廣州市大坦沙島巖溶塌陷成因分析及防治對策

盧 薇，易順民

(廣東省科學院廣州地理研究所，廣東 廣州 510070)

巖溶的發育包含復雜的土壤、巖石和地下水相互作用，不同地區的巖溶發育都是由不同的原因造成的。巖溶塌陷會對道路和建筑造成嚴重的破壞，并威脅到人類和牲畜的安全。因此，在巖溶分布區進行道路和大型建筑建設時，必須對場址的隱伏巖溶塌陷形成條件及機理進行研究，進而提出有針對性的防治措施。大坦沙島位于廣州市西北的廣花盆地隱伏巖溶區，是近年來對廣州市城市規劃和建設影響較大的巖溶塌陷區之一。隨著廣州城市建設的加速發展，廣州市荔灣區橋中街大坦沙島的工程開發建設強度自2003年以來逐年加大，大規模的城市建設特別是地下工程建筑活動，極易引發巖溶塌陷地質災害。據不完全統計，自2003年9月至2008年3月，大坦沙島及周邊僅數平方公里范圍內，相繼發生了20多處巖溶塌陷，并伴生多處地面沉降，不但引發了工程事故，造成建設維護經費增加，而且影響到了相關學校和附近居民的學習、生產和生活，直接經濟損失已超過3 000萬元。特別是在2008年初，西海南路、大坦沙污水處理廠、廣州市第一中學大坦沙校區接連發生了數起地面塌陷地質災害，造成了較大的經濟損失和嚴重的社會影響。目前不同的工程施工單位和研究機構已經在島內的不同位置進行了巖溶塌陷的發育特征調查及相關工程處置研究，但是缺乏對整個區域統一、系統的調查研究。因此，為了防治地質災害，維護大坦沙地區的地質安全，保證經濟可持續發展，需要對大坦沙地區的地質災害進行綜合勘查，對該地區地質環境尤其是巖溶塌陷發育特征做出全面的評估。為此，本研究通過大量的物探、鉆探、野外水文試驗和地下水及地面沉降監測、室內工程力學及巖石化學相關試驗，并結合室內資料的整理和綜合分析，查明了島上的地質環境條件和巖溶塌陷地質災害的誘發因素，分析了島上巖溶塌陷的形成機理，進而提出地質災害的防治措施，為大坦沙島的規劃、建設提供地質科學依據和技術保障。

1 大坦沙島自然地理與地質環境條件

大坦沙島位于廣州市荔灣區，是珠江前航道的第一大島(見圖1)，面積約3.48 km，屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為21.4～21.7℃，雨量充沛，廣州市多年(1970～2019年)平均降雨量為1 801.2 mm。大坦沙島周邊被珠江水系環繞，島內河渠縱橫交錯，魚塘星羅棋布；島上分布有4條主要河涌，分別為沙坦涌、西郊涌、河沙涌和坦尾涌，它們相互連接形成“七”字型，河涌水與珠江水相通。發達的河網水系和星羅棋布的魚塘為地表水的匯集和地下水的補給提供了充分條件。

1.松散巖類孔隙水;2.覆蓋型碳酸鹽巖類巖溶裂隙水;3.覆蓋型層狀巖類裂隙水;4.覆蓋型塊狀巖類裂隙水;5.白堊系大塱山組第三段;6.白堊系大塱山組第二段;7.白堊系大塱山組第一段;8.石炭系石磴子組;9.花崗閃長巖;10.輝綠玢巖;11.推測不整合界線;12.推測地質界線;13.隱伏斷裂(Ⅰ級);14.隱伏斷裂(Ⅱ級);15.隱伏斷裂(Ⅲ級);16.觀測鉆孔;17.地層產狀;18.剖面線及編號

圖2 廣州市荔灣區大坦沙島地質剖面圖

大坦沙島區內的北東及北西向斷裂構造發育，北東向的有F1、F2、F3、F4、F5、F6和F7斷層等，北西向的有F8、F9、F10、F11和F12斷層等(見圖1)，斷裂帶巖性為構造角礫巖、碎裂巖，破碎強烈，固結差，較松散，是地下水流動的良好通道。大坦沙島地形低平，天然條件下水力坡度小，地下水運移緩慢，松散巖類孔隙水的運動方向總體由北向南，而北東向、北西向發育的斷裂以張性為主，與巖溶裂隙相關連而形成強徑流帶，其內巖溶裂隙溶洞水自北東向南西徑流。地下水的監測資料表明，第四系含水砂層內的孔隙水與下伏灰巖巖溶裂隙水的連通性較好，這也是區內巖溶及巖溶塌陷形成的一個重要條件。

