顧展飛，李蓮秀

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州450046）

城市地面塌陷不僅會(huì)引發(fā)交通擁堵，有些還伴隨著管線破裂對(duì)居民正常生活的影響、個(gè)人生命安全的威脅，造成了較大的社會(huì)負(fù)面影響。城市地面塌陷事故發(fā)生的誘因、預(yù)測(cè)及后續(xù)處理已成為城市發(fā)展過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題，也是集中研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，學(xué)者們對(duì)地面塌陷事故的研究更多偏向于巖溶塌陷，有關(guān)巖溶塌陷的形成機(jī)理、發(fā)育規(guī)律的研究比較成熟；伴隨著管線滲漏、施工擾動(dòng)等人為因素引起的城市地面塌陷事故日益增多，很多專家、學(xué)者開(kāi)始將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到城市地面塌陷中來(lái)。

地下水對(duì)地面塌陷的影響以及工程防滲加固方面，很多學(xué)者做了大量的研究和論述。王復(fù)明等[1-2]針對(duì)施工運(yùn)行期間地下工程存在的突涌水與滲漏災(zāi)害，結(jié)合非水反應(yīng)類高聚物注漿材料特性與技術(shù)特點(diǎn)，提出突涌水的膜袋封閉反壓注漿與滲漏的導(dǎo)管注漿處治方案，適用于巖土及地下工程中局部滲漏及管涌的處治。Xu 等[3]等通過(guò)研究粉土和砂土結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)地下水的滲流和人為因素的灌溉等外部因素的影響，是導(dǎo)致粉土-砂土地區(qū)地面沉降和塌陷的主要原因。Ingo 等[4]等用地球物理和地球化學(xué)的方法，研究了粉土和粉砂混合組成地區(qū)的結(jié)合水和孔隙水在地層沉積和壓實(shí)過(guò)程中可能在垂直方向上發(fā)生滲流現(xiàn)象。Chen 等[5]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了兩種顆粒級(jí)配在土體內(nèi)部管涌侵蝕過(guò)程中的變化狀態(tài)，以及由于管涌?jī)?nèi)部發(fā)生侵蝕而導(dǎo)致細(xì)顆粒流失后土體應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。Ke 等[6]通過(guò)室內(nèi)一維滲流方向自下而上的管涌試驗(yàn)，研究細(xì)顆粒流失引起的土體抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。結(jié)果表明細(xì)顆粒流失會(huì)導(dǎo)致土體孔隙率、滲透性的增加，土體抗剪強(qiáng)度降低。城市中地面塌陷主要經(jīng)歷土洞的形成、擴(kuò)展及上覆土層的失穩(wěn)破壞三個(gè)過(guò)程；土洞主要是由地下水產(chǎn)生的拉壓作用與剪切作用形成，地下水對(duì)土洞的形成與擴(kuò)展起著關(guān)鍵的作用[7]，同時(shí)，施工降水誘發(fā)的城市地面塌陷分為施工直接導(dǎo)致上覆地層失穩(wěn)破壞形成的地面塌陷、施工導(dǎo)致地層中不良地質(zhì)體破壞而形成的地面塌陷，以及施工導(dǎo)致管線滲漏水而引發(fā)的地面塌陷三類[8-9]。

在城市中地下管線密集的區(qū)域往往更容易發(fā)生滲漏事故，而這些區(qū)域往往也是人流量比較大的區(qū)域，這就使得地面塌陷造成的損失和后果也比較嚴(yán)重。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市地下管線不斷增多，城市交通情況越來(lái)越復(fù)雜，而現(xiàn)階段城市市政工程建設(shè)也在大規(guī)模推進(jìn)，這就使得我們必須重視地面塌陷的問(wèn)題，以保證廣大群眾的人身和財(cái)產(chǎn)安全，進(jìn)而為社會(huì)和地區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展提供保障。

1 粉土地面塌陷的影響因素分析

粉土自身的物質(zhì)構(gòu)成處于砂土和黏性土之間，但粉粒含量很高，因此在工程特性上存在一定的差異。當(dāng)粉土處于飽和狀態(tài)下就容易發(fā)生土顆粒隨水流動(dòng)的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)地面的建（構(gòu)）筑物造成一定的危害。當(dāng)前通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，密實(shí)度為密實(shí)且濕度較低的粉土，具有更加良好的力學(xué)特性，在使用合理的振壓并對(duì)其含水量進(jìn)行一定的把控后，可以在達(dá)到相應(yīng)壓實(shí)度的同時(shí)滿足工程對(duì)其力學(xué)特性的要求。而密度為稍密且處于飽和濕潤(rùn)狀態(tài)下的粉土，更容易發(fā)生土顆粒隨水流動(dòng)的現(xiàn)象。導(dǎo)致粉土地面塌陷的原因主要為地下水水位的變化和地面荷載的影響。地面沉降、地面塌陷與地下水的動(dòng)態(tài)變化正相關(guān)。下面主要從降水下滲、地下管線滲漏和工程施工影響三個(gè)方面對(duì)地下水位變化的影響和導(dǎo)致的地面塌陷的特性進(jìn)行分析。

