基于三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的北京東城區(qū)地面塌陷成因分析

李 瀟，何 靜

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195）

0 引言

近年來，北京市地面塌陷事故的頻率和數(shù)量都呈上升趨勢，已引起社會各界的廣泛關(guān)注。導(dǎo)致城市地面塌陷的因素多而復(fù)雜，既有地質(zhì)條件、氣候等自然因素，也有地下管線老化、地下施工等人為因素，而且往往是多種因素綜合作用的結(jié)果。目前對城市地面塌陷事故的形成機(jī)制大多數(shù)仍然認(rèn)識不清，使得地面塌陷看似隨機(jī)出現(xiàn)，無規(guī)律可言，對其防控難以制定科學(xué)的對策，因此調(diào)查并分析地面塌陷的具體原因，對于保障城市安全非常重要。

1 東城區(qū)地面塌陷情況

本次研究通過調(diào)查和媒體新聞報(bào)道，對2007年-2012年以來發(fā)生的地面塌陷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，事故共有10例，最大達(dá)30m2，塌陷深度1～3m，最深可達(dá)7m（詳見表1）。

2 東城區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的建立

產(chǎn)生地面塌陷的因素多而復(fù)雜，既有外在因素也有內(nèi)在因素，很多事故無法單純歸因于某一種因素，往往是多種因素綜合作用的結(jié)果。但總體而言，地質(zhì)條件本身是其產(chǎn)生的內(nèi)在因素，是致災(zāi)的重要前提條件。

北京城區(qū)第四系地層主要為沖洪積成因，土體類型多樣，涉及人工填土、粘性土、粉土、砂土和礫卵石等，并賦存上層滯水、潛水和承壓水三大類地下水，在這樣的地質(zhì)體中進(jìn)行地下空間的開發(fā)，會遇到空穴、水囊、粉細(xì)砂地層等不良地質(zhì)條件，易引起塌方、涌泥、涌砂等災(zāi)害。三維地質(zhì)模型，可以逼真反映地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，有助于分析地質(zhì)災(zāi)害問題成因。本次研究將借助三維建模技術(shù)，建立東城區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合其它地質(zhì)資料，分析本區(qū)地面塌陷問題產(chǎn)生的原因。

本次研究共搜集鉆孔161個，但部分鉆孔由于數(shù)據(jù)重復(fù)、編錄不詳、孔深過淺、高程異常等原因，經(jīng)篩選后可用于三維地質(zhì)建模的鉆孔有100個，鉆孔深度在25～50m之間。應(yīng)用GMS7.1軟件進(jìn)行建模最終生成研究區(qū)淺層第四系的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和十字交叉型立體剖面（圖1、2）。

圖1 東城區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)概化模型（50m深度）

表1 東城區(qū)地面塌陷事故統(tǒng)計(jì)表

圖2 GMS生成的工程地質(zhì)剖視圖

東城區(qū)地下50m深度內(nèi)地層被劃分為8個大層，自上而下依次為：人工填土①層、粉土②層、粉細(xì)砂③層、圓礫④層、粘性土⑤層、砂礫石⑥層、粉質(zhì)粘土⑦層、礫卵石⑧層。各層土的巖性、厚度及相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

從空間分布來看，人工填土①層厚度變化較大，北部交道口-安定門-雍和宮一帶，以及南部王府井-崇文門一帶厚度較大，其它地方相對較薄；粉土②層在本區(qū)西北部的鼓樓－安定門以北分布厚度最大，中部地安門東－張自忠路一帶較厚，南部崇文門、北京站以南厚度可達(dá)15m；粉細(xì)砂③層厚度一般在2.5～8.0m，在地安門東－張自忠路一帶較薄，天安門東粉細(xì)砂層很薄，而礫石層厚度相對較大；圓礫④層在本區(qū)北部普遍缺失，主要缺失地區(qū)在北新橋北東一帶，這與永定河向南遷移有關(guān)，本區(qū)古河道按形成時間順序可分為3期，上部第三期古河道形成時間最晚，主要分布在東城區(qū)南部，因此北部普遍缺失圓礫④層；粘性土⑤層在北新橋以北和以東一帶厚度大，一般在10～17m，最大可達(dá)20m，長安街分布很薄，一般僅有1～2m；砂礫石⑥層具有北部薄，南部厚的特點(diǎn)，天安門以東，王府井－東單－建國門一帶厚度一般在12～17m；粉質(zhì)粘土⑦層在本區(qū)中部張自忠路和東四十條一帶厚度較大，可達(dá)17m；礫卵石⑧層不完全揭穿，50m深度最大揭露厚度26m，在北部鼓樓一帶。

表2 東城區(qū)地層條件巖性及物理力學(xué)特性概化統(tǒng)計(jì)表

3 地面塌陷原因分析

根據(jù)已有研究成果，導(dǎo)致城市地面塌陷的原因主要有：不良地質(zhì)體結(jié)構(gòu)破壞、地下管線老化滲漏或破壞、地下工程施工擾動。張成平等對我國城市隧道施工過程中發(fā)生的典型地面塌陷事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，大部分與地下管線滲漏或破壞以及不良地質(zhì)體破壞有關(guān)。其中，由地下管線滲漏或破壞誘發(fā)的地面塌陷事故所占比例為38%，由地層中不良地質(zhì)體引發(fā)的地面塌陷事故占31%。

