南京市地面塌陷發育特征及影響因素

張泰麗,劉紅櫻,蘇晶文,田福金

(南京地質調查中心, 江蘇南京 210016)

南京市是長江三角洲地區承東啟西的國家重要產業城市.南京市發生了大面積的地面塌陷,已成為人們關注的城市地質災害.

1 南京市地面塌陷現狀

據統計,至2007年南京市共發現地面塌陷21處,塌陷坑63個,其中巖溶塌陷坑29個,采空塌陷坑26個,工程塌陷坑8個,塌陷面積約45萬m2(表1).地面塌陷已造成了約6億元的經濟損失,人員死亡5人.

表1 南京市地面塌陷類型和塌陷面積表

南京市2007年修建2號地鐵時發生了4處地面塌陷(圖1、圖2),造成地下水管、煤氣管破損,居民供電、供水、供氣部分中斷等嚴重損害.

2 地面塌陷類型

南京市地面塌陷最早發生于上世紀60年代,盛發始于八、九十年代,集中發生于江寧區.主要地面塌陷類型有巖溶塌陷、采空塌陷和工程塌陷.

(1)巖溶塌陷分布

巖溶塌陷主要發生于棲霞區棲霞山、江南水泥廠、玄武區岔路口以及浦口區陳莊、江寧仙鶴門一帶,共發現塌陷6處,塌坑29個,規模為小型,總塌陷面積約2270m2.

棲霞山巖溶塌陷分布在三茅宮以西至桃花扇亭一帶[2、3](圖3),共有陷坑14個(表2).塌陷始發于1978年,陷坑平面呈橢圓或圓形、剖面上呈漏斗狀,直徑0.3～22.8m,可見深度0.6～7.6m,陷坑周圍多伴生環形張裂縫.江南水泥廠先后于1990年和1999年發生兩次地面塌陷,塌坑深達0.5～3m,面積約10～16m2,塌坑平面形態多呈圓形,塌坑周圍伴有環狀裂縫.南京火車站5km處的岔道口滬寧上行線K297～298間,發生地面塌陷2處,K297～050處從1964年共產生塌陷坑5個,塌陷深0.1～0.46m,直徑0.38～2.1m,分布范圍和深度不大,在滬寧上行線K298+800處發生塌陷較大,塌陷深度達8～10m,直徑40m左右,至2001年共產生塌坑4個,塌陷面積65m2.浦口區陳莊塌陷發生于2002年11月,發生塌坑2個,塌陷面積約13m2,塌坑近圓形,坑壁陡立,坑深1.5～1.8m,該塌陷呈繼續擴大趨勢.江寧仙鶴門在1978年3～4月進行為期一個月的群孔抽水試驗時,在東部靈山南麓楊石橋村一帶出現裂縫,其長約百余米,寬3～4cm,深30～40cm,3處泉眼周邊出現地面塌陷.

表2 棲霞山巖溶塌陷情況一覽表

(2)采空塌陷分布

采空塌陷主要發育于南京市地下礦山開采形成的采空區,據統計南京市梅山鐵礦、谷里銅礦、銅井金礦、九華山銅礦、安基山銅礦、云臺山硫礦、冶山鐵礦、愛景山鍶礦等八家礦山的采空區已出現塌陷坑26個,總塌陷面積約40.2萬m2,塌陷平面呈圓形、長方形或不規則形,剖面呈漏斗狀,深1～10m不等,除梅山鐵礦塌陷規模為中型,面積達37.5萬m2,塌陷深度在110m以上,余之皆為小型.區內的采空塌陷及其采空區多未采取有效的防塌治理措施,僅采取了避讓警示措施,因此,今后若干年內不僅現有塌陷規模將進一步擴大,而且還會出現新的塌陷坑.

(3)工程塌陷分布

隨著南京市人口的劇增,工程建設規模不斷擴大,工程塌陷引發的災害日益嚴重(見表3).南京市工程地面塌陷主要集中發生于地鐵、隧道沿線等,據統計從2003年到2007年,南京地鐵1、2號線施工共發生8次地面塌陷,塌陷面積2～200m2不等,共約367m2,平面上多呈長方形或圓形,剖面上呈漏斗狀,深5～10m左右,伴生環狀裂隙,目前均已回填處理,處于穩定狀態.

表3 地鐵開發引發的地面塌陷一覽表

3 孕災環境

地質環境是地面塌陷發生的載體,人類工程活動是地面塌陷的主要誘發因素.

(1)地質環境

南京市呈四周山巒起伏,長江橫穿市區,秦淮河縈繞古城內外之勢.地貌上可分為低山丘陵、波狀平原、沖積平原等3種類型.