2 大坦沙島巖溶發育特征

本文綜合鉆孔資料和室外及室內相關試驗等研究發現，大坦沙島隱伏巖溶的空間分布與結構特征具有如下規律：

(1) 島上巖溶為覆蓋型巖溶，埋藏較淺，覆蓋層為第四系沖淤積層或沖洪積層，且多與砂層直接接觸，溶洞頂板厚度不大，多為0.2～2.2 m，溶洞常呈不規則狀多層結構，巖溶最為發育的第一層溶洞洞頂埋藏深度大約為地面之下15～30 m間[見圖3(a)和圖4(b)]，因為埋藏較淺，更易受到地下水水位動態變化的影響，同時因為頂板厚度不大，易受到地表工程建設的影響。

(2) 島上質純層厚的石炭系石磴子組灰巖巖溶發育強烈，溶洞見洞率為52.1%，巖溶率為24.6%，呈現出一定的規模。白堊系大塱山組一段地層灰質礫巖巖溶中等發育，溶洞見洞率為40.38%，巖溶率為31.9%；白堊系大塱山組三段和二段地層不純的鈣質粉砂巖及灰質礫巖等巖溶弱發育，見洞率分別為7.32%和14.06%，巖溶率分別為6.08%和11.4%，呈零星分布。同時，在不同巖性接觸面及其附近、斷層位置，地下水活動的交替作用強烈，易形成巖溶強發育帶，因而巖溶較發育(見圖3)。

(3) 島上巖溶平面呈帶狀分布特征，與巖層走向基本一致。石炭系石磴子組灰巖中溶洞多呈北東向串珠狀分布，溶洞規模較大，鉆孔見洞率較高；白堊系大塱山組底部灰質礫巖呈厚層狀，其中礫石成分以灰巖為主，溶蝕作用強烈，溶洞發育，鉆孔見洞率較高[見圖3(b)]。

1.白堊系大塱山組第三段;2.白堊系大塱山組第二段;3.白堊系大塱山組第一段;4.石炭系石磴子組;5.花崗閃長巖;6.輝綠玢巖;7.推測不整合界線;8.推測地質界線;9.隱伏斷裂(Ⅰ級);10.隱伏斷裂(Ⅱ級);11.隱伏斷裂(Ⅲ級);12.見溶洞厚度為0.2～1.2 m;13.見溶洞厚度為1.2～2.7 m;14.見溶洞厚度為2.7～4.5 m;15.見溶洞厚度為4.5～7 m;16.見溶洞厚度為7～15.35 m

(4) 島上可溶巖的地下溶洞發育規模大小不一，且可溶巖地層內的微細溶孔、溶蝕裂隙發育。其中，洞高小于0.5 m的溶洞占溶洞總數的39.32%，洞高0.5～1.0 m之間的溶洞占比為23.07%，且整體以小溶洞為主[見圖4(a)]。巖溶沿垂直方向-5～-45 m高程間較發育，隨埋深的增加，巖溶發育程度明顯減弱[見圖4(b)]。

圖4 廣州市荔灣區大坦沙島不同規模的溶洞發育特征統計和地層深度與巖溶率的關系曲線

3 大坦沙島巖溶塌陷地質災害分布特征

大坦沙島發生巖溶塌陷地質災害時，常伴生有明顯的地面沉降。自2003年9月至2009年7月，大坦沙島累計發生巖溶塌陷32處，伴生地面沉降10處。統計分析結果顯示：大坦沙島石炭系石磴子組內分布有20處巖溶塌陷；白堊系大塱山組與石炭系石磴子組不整合接觸帶附近分布有7處巖溶塌陷；白堊系大塱山組內零星分布有5處巖溶塌陷。巖溶塌陷主要分布于廣州市第一中學大坦沙校區球場東部和圖書館區域、坦尾村西海南路東側、橋中路、大坦沙污水處理廠正門外至橋中南路東側路面一帶(見圖5)，主要位于石炭系石磴子組內以及白堊系大塱山組與石炭系石磴子組不整合接觸帶附近，明顯受大坦沙島地層及巖性的控制。同時，在白堊系大塱山組二段分布區也有一些巖溶塌陷發生，說明盡管該巖層中可溶巖巖溶率不高，但因為處于地下水徑流比較強烈的斷層附近，也會造成巖溶塌陷。

