-滲流液化-漏失機(jī)理為勘查區(qū)主要的塌陷類(lèi)型。

潛蝕-滲流液化-漏失機(jī)理：這是一種混合機(jī)理，首先發(fā)生潛蝕、滲流液化，然后通過(guò)滲流漏失產(chǎn)生“空洞”。在隱伏巖溶上覆土層為二元結(jié)構(gòu)沖積層且下部飽和砂層直接覆蓋于基巖面時(shí)，砂層中的孔隙水直接與下伏巖溶裂隙、管道水產(chǎn)生聯(lián)系，形成統(tǒng)一的徑流，在地下水位的不斷升降變化過(guò)程中，尤其是巖溶地下水位或承壓水頭低于孔隙水位時(shí)，發(fā)生垂直滲流，先在砂層中發(fā)生潛蝕作用，形成“漏斗狀疏松體”，進(jìn)而因垂直滲流作用的加劇，局部水力坡度加大，砂層呈液化狀態(tài)流入巖溶空洞，從而在砂層上部形成“空洞”，在“空洞”發(fā)展到一定階段，在內(nèi)外營(yíng)力作用下，上部粘性土蓋層的致塌力超過(guò)抗塌力即產(chǎn)生地面塌陷。另一種是打樁等采用重錘沖擊，加劇砂層液化，繼而流失產(chǎn)生“空洞”，產(chǎn)生的機(jī)理還是潛蝕—滲流，只是增加的外營(yíng)力導(dǎo)致“空洞”擴(kuò)大的速度加快，從而加劇了地面塌陷的發(fā)生。

4　總結(jié)

本次江夏法泗巖溶地面塌陷屬自然地質(zhì)因素，內(nèi)因是該區(qū)域的巖溶地質(zhì)環(huán)境條件所決定的，而施工機(jī)械振動(dòng)是誘發(fā)巖溶地面塌陷的主要原因。

地面塌陷危害性較大，所以要采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右员苊庠斐筛蟮挠绊?。為了避免地面塌陷現(xiàn)象的發(fā)生，在以后的實(shí)際操作的時(shí)候需要防治結(jié)合，當(dāng)防治措施做好之后依然出現(xiàn)塌陷的時(shí)候，就需要采取適當(dāng)?shù)慕鉀Q措施。在實(shí)際的操作過(guò)程中需要按照實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇。首先我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦幸訌?qiáng)對(duì)地面塌陷的評(píng)價(jià)工作，綜合地理學(xué)、土木工程學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)等相關(guān)知識(shí)，對(duì)于地面上的潛在性的塌陷危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)綜合的評(píng)估和分析，這樣才能預(yù)防事故的發(fā)生，更好的解決問(wèn)題。最后還需要按照實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行巖溶地面塌陷的實(shí)驗(yàn)研究分析，進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，按照不同條件下發(fā)生的地面塌陷的主要的影響因素和機(jī)理開(kāi)展研究實(shí)驗(yàn)，得出相關(guān)的數(shù)據(jù)，為預(yù)防地面塌陷事件提供理論依據(jù)和精確的數(shù)據(jù)支持。

［1］楊 濤，涂 婧，殷 美，等.武漢市巖溶塌陷分類(lèi)及防治對(duì)策［J］.資源環(huán)境與工程，2013（5）：51～54.

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毛建喜（1985-），男，工程師，工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，從事工程地質(zhì)勘察工作。

P642.26

A

2095-2066（2016）13-0108-02

2016-4-10

樊永生（1973-），男，高級(jí)工程師，工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，從事工程地質(zhì)勘察工作。