1.1 降水下滲對(duì)粉土地面塌陷影響分析

地面塌陷大多發(fā)生于汛期，而實(shí)際上如果只是單純的降水，并不能導(dǎo)致地面塌陷。由降水導(dǎo)致的地面塌陷，在塌陷發(fā)生前，地下往往已經(jīng)形成了較大的空洞，只有少部分降水導(dǎo)致的地面塌陷在發(fā)生前地下沒(méi)有空洞，而此類事故也是在降水開(kāi)始后，在較短的時(shí)間內(nèi)在地下形成了一定的空洞，最終導(dǎo)致塌陷。粉土地面相對(duì)于其他地面在未受潮和受潮時(shí)物理性質(zhì)的差異較大，在未受潮時(shí)粉土地面的強(qiáng)度較高，壓縮性小，可以承載的荷載往往也更大，而一旦發(fā)生降雨，如果水分沒(méi)有被及時(shí)排出，就很容易導(dǎo)致粉土軟化，失去原有的承載能力，進(jìn)而使得土體結(jié)構(gòu)破壞，發(fā)生地面沉降甚至塌陷。而同時(shí)粉土在處于飽和狀態(tài)下很容易發(fā)生土顆粒隨著水流動(dòng)，進(jìn)而快速地破壞物理結(jié)構(gòu)，在短時(shí)間內(nèi)造成較大程度的地面沉降或地面塌陷。

降水作為地面發(fā)生塌陷的因素之一，和地下水水位變化的影響存在一定的差異，地下水水位大多影響較為深處的土層，發(fā)生變化大多直接或間接引起地表的沉降和塌陷，而雨水除了會(huì)對(duì)表面的土層造成影響以外，還會(huì)發(fā)生下滲對(duì)地下水位產(chǎn)生影響，進(jìn)而自上而下共同影響地表，導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷。在城市中雨水下滲往往會(huì)成為地面塌陷產(chǎn)生的直接原因，如在基坑施工中土未完全回填或者回填后未壓實(shí)便開(kāi)始下一步施工，又突發(fā)降雨最終使得地面發(fā)生塌陷。

1.2 地下管線滲漏對(duì)粉土地面塌陷的影響分析

管道下滲的方式和雨水下滲較為接近，但不同的是雨水在大城市中滲入的土地范圍有限，且得益于城市成熟的排水系統(tǒng)，往往無(wú)法直接對(duì)土地造成較大影響。因此，雨水下滲以及雨水直接造成的影響大多作用于農(nóng)村地區(qū)，而管道滲水則大多發(fā)生在較為發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)地區(qū)。地下管線滲漏引起的地面塌陷大多發(fā)生在降雨較為密集的夏季，空間分布上大多發(fā)生在地下5m 以內(nèi)。管道滲水造成最為直接的影響就是導(dǎo)致其周圍的土質(zhì)變得濕潤(rùn)或者達(dá)到飽和狀態(tài)，在這樣的情況下一旦土壤的水分排出速度低于水壓力的上升速度，土壤就會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象，使自身的承載能力大大下降并出現(xiàn)變形，進(jìn)而引發(fā)地面塌陷的問(wèn)題。由管道滲水導(dǎo)致的地面塌陷具有突然性和較大的危害性，管道滲水往往滲出的水量較大，很容易導(dǎo)致土壤軟化，其造成的坍塌范圍和深度往往也較大。同時(shí)城市中由地下管道滲漏引起的地面路面塌陷往往具有很強(qiáng)的隱蔽性和突發(fā)性，容易對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成較大損害。

隱蔽性是指由地下管道滲漏引起的地面發(fā)生塌陷前，表面并沒(méi)有太大變化，以至于正常行駛的車輛和行人無(wú)法察覺(jué)到隱患，而實(shí)際上此時(shí)地下土體由于水體的沖刷，已經(jīng)形成了較大的空洞。突發(fā)性則是指由于地下管道中水壓往往較大，以致從地下管道發(fā)生滲漏到形成土體空洞，需要的時(shí)間往往較短，一般管道發(fā)生滲漏的情況下，只需要幾個(gè)小時(shí)就可以形成較大的空洞。