1.白堊系大塱山組第三段;2.白堊系大塱山組第二段;3.白堊系大塱山組第一段;4.石炭系石磴子組;5.花崗閃長巖;6.輝綠玢巖;7.推測不整合界線;8.推測地質界線;9.隱伏斷裂(Ⅰ級);10.隱伏斷裂(Ⅱ級);11.隱伏斷裂(Ⅲ級);12.巖溶塌陷及編號；13.地面沉降及編號；14.揭露3個溶洞(或以上)；15.揭露1～2個溶洞；16.揭露3個土洞(或以上)；17.揭露1～2個土洞

同時，分析發現大坦沙島巖溶塌陷活動與地下水水位動態變化之間具有非常大的相關性(見圖6)，特別是近兩年大坦沙島內因工程施工抽排地下水造成島內地下水水位大幅下降，導致巖溶塌陷和地面沉降呈集中發生的狀態。2003年至2007年期間，地下水水位變化不大，每年僅發生1～2次巖溶塌陷地質災害；但自2006年后，島上大型地下工程施工增多，抽排地下水活動增加；2008年1月之后，地下水水位處于低位，巖溶塌陷頻繁發生，累計形成26處巖溶塌陷，并伴生多處地面沉降，其中2008年1～2月，由于區內地下工程施工時抽排地下水，ZK3監測孔地下水水位降至標高1.50～1.88 m，大坦沙島西南部在約10萬m范圍內連續發生6處巖溶塌陷和5處地面沉降，隨后暫停區內地下工程施工，至2008年2日18日ZK3監測孔地下水水位逐漸恢復至標高4.10 m左右，此間未發生巖溶地面塌陷；2008年9月，區內地下工程恢復施工，ZK3監測孔地下水水位又開始緩慢下降，至11月3日，ZK3監測孔地下水水位已降至標高1.72 m，降幅達2.38 m，2008年11月4日在橋中路西郊五社工業區先后發生多處地面塌陷，這與區內地下工程施工抽排地下水的時間較吻合；2009年以來，地下水水位總體仍繼續緩慢下降，至5月地下水水位標高已降到-0.12 m，2009年3～7月間已發生7處巖溶地面塌陷并伴生5處地面變形地質災害(見圖6)。由此可見，地下水水位動態變化過大時，巖溶塌陷活動更加頻繁。

圖6 大坦沙島巖溶塌陷活動與ZK3監測孔地下水水位變化的關系圖

4 巖溶塌陷形成原因分析

一般而言，巖溶塌陷的孕育、形成、發生及消亡的演變過程，實際上就是土洞(或溶洞)的形成、發展及破壞的過程。從整體上看，大坦沙島巖溶塌陷的形成是大坦沙島特殊的自然地理與地質環境和人類工程活動長期相互作用的結果。

4.1 地質環境背景影響

根據島上巖溶塌陷的形成過程和分布特征，結合大坦沙島巖溶塌陷勘查資料，可以認為島上特殊的地質環境是巖溶塌陷形成的基礎地質因素，其主要受覆蓋層土洞發育特征、隱伏巖溶發育程度、溶洞發育特征以及地下水動態演變特征等因素的控制。

(1) 島上巖溶塌陷分布范圍內隱伏巖溶的覆蓋層均為第四系雙層和多層結構土體，其中河流沖洪積粉土及中粗砂的結構松散、透水性好；隱伏可溶巖為石炭系石磴子組灰巖，巖溶發育強烈，溶洞分布廣泛，灰巖頂面溶溝、溶隙等巖溶現象發育，特別是斷裂破碎帶附近的巖溶發育程度更高。它們共同構成了良好的地下水滲流通道和地下水儲存空間。

(2) 島上地勢平緩，四面環江，其內的巖溶地下水補給來源為第四系潛水，地下水徑流以垂直循環為主，巖溶裂隙水、第四系潛水和江水三者之間的水力聯系密切，具備形成巖溶塌陷的地下水動力環境。

(3) 土洞在島上隱伏巖溶地段覆蓋層土體內很常見，由其產生的巖溶塌陷將影響地基及覆蓋層土體的穩定性。就島上的巖溶塌陷地質災害而言，絕大部份都是土洞擴展致塌而成。

4.2 人類工程活動影響

大坦沙島巖溶塌陷勘查和監控資料表明，島內工程建設抽排地下水活動、地面振動和基礎工程施工機械貫穿隔水層這兩種主要人類工程活動與巖溶塌陷發育特征密切相關，它們是大坦沙島巖溶塌陷活動的直接誘發因素。從2003年至今，抽排地下水活動引發的巖溶塌陷多達11處，抽排地下水活動和載重車輛輾壓共同作用引發的巖溶塌陷7處，鉆探施工引發的巖溶塌陷7處，沖孔樁基礎工程施工引發的巖溶塌陷3處，車輛輾壓振動和地下工程施工引發的巖溶塌陷各1處。