在低山丘陵和波狀平原區地區蘊藏著豐富的礦產資源,據統計,南京市已發現礦產近40種,探明儲量13.89億噸,其中石膏、硫鐵礦、銅、金、鉛、鋅等埋藏型礦種,占礦儲量總數的56%,目前,主要形成了以梅山鐵礦為中心的黑色金屬鐵鋼基地、棲霞山有色多金屬的采選加工基地、云臺山以黃鐵礦產地為主的化工原料加工基地等,據調查,上屬基地除石膏礦外,均發生過采空區地面塌陷[4].

南京市巖溶較發育,分布面積約580 km2,第四系覆蓋層厚度小于30m,分布于江北老山、江南的幕府山、棲霞山等地的震旦系、寒武系、奧陶系及石炭-三疊系碳酸巖,巖性以白云巖、灰質白云巖、泥灰巖等為主,其巖溶發育程度一般較低,僅在淺部或地表形成溶溝、溶槽、溶隙,下部一般較完整,但在構造特別發育部位,能形成較大的巖溶洞穴,例如受斷裂的影響,在老山復式倒轉背斜東西傾沒端有大量泉出露,據1986年調查在西端湯泉至陳莊一帶,溫泉天然總流量達4591m3/d,冷泉總量達1985 m3/d.在仙鶴門、青龍山-孔山西北側以及麒麟門、南京火車站-模范馬路等地,主要發育三疊系周沖村組(T2z)的角礫狀灰巖,在垂直和水平方向上均能發育形成較大的巖溶洞穴,淺部洞穴大多被松散巖類所充填,深部洞穴則富集地下水,據調查,目前已形成4個塌陷中心,極富地下水,單井出水量在2000～5000m3/d之間,豐富的地下水資源可以滿足城市用水需求,但也是工程建設重要的影響因素,因此,長期大量開采和抽排巖溶地下水,會引起巖(土)體失穩,產生地面塌陷,例如浦口區陳莊于2002年11月發生2處塌陷.

沖積漫灘平原區主要包括長江河谷漫灘、滁河河谷漫灘、秦淮河漫灘等3部分,第四系覆蓋層較厚,長江河谷漫灘平原沿長江兩側分布,沉積層厚度50～75m間,砂層一般厚30～40m,地下水極其豐富,單井涌水量達1000～5000m3/d;滁河河谷漫灘平原主要分布在江浦區老山山脈以北,沉積層厚度20～30m,砂層厚度在河床部位一般為5～10m,在漫灘與階地交接處多小于5m,單井涌水量達100～1000m3/d;秦淮河漫灘平原主要分布在南京市區及城南至江寧縣城一帶,沉積物厚度一般為20～30m,在城區最厚度可達40余米,砂層厚度一般為5～10m,在古河床部位可達15～25m,單井涌水量達100～300m3/d,局部地段涌水量可達1000～2500m3/d.此區域為城鎮密集區,基礎工程建設量大,砂層分布較厚,在人為擾動條件下易發生砂土液化,加之強烈抽排地下水和土層上部高強度的加載,易引發基坑頂部土地失穩,產生了塌陷,例如修建地鐵2號線引發4處地面塌陷.

(2)人類工程活動活動

南京市轄11個區2個縣,總面積6582km2,截止2009年底,全市常住人口771.31萬人,比上年末增加12.42萬人,全市實現生產總值4230.26億元,比上年增長11.5%,隨著人口和經濟的增長,對資源和城市基礎設施的需求量逐漸增加,現南京市埋藏型礦床年開采量600萬噸,巖溶水年開采資源量3913萬m3,據南京市地鐵最新規劃,南京市擬建17條地鐵,共617.1km.大量的埋藏型礦產不合理開采和地下水疏干排水,形成采空區導致引發地面塌陷;地下水資源的大量開采,致使上層土地失穩,產生巖溶塌陷;城市基礎設施建設,如基坑開挖、除排水、沉樁、盾構掘進等都可造成地面塌陷,若工程穿過易液化砂層或飽和淤泥質軟土時可能造成支護結構失穩,導致基坑附近塌陷[1].

4 影響因素及形成機制

(1)巖溶塌陷影響因素及形成機制

南京市巖溶塌陷主要有兩個影響因素:強烈開采地下水和礦坑排水.在南京市隱伏灰巖分布、裂隙溶洞發育區,地下水資源非常豐富,由人工抽、排水的動力條件下,使地下水位波動,流水的不斷潛蝕使洞穴頂部的土體(覆第四系松散層厚度小于30m[3])被帶走,在長期循環往復的過程中,逐漸形成土洞,當土體薄到如1～2m或更薄時,就出現了塌陷.例如棲霞山明鏡湖,曾因修整湖心亭工程擾動底泥,加上南京鉛鋅銀礦排水,引起塌陷.K297～298一線,處于楊坊山和長林村逆掩斷裂南側,上覆第四系松散層厚度一般在10m左右,下覆為三疊系中統周沖村組(T2z)角礫灰巖,巖溶溶洞特別發育,由于南京硫鐵礦不合理開采下部礦體和礦區地下水排水疏干,就導致了地面塌陷的發生.