1.3 施工對(duì)地下水的影響和其導(dǎo)致的地面塌陷的特性

在實(shí)際施工的過(guò)程中，當(dāng)某工程需要大量抽排地下水時(shí)，就會(huì)在相應(yīng)的區(qū)域發(fā)生地面沉降或者地面塌陷。在各類大型工程的施工過(guò)程中，往往需要大量抽排地下水，如果沒(méi)有采取一定的防水隔水措施，很容易導(dǎo)致土壤水分變化，影響自身的物理性質(zhì)，進(jìn)而引發(fā)塌陷。在進(jìn)行隧道施工時(shí)，因?yàn)槭┕c(diǎn)處于土體下方或抽排水量有時(shí)比較大，往往最容易引發(fā)沉降或塌陷，這類事故大多具有較強(qiáng)的破壞性，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。而在基坑施工環(huán)節(jié)，可以發(fā)現(xiàn)地下水位在保持接近坑底的情況下最容易引發(fā)塌陷，除此之外地下水發(fā)生較為頻繁的上升或下降時(shí)也會(huì)造成塌陷的發(fā)生。地下水水位的變化之所以會(huì)引起地面沉降和塌陷，其根本原因在于水自身對(duì)相應(yīng)的地質(zhì)條件所造成的影響，如當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，地下的粉土?xí)l(fā)生固結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致土體失去托靠，以至發(fā)生地面沉降或塌陷，而如果地下水位快速上升，土中的水分排出速度低于水壓力上升速度時(shí)，相應(yīng)的土顆粒會(huì)隨水流動(dòng)，進(jìn)而失去較大的承載能力，引發(fā)較大的沉降或塌陷發(fā)生。

2 粉土地面塌陷的防治對(duì)策

2.1 對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

根據(jù)已發(fā)生的地面塌陷來(lái)看，地下水位在鄰近不同地層接觸面或者升降時(shí)最容易引發(fā)粉土地面的塌陷。因此，在相應(yīng)的地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，或者可以在地下水位發(fā)生變化時(shí)及時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，以防止地面發(fā)生沉降或者塌陷。在地下水位監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，應(yīng)該制定相應(yīng)的預(yù)案，進(jìn)而做到有情況發(fā)生時(shí)，有方案可依；同時(shí)在進(jìn)行人工干預(yù)的過(guò)程中，不僅要針對(duì)現(xiàn)有的情況進(jìn)行充分考量，還要對(duì)未知的情況進(jìn)行分析，從而達(dá)到長(zhǎng)期有用的效果，如在調(diào)整時(shí)對(duì)未來(lái)的天氣進(jìn)行預(yù)估，將未來(lái)天氣的影響考慮在內(nèi)等。

2.2 完善城市地下管線滲漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

在管道發(fā)生滲漏時(shí)，如果管道自身缺口未達(dá)到一定程度，這對(duì)于居民而言其用水或排水時(shí)受到的影響較小，這就導(dǎo)致工作人員在這種情況下無(wú)法及時(shí)察覺(jué)到管線發(fā)生了滲漏，這就可能導(dǎo)致管線在短時(shí)間內(nèi)向外釋放大量的水，最終在地面下方形成空洞，導(dǎo)致地面塌陷發(fā)生。針對(duì)這樣的情況，應(yīng)進(jìn)一步完善管線滲漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段，不能當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，相關(guān)人員才開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行處理。當(dāng)前想要檢測(cè)管道是否發(fā)生滲漏，對(duì)管道內(nèi)的水壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一種比較有效的方法，但該方法目前受到各種限制并未被廣泛應(yīng)用于地下管線滲漏檢測(cè)中。針對(duì)這樣的情況，我們應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)管線滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的研究，提升我們的監(jiān)測(cè)能力，最終達(dá)到管道滲漏發(fā)生時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到，及時(shí)進(jìn)行搶修從而達(dá)到避免事故發(fā)生的目的。

2.3 對(duì)地下水位變化建立相應(yīng)指標(biāo)以加強(qiáng)防范

只對(duì)地下水位進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測(cè)不能滿足當(dāng)前地面塌陷防治的需求，還應(yīng)該采取一定的技術(shù)手段和相應(yīng)較為完備的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行多重監(jiān)測(cè)。如當(dāng)前還可以對(duì)原狀土層的土樣進(jìn)行采集，并將其放到不同的土層中，在一段時(shí)間后觀察其變化，來(lái)對(duì)不同土層的特性進(jìn)行分析檢驗(yàn)，進(jìn)而評(píng)估地下水開(kāi)采等各方面可能對(duì)土層造成的影響，最終使得地下水的開(kāi)采和調(diào)節(jié)更加科學(xué)，避免對(duì)土層造成不良影響。除此之外，還可以對(duì)重點(diǎn)塌陷地區(qū)加強(qiáng)信息收集，通過(guò)收集區(qū)域的水資源、土資源資料和塌陷事故記錄，建立起相應(yīng)的信息模型，對(duì)該地區(qū)潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估，進(jìn)而可以采取更加科學(xué)的手段排除潛在危險(xiǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市道路出現(xiàn)功能復(fù)雜、交通量激增、車道受載增大、道路結(jié)構(gòu)層中布設(shè)的繁雜市政管線等問(wèn)題，造成城市塌陷災(zāi)害事故頻繁發(fā)生。降水下滲、地下管線滲漏、市政工程施工影響已成為粉土地面塌陷最主要的影響因素，弄清各因素的影響及致災(zāi)機(jī)理，已成為城市粉土地面塌陷防治的先決條件和必要步驟。只有不斷加強(qiáng)對(duì)地下水位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以及完善城市管線滲漏檢測(cè)技術(shù)，才能最大程度上解決城市地面塌陷這一問(wèn)題。