4.2.1 工程建設抽排地下水活動

島內地下水動態演變過程主要受工程建設基坑施工及其他地下工程施工抽排地下水活動的控制，具體表現為地下水水位升降引起地下水的流速、流量和水力坡降的變化，進而導致巖溶塌陷。例如：2008年1月22—23日大坦沙島西海南路附近的巖溶塌陷(DT7、DT8、DT9、DT11)、西郊路西北側空地的巖溶塌陷(DT10)以及地鐵6號線大坦沙站主井口西部外側的巖溶塌陷(DT12)；2008年11月4日橋中中路附近的地面塌陷(DT14和DT15)；2009年7月27日橋中中路西側的巖溶塌陷(DT32)等，這些巖溶塌陷都是因工程建設抽排地下水活動引發。工程建設抽排地下水活動引發巖溶塌陷主要表現為以下幾個方面：

(1) 地下水水位變化改變土的重度：土的重度隨含水量的增大而增大，土的重度突然增大，塌陷體重量隨之增加，自重效應引起隱伏巖溶發育地帶土洞拱頂的垮塌。

(2) 地下水水位波動改變覆蓋層土體結構：島上白堊系大塱山組地層廣泛分布，特別是當強風化土層的含水量增加時易產生膨脹，而干燥時收縮，并隨之出現垂直裂隙，土體被切割，土體的抗剪強度降低，其抵抗滲透變形及塌陷的能力也隨之下降，導致土洞的穩定性降低，容易產生土洞塌陷。

(3) 地下水水位下降的失托增荷：當島內抽排地下水的強度大，巖溶地下水水位呈明顯的下降狀態時，其對覆蓋層土體或土洞頂板的浮托力發生消減，進而使隱伏巖溶地段的覆蓋層或土洞頂板的穩定性變差，最終導致地下水水位埋深淺、覆蓋層土體松軟且厚度較薄的土洞部位的地面直接產生沉降和塌陷。

(4) 地下水滲透的潛蝕作用：島內地下水水位的下降，使地下水的坡降和流速增大，動水壓力增強，從而對巖溶洞隙通道內的松散充填物和覆蓋層土體產生側向潛蝕、沖刷和淘空作用，使土洞不斷向上擴展而導致巖溶塌陷。島內地下水的抽排水水量集中且速度快，抽排出的地下水大都呈混濁狀態，且泥沙含量高，說明地下水的潛蝕作用強烈，致使島內巖溶塌陷的形成過程呈現出短暫、快速的特點。

(5) 地下水水位波動的崩解作用：由于島上白堊系大塱山組泥巖和礫巖的強風化層普遍含有蒙脫石、伊利石和高嶺土等親水礦物，地下水對強風化土體易產生崩解作用。同時，由于溶洞、溶隙開口處的地下水反復升降，對覆蓋層土體產生浮托力的反復增減，加之溶蝕和失水的循環往復作用，使得覆蓋層底部及裂隙密集部位的土體遭受崩解、剝落，促使土洞向上擴展，頂板進一步變薄，最終垮塌，導致地面形成塌陷。

4.2.2 人為振動和機械貫穿作用

由于近年來工程建設活動規模的擴大和強度的增加，大坦沙島長期受到爆破、車輛輾壓、機械振動和建筑基礎工程施工等地面的人為振動作用，這些都可能誘發土洞產生塌陷，最終使覆蓋層內土體結構受到破壞，土體抗剪強度降低，造成土體抗塌力減小，從而改變覆蓋層內土體的力學平衡狀態。當土洞處于極限平衡狀態時，地面振動加載極易造成土洞頂板的失穩破壞，進而導致地面塌陷。