(2)采空塌陷影響因素及形成機制

南京市采空塌陷的形成主要受礦體的埋藏分布、所處地質構造部位、頂板地層巖性、地下水作用、開采方法等因素影響.

南京市地下礦山主要采用無底柱采礦法,并且大部分采空區都沒有進行回填,采空區頂板覆巖(土)失去了支撐,在重力作用下,逐漸改變了原始地應力的平衡,產生局部的應力集中,但采空面積較大時,圍巖強度不足以抵抗上覆巖(土)體重力時,頂板巖層內部形成的拉張應力超過巖層抗拉強度極限時產生向下的彎曲和移動,進而發生斷裂、破碎并相比冒落,巖(土)層離層滑動,導致塌陷發生.例如梅山鐵礦主要采用無底柱分段采空崩落法,而礦體上部沉積層厚度僅幾米,其余均為百余米的高嶺土化安山巖,裂隙較發育,風化蝕變程度高,隨采礦空間擴大,上部基巖逐步崩落,直至影響地面,就形成了地面塌陷.另外,由于地面塌陷的形成,也改變了塌陷區范圍內的水文地質條件,使匯水面積增大,地表水(水塘或溝)和淺層孔隙裂隙水向下滲漏,加劇了礦體上部基巖的風化及對地層軟弱面和裂隙中的充填物沖刷和搬運,使巖體抗剪強度減弱,加快了塌陷的速度.在每次降水之后,塌陷區范圍均有明顯的發展.

(3)工程塌陷影響因素及形成機制

工程地面塌陷主要跟工程施工技術手段、地下水分布特征和地層巖性等相關.

在南京市沖積漫灘區,分布約5～40m厚的砂土層,水量豐富,在地下工程如地鐵、隧道、人防等在基坑開挖的過程中,由于施工震動、排疏地下水或突水,引發砂土液化,同時使地下水水位快速降低,加之地表車輛建筑物的擠壓,破壞了地應力的平衡,使其上方的地表巖、土體失穩,在有地下空洞存在時,便產生塌陷.

5 防治措施

地面塌陷災害與高度發達的經濟、完善的城市基礎設施相耦合,必然放大災害的破壞效應,因此防治地面塌陷為當務之急.

(1)夯實南京市地面塌陷的基礎調查和研究工作,為防治工作提供翔實的基礎資料

在全市開展地面塌陷的專題調查評價研究,查明地面塌陷現狀、發育分布特征、孕災環境及其致災機理等,進行地面塌陷易發性和風險性評價,圈定災害嚴重的區段,對重點區段進行詳細剖析,建立南京市地面塌陷信息系統.翔實的基礎信息不僅可以服務于災害防治,城市建設,而且可以指導城市規劃.

(2)對地面塌陷進行實時和長期監測預報,以降低災害損失

依據地面塌陷調查研究成果,對不穩定地面塌陷點和潛在危險區段布設監測點,及時獲得數據,準確分析前兆信息,并不斷提高監測技術和監測精度.日常監測應以群測群防為主,專業隊伍與群眾相結合的措施進行監測,對地面塌陷災害點的演變趨勢及時進行預報,盡可能減少地面塌陷災害活動帶來的損失.

(3)及時采取工程和避讓措施

對嚴重危害人民生命及財產安全的地面塌陷災害點,可采用搬遷、注漿充填、建筑物采用樁基礎等工程處理方法進行治理[6],防止地面塌陷地質災害對建筑物產生危害.在城市規劃和工程選址時,必須進行地質災害危險性評價,盡可能避開地質災害危險區.

(4)保護地質環境,嚴格限制地下水和礦產資源的開采

南京市地面塌陷主要由于強烈開采地下水和地下礦床、地下工程不合理施工等誘發,因此,應對區域內的巖溶地下水資源進行評價和規劃[7],減少人工抽取地下水規模,使地下水位下降幅度不致過大;對區域內的地下礦產資源應進行儲量評價和開發利用規劃,嚴格限制地下礦產的開采,并規范開采的技術和支護手段;在城市建設過程中,應先查明區域地質環境條件,進行地質災害危險性評估,選擇恰當的技術施工手段,盡可能減少災害風險.

(5)加強行政立法,提高政府監督和管理職能

逐步完善法律條文,將地質環境保護和治理的措施、礦業和工程單位應盡的義務納入法律范疇,加大處罰力度,加強政府監督職能.

6 結語

綜上所述,通過對南京市地面塌陷的發育分布規律和形成機制研究,表明南京市地面塌陷已嚴重威脅城市安全,并且隨著城市建設的擴展,將會引發新的地面塌陷,毀壞農田、建筑、森林、公路等,產生重大的經濟損失.因此,對南京市開展地面塌陷和地質環境詳細調查研究,對城市資源(地下水和地下礦產資源等)進行合理規劃,限制開采等措施勢在必行.