黃劍宇，黃佳銘

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 廣州510060）

0 引言

廣州巖溶地面塌陷主要分布于西北部地區(qū)廣花盆地［1］，大坦沙為典型巖溶塌陷區(qū)。近年，隨著高強(qiáng)度地鐵、基礎(chǔ)工程建設(shè)等人為活動(dòng)的影響［2］，大坦沙西海南路、橋中中路等地段相繼發(fā)生多起巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害［3］，造成周邊停電停水、交通堵塞、房屋開(kāi)裂，影響附近居民正常生活，威脅居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，由于巖溶發(fā)育的影響，提高了地基、支護(hù)等工程的成本［4～7］，制約了地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。巖溶地面塌陷的影響因素有很多，劉江龍等人［1，2］認(rèn)為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、多雨的氣候背景、活動(dòng)的斷裂構(gòu)造、廣布的淤泥質(zhì)地層、劇烈的人類(lèi)活動(dòng)孕育了地面塌陷的出現(xiàn)；鄭小戰(zhàn)等人［3］提出覆蓋型灰?guī)r是引起巖溶塌陷的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，斷裂切割巖石破碎，加劇地下水的活動(dòng)，促使塌陷的形成；蘇扣林等人［8］認(rèn)為地下水位下降是巖溶地面塌陷的主導(dǎo)因素；雷金山等人［9］分析了覆蓋層特征、巖溶發(fā)育程度、氣候條件、地下水活動(dòng)、人類(lèi)工程活動(dòng)對(duì)巖溶塌陷的影響；駱榮等人［10］指出石灰?guī)r地區(qū)采石場(chǎng)礦坑會(huì)直接誘發(fā)巖溶地面塌陷。

根據(jù)現(xiàn)有的勘察地質(zhì)鉆孔資料以及近年大坦沙地區(qū)巖溶地面塌陷的分布，著重從覆蓋層的結(jié)構(gòu)、厚度、底層土層特性方面分析覆蓋層對(duì)巖溶塌陷的影響。

1 巖溶發(fā)育特征

廣州地區(qū)巖溶以覆蓋型巖溶為主，巖溶發(fā)育形態(tài)以溶洞與土洞最為常見(jiàn)，其中土洞是溶洞發(fā)育的伴生物，也是塌陷形成的主要基礎(chǔ)條件之一。

大坦沙地區(qū)鉆孔揭露地層有下石炭系石磴子組、白堊系上統(tǒng)大塱山組（見(jiàn)圖1）。石磴子組沿珠江西橋往北東、西海南路至珠江橋、橋中路均有揭露，巖性為淺灰及灰黑色中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，巖溶作用強(qiáng)烈，溶洞極其發(fā)育。大塱山組在大坦沙島普遍隱伏分布，巖性為灰紫或暗紫紅色粉砂巖、細(xì)砂巖夾砂礫巖和灰黑、深灰色鈣質(zhì)泥巖及泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等。第四系松散沉積物區(qū)內(nèi)廣泛分布，屬三角洲平原沉積。