對島上的巖溶塌陷地質災害而言，機械貫穿作用主要有兩種類型：建筑物基礎工程施工和各種地質勘探工程施工。這兩種類型的工程施工活動直接破壞了覆蓋層內土體地下洞穴的隔水頂板，貫穿了地表水和地下水之間的聯系通道，引發砂層內的砂土急劇滲漏下瀉到下部的洞穴內，從而引發巖溶塌陷。這種巖溶塌陷地質災害的形成過程十分迅速，危險性大，災情嚴重。例如：2003年9月11日廣州市荔灣區橋中街橋中收費站附近的巖溶塌陷(DT1)；2004年8月23日荔灣區大坦沙橋中街和坦尾街交叉口的巖溶塌陷(DT2)；2005年11月7日廣州市地鐵5號線大坦沙高架段(試驗段)工地的巖溶塌陷(DT3);2006年1月7日廣州市地鐵5號線大坦沙坦尾工地的巖溶塌陷(DT4)和2009年4月19日橋中街西海南路15號路面的巖溶塌陷(DT27)。這些都是由典型的沖孔樁基礎施工、車輛輾壓、機械振動引起的。而2009年2月16日橋中中路泮塘鴿天地大排檔前的巖溶塌陷(DT19)、2009年3月1日橋中中路中華液晶城籌建處西側的地面塌陷(DT20)、2009年6月25日至7月3日橋中中路東側瀝教涌以北空地的3次巖溶塌陷(DT29～DT31)均為鉆探施工直接引發?？梢?，人為振動和機械貫穿作用亦是大坦沙島發生巖溶塌陷不可忽視的原因。

5 巖溶塌陷的防治對策

根據大坦沙島巖溶發育調查和巖溶塌陷的機理分析，大坦沙島巖溶塌陷的防治應堅持“預防為主，治理為輔，防治結合”的原則，其中重點是預防為主，強調在巖溶塌陷發生前采取切實可行的措施減少或避免抽排地下水等人類工程活動的影響，以防止巖溶塌陷的發生。

在進行工程建設活動之前，要加強建設工程的地質勘察工作，當場地存在淺層土洞或溶洞群發育、抽水降落漏斗中最低動水位低于巖土交界面的地段可判為工程不利地段，并利用全球衛星定位系統、遙測儀等技術對這些地段開展變形監測、預報，以便在地質災害發生前能及時報警。

由于大坦沙島一帶的巖性、溶洞、地質、水文地質條件復雜，采用單一的防治方法往往收不到理想的治理效果，必須要查明巖溶塌陷或潛在塌陷的規模大小及空間分布特征，分析引起巖溶塌陷的主導控制因素，并根據實際情況進行綜合整治。針對深度較淺、范圍較小的巖溶塌陷，當對建筑物危害不大時，只需對巖溶塌陷進行回填夯實即可；對于一般的多層建筑，當塌陷坑、隱伏土洞、溶洞規模不大時，可采用回填或灌漿封堵以及跨越法等綜合治理；針對深度較深、范圍較大的大規模巖溶塌陷或隱伏土洞、溶洞等，當對建筑物危害較大時，則需采用回填封堵、壓力灌漿、鋼管樁穿越以及地表水疏、排、圍、改等方法進行綜合治理。

6 結論與建議

(1) 通過地質災害綜合勘查，基本查明了大坦沙島的地質環境條件。大坦沙島第四系中砂層普遍分布，土體結構松散、透水性好；第四系覆蓋之下地層中的石磴子組灰巖及大塱山組底部灰質礫巖廣泛分布，其中巖溶裂隙、溶洞發育且連通性較好，它們共同構成了良好的地下水滲流通道和儲存空間。同時島上斷裂帶及伴生的裂隙切割地層，形成地下水滲流運移的良好通道。

(2) 島上隱伏巖溶地段覆蓋層土體內土洞普遍存在，而目前的巖溶塌陷均是土洞擴展致塌而成。同時，隱伏的石炭系石磴子組灰巖和白堊系大塱山組一段灰質礫巖中溶洞極發育，在地下水水位動態變化的影響下，最終形成巖溶塌陷。目前大坦沙島的巖溶塌陷和鉆孔揭露巖溶主要分布于中部的石炭系石磴子組灰巖和北部的白堊系大塱山組底部灰質礫巖分布區內以及不同巖性接觸面和斷層附近。

(3) 島內工程建設抽排地下水活動、地面振動及基礎工程施工機械貫穿隔水層這兩種主要人類工程活動是大坦沙島巖溶塌陷的直接誘發因素。

(4) 針對大坦沙島巖溶塌陷地質災害，要加強工程建設活動之前的地質勘查工作和施工過程中地面變形、地下水變化的監測預警工作，并減少抽排水量，防止大面積地下水水位陡降引發或加劇巖溶塌陷地質災害，同時要根據實際情況對巖溶塌陷進行綜合整治。