從本次統(tǒng)計(jì)的東城區(qū)地面塌陷事故資料來看，地面塌陷往往是由多種因素共同作用引起的，既有內(nèi)在的地質(zhì)因素，也有諸如施工擾動、管線滲漏、降雨等外部因素。統(tǒng)計(jì)的10起塌陷事故中，除了3起事故因資料不詳無法分析原因外，其余7起事故均與外部因素有關(guān)。

其中，施工擾動誘因有4起事故。由于地下工程施工（如基坑或隧道開挖）會改變原有巖土體的應(yīng)力狀態(tài)，可能會引起上覆地層位移和地面沉降，甚至地面塌陷。不同的施工方式對巖土體的擾動程度差異較大，如淺埋暗挖法施工對地層的擾動較大，而且重復(fù)擾動；而盾構(gòu)法施工機(jī)械化程度較高，掘進(jìn)速度快，對地層的擾動相對較小。就東城區(qū)而言，地面塌陷多發(fā)生在路面，塌陷深度也普遍較淺，初步推斷可能與路面施工開挖后回填土不實(shí)有較大的聯(lián)系。

地下管線滲漏或破壞誘因有5起事故。據(jù)了解，東城區(qū)存在部分地下管線老化滲漏問題。管線老化后發(fā)生滲漏水，可造成附近疏松土層不同程度的密實(shí)，土沉降產(chǎn)生的壓力會使老化的管線進(jìn)一步破裂，導(dǎo)致滲水更嚴(yán)重，形成局部的滲流場。若地下管線所在位置存在一層砂質(zhì)粉土或粉細(xì)砂，就可能形成流砂、流土，造成地下空洞，為路面塌陷埋下隱患。另外，降雨誘因有2起事故，由于連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致局部入滲量明顯增加，沖刷松散土層而引發(fā)塌陷事故。

這些塌陷事故，究其實(shí)質(zhì)，內(nèi)在的地質(zhì)因素對地面塌陷的產(chǎn)生起重要作用。根據(jù)地面塌陷的深度，從塌陷點(diǎn)的地層條件來分析，人工填土、砂質(zhì)粉土層往往是塌陷發(fā)生所在的層位（表1）。選取塌陷事故較多的6-6’地質(zhì)剖面（圖3），可直觀地看出地面塌陷多分布在人工填土層中。由于人工填土結(jié)構(gòu)松散，均勻性差，孔隙大，遇水具有濕陷性，土體易產(chǎn)生不均勻沉降甚至塌陷。砂質(zhì)粉土粘粒含量較少，在飽和狀態(tài)下，受施工或交通工具的振動影響易發(fā)生液化甚至流砂。以王府井大街北口路面塌陷事故為例，塌陷原因雖然與污水管線滲漏沖刷土層有關(guān)，但對照其地層條件（圖4），不難發(fā)現(xiàn)，在該塌陷坑7m深度范圍內(nèi)，上部是2.8m厚的房渣土，其下是4.7m厚的砂質(zhì)粉土，天然條件下就存在回填土欠壓實(shí)和流砂的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，而污水管線滲漏這個外部因素則直接觸發(fā)了此次塌陷事故。由此可見，地質(zhì)條件變化是導(dǎo)致地面塌陷事故的主要原因之一。

圖3 6-6’地質(zhì)剖面（東西向）

圖4 王府井塌陷點(diǎn)地層柱狀圖

4 結(jié)論

通過以上論述，可以看出東城區(qū)地面塌陷事故是由多種因素共同作用引起的，既有內(nèi)在的地質(zhì)因素，也有諸如施工擾動、管線滲漏、降雨等外部因素。其中，人工填土層不均勻沉降、砂質(zhì)粉土層發(fā)生流砂是塌陷發(fā)生的主要地質(zhì)因素。

三維地質(zhì)模型是分析巖土體條件與地下空間開發(fā)的相互作用關(guān)系的有效手段，應(yīng)將其推廣應(yīng)用于地下空間的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工中。

[1]北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局.《北京市區(qū)域地質(zhì)志》[M].1991.

[2]北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京市地質(zhì)調(diào)查研究院.北京城市地質(zhì)[M].中國大地出版社.2008.

[3]北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).北京地下水[M].中國大地出版社.2008.

[4]北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京市地質(zhì)研究所.北京地地質(zhì)災(zāi)害[M].中國大地出版社.2008.

[5]鮑亦岡,劉振鋒,王世發(fā)等.北京地質(zhì)百年研究[M].北京：地質(zhì)出版社,2001.100

[6]張成平, 張頂立, 王夢恕等.城市隧道施工誘發(fā)的地面塌陷災(zāi)變機(jī)制及其控制[J].巖石力學(xué)，2010，31(z1):303～309.

[7]馬延明.北京城建工程基坑和地面塌陷災(zāi)害研究[J], 城市地質(zhì)，2007，12(4)：5～8.

[8]慎乃齊, 張杰坤, 連建發(fā)等.京郊門城鎮(zhèn)地面塌陷危險(xiǎn)性研究[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2000，14(4)：479～483.