巖溶分布平面上總體呈帶狀分布，與巖層走向基本一致，石磴子組灰?guī)r呈中厚層狀，少夾泥頁(yè)巖，巖層呈北北東向或北東向條帶狀展布，巖層傾角40°～60°，灰?guī)r中溶洞也多呈北東向串珠狀展布，溶洞規(guī)模較大，鉆孔見(jiàn)洞率高，為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)；大塱山組底部灰質(zhì)礫巖呈厚層狀，其中礫石成份以灰?guī)r礫石為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，其溶蝕作用強(qiáng)烈，溶洞發(fā)育不均勻，在大坦沙北部與中部區(qū)域，鉆孔見(jiàn)洞率較高，在東部及南部區(qū)域，溶洞見(jiàn)洞率明顯減小。根據(jù)鄭小戰(zhàn)等人［3］的研究，該地區(qū)小于0.5 m 的溶洞占溶洞總數(shù)的39.32%，0.5～1.0 m 之間的占23.08%，以小溶洞為主，溶洞的頂板灰?guī)r厚度普遍不大，以0.2～2.2 m 居多。部分溶洞與上覆土洞連通。溶洞埋深較淺時(shí)，多為半充填或完全充填，填充物多為砂、淤泥、黏土，埋深較深時(shí)多為無(wú)充填或半充填，全充填的溶洞少。垂直方向上巖溶主要在-5～-45 m 水平標(biāo)高較發(fā)育，并隨深度的增加，巖溶發(fā)育程度明顯減弱。島內(nèi)小型斷裂呈網(wǎng)狀分布，且分布有北東向小型向斜，軸部沿該島南北中軸線穿過(guò)，地層產(chǎn)狀平緩。在斷裂與褶皺共同切割下，基巖十分破碎，溶土洞發(fā)育強(qiáng)烈，且分布走向與褶皺走向一致，呈典型的北東向，溶（土）洞集中分布在斷裂帶兩側(cè)100～200 m范圍內(nèi)。

在大坦沙西南部、中部及北部一帶，均發(fā)現(xiàn)土洞，洞高0.5～4.3 m 不等。鉆孔揭露溶（土）洞水平分布及近年塌陷點(diǎn)分布情況如圖1 所示，巖溶塌陷區(qū)典型地質(zhì)斷面如圖2所示。

圖1 大坦沙巖溶及塌陷點(diǎn)分布Fig.1 The Distribution of the Karst and Collapse in Dadansha

圖2 大坦沙典型斷面Fig.2 Typical Section of Dadansha

2 覆蓋層特征

2.1 廣州地區(qū)常見(jiàn)巖溶覆蓋層結(jié)構(gòu)

廣州地區(qū)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海進(jìn)海退、風(fēng)化等作用的影響，發(fā)育厚層第四系土層及全強(qiáng)風(fēng)化巖。由于地質(zhì)環(huán)境的不同，石灰?guī)r、碎屑巖等可溶巖地區(qū)上覆蓋層結(jié)構(gòu)存在較大的差異性，不同類(lèi)型的覆蓋層對(duì)巖溶塌陷形成的影響也不一樣。依據(jù)巖土層在垂直方向上的不同組合，可將廣州地區(qū)可溶巖覆蓋層結(jié)構(gòu)分為以下幾種類(lèi)型：

⑴下黏上砂二元或多元結(jié)構(gòu)

覆蓋層下部為黏性土、上部為砂土的二元結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3a）；下部為黏性土、上部為砂土與黏性土交替出現(xiàn)的多元結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3b），是廣州市最為常見(jiàn)的覆蓋層結(jié)構(gòu)類(lèi)型，也是塌陷點(diǎn)發(fā)生最多的區(qū)域。由于可溶巖面上覆有一層厚度較為穩(wěn)定的黏性土，土的內(nèi)部粘聚力較大，易形成土洞，且具有一定的穩(wěn)定性，隨著土洞規(guī)模的不斷擴(kuò)大，直到發(fā)展至與砂層接觸面附近，砂層發(fā)生擾動(dòng)破壞，在自重和各種觸發(fā)因素作用下發(fā)生地面塌陷。該類(lèi)塌陷發(fā)育主要特征是土洞發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)，規(guī)模大，破壞時(shí)間短，突發(fā)性強(qiáng)，破壞的臨界點(diǎn)位于土洞洞頂黏性土與砂土層的接觸帶上。

圖3 下黏上砂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural Diagram of the Sand Structure

⑵類(lèi)砂土單一結(jié)構(gòu)類(lèi)型

覆蓋層為單一結(jié)構(gòu)的砂土或粉土，厚度較大，局部夾有薄層透鏡體的黏性土層（見(jiàn)圖4）。由于砂土缺少粘聚力，不易形成土洞，地下水位波動(dòng)造成的砂層流失和擾動(dòng)破壞會(huì)直接傳遞到砂層頂部，隨著抽水過(guò)程直接向上不斷擴(kuò)大，上覆砂土層在自重和各種觸發(fā)因素作用下發(fā)生地面塌陷。該類(lèi)塌陷發(fā)育主要特征就是基本不存在土洞發(fā)育時(shí)間段，需要發(fā)展的時(shí)間短，規(guī)模小，隨著抽水或水位波動(dòng)的不斷進(jìn)行，在觸發(fā)因素的作用下立刻發(fā)生破壞，該種結(jié)構(gòu)的塌陷模式破壞性小，規(guī)模小，其分布面積小。

圖4 類(lèi)砂土單一結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural Diagram Single Structure of Sand-like Soil

⑶下砂上黏多元結(jié)構(gòu)

覆蓋層下部是砂土、上層為黏性土與砂土互層（見(jiàn)圖5），土洞的發(fā)育與砂土單一結(jié)構(gòu)模式類(lèi)似，但是在砂層上方發(fā)育有一定厚度的黏性土，當(dāng)下方砂層流失到一定程度時(shí)，上方黏性土出現(xiàn)變形下陷，起到一定的緩沖作用。該類(lèi)型地面塌陷的形成常伴隨地面沉降的發(fā)生。地面沉降發(fā)展的時(shí)間較長(zhǎng)，規(guī)模小～中等，破壞性較弱。分布面積較大，次于下黏上砂二元或多元結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

圖5 下黏上砂多元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural Diagram the Multiple Structure of Lower Clay and Upper Sand

⑷類(lèi)黏性土單一結(jié)構(gòu)

覆蓋層為單一結(jié)構(gòu)的黏性土（見(jiàn)圖6），一般為單層或多層黏性土組成，底部多為殘積土或堅(jiān)硬土狀全強(qiáng)風(fēng)化巖，上部為沖洪積黏性土，局部夾有薄層透鏡體淤泥與淤泥質(zhì)土、砂土等。土洞多在底部殘積土中發(fā)育，自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。全強(qiáng)風(fēng)化巖層中受地下水潛蝕作用，由于其自身易軟化崩解的特性，會(huì)形成少數(shù)土洞，但形成時(shí)間較長(zhǎng)。該類(lèi)型一般不易發(fā)生塌陷，但在極端情況下，如遇大量的抽排地下水、施工機(jī)械沖振破壞等情況，會(huì)加速土洞的形成。由于底部土層狀態(tài)較好，土洞發(fā)育規(guī)模一般較大，當(dāng)土洞達(dá)到臨界值破壞，會(huì)發(fā)生大規(guī)模的塌陷。

圖6 類(lèi)黏性土單一結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural Diagram of Single Structure of Cohesive Soil

2.2 覆蓋層結(jié)構(gòu)類(lèi)型致塌特點(diǎn)分析

下黏上砂二元或多元結(jié)構(gòu)最容易致塌，該模式具備了土洞的發(fā)育空間與塌陷坑物質(zhì)的流失基礎(chǔ)，常造成大規(guī)模突發(fā)性塌陷，破壞性大；其次為類(lèi)砂土單一模式，該模式具備塌陷坑物質(zhì)流失的基礎(chǔ)，但在基巖面上難以形成“砂洞”，發(fā)生塌陷的多為覆蓋層砂土流失造成，規(guī)模小，破壞性相對(duì)較??；下砂上黏多元結(jié)構(gòu)在覆蓋層底部的砂層上存在黏性土層，其致塌原理與類(lèi)砂單一結(jié)構(gòu)模式類(lèi)似，但由于上伏黏性土層會(huì)在底部砂土流失時(shí)起到一定的緩沖作用，該類(lèi)型的易塌程度要弱于類(lèi)砂土單一結(jié)構(gòu)，常伴隨地面沉降的發(fā)生；類(lèi)黏性土單一結(jié)構(gòu)易塌程度最弱，該結(jié)構(gòu)在自然狀態(tài)下難以形成塌陷，但其在極端狀態(tài)下，如地下水長(zhǎng)時(shí)間波動(dòng)，會(huì)加速覆蓋層底部土層土洞的發(fā)育，也會(huì)形成塌陷隱患。

2.3 大坦沙地區(qū)巖溶地面塌陷覆蓋層特征

2.3.1 覆蓋層結(jié)構(gòu)

大坦沙地區(qū)覆蓋層為第四系沖積層、殘積土層及全強(qiáng)風(fēng)化巖層，局部可溶巖與砂層直接接觸。不同類(lèi)型的土層結(jié)構(gòu)致塌的特點(diǎn)不同、難易程度不同。

根據(jù)地面塌陷點(diǎn)的分布情況，發(fā)生巖溶地面塌陷區(qū)域的覆蓋層結(jié)構(gòu)多為下黏上砂多元結(jié)構(gòu)，局部為下砂上黏多元結(jié)構(gòu)，且砂層厚度大，普遍超過(guò)10 m，類(lèi)砂土、類(lèi)黏性土單一結(jié)構(gòu)區(qū)域發(fā)生的塌陷較少（見(jiàn)圖7）。

圖7 大坦沙覆蓋層結(jié)構(gòu)分區(qū)Fig.7 Structural Zoning of Dadansha Overburden

2.3.2 覆蓋層厚度

大坦沙地區(qū)巖溶塌陷區(qū)域覆蓋層較厚，塌陷點(diǎn)多分布在覆蓋層厚度20～30 m 之間，集中于20～25 m 之間，以分布普遍較厚的砂層為特征，砂層厚度一般在10.6～18.7 m之間（見(jiàn)圖8）。

圖8 大坦沙覆蓋層厚度分區(qū)Fig.8 The Thickness Zoning of Dadansha Overburden

2.3.3 覆蓋層底部土層狀態(tài)

覆蓋層底部土層狀態(tài)決定了土洞發(fā)育的難易程度，而土洞是巖溶地面塌陷的重要形成因素之一，一定程度上也決定了塌陷的易發(fā)程度。

大坦沙地區(qū)巖溶塌陷區(qū)域覆蓋層底部土層以黏性土為主，呈可塑、硬塑、堅(jiān)硬狀，局部為砂土（見(jiàn)圖9）。黏性土的蒙脫石、伊利石和高嶺土等親水礦物成分高，在地下水的作用下容易產(chǎn)生軟化崩解、散體剝落，有利于形成土洞并使土洞擴(kuò)大，最終導(dǎo)致坍塌。

圖9 大坦沙覆蓋層底部土層狀態(tài)分區(qū)Fig.9 The State of the Soil at the Bottom of Dadansha Overburden

3 結(jié)論

⑴廣州地區(qū)可溶巖覆蓋層結(jié)構(gòu)可分為下黏上砂二元或多元結(jié)構(gòu)、類(lèi)砂土單一結(jié)構(gòu)、下砂上黏多元結(jié)構(gòu)與類(lèi)黏性土單一結(jié)構(gòu)，其中以下黏上砂二元或多元結(jié)構(gòu)最容易致塌，類(lèi)砂土單一結(jié)構(gòu)、下砂上黏多元結(jié)構(gòu)、類(lèi)黏性土單一結(jié)構(gòu)致塌性逐步減弱。

⑵大坦沙地區(qū)巖溶塌陷區(qū)覆蓋層的結(jié)構(gòu)、厚度與底部土層狀態(tài)對(duì)巖溶塌陷的形成影響很大，有一定的規(guī)律性。蓋層結(jié)構(gòu)以下黏上砂多元結(jié)構(gòu)為主，少數(shù)為下砂上黏多元結(jié)構(gòu)，厚度大約在20～30 m 之間，底層土層以黏性土為主，呈可塑、硬塑、堅(jiān)硬狀，局部為砂土。