城市小區地陷的成因探討與防治辦法
——以烏魯木齊地陷為例

朱泳霖

（中國有色金屬工業總公司昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 地陷綜述及研究內容

1.1 地陷綜述

1.1.1 地陷的概念

地面塌陷（地陷）是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種動力地質現象，是我國突出的地質災害之一。隨著城市建設不斷加快，地陷逐漸發展成為一種制約城市經濟活動的地質災害[1]。

1.1.2 地陷的類型

（1）地陷主要包括地震塌陷、地面變形塌陷、水動力塌陷、工程地質塌陷、礦山塌陷等幾類。

（2）地陷按作用力不同又分為自然塌陷和人為塌陷。自然因素包括地震、降雨、自重等；人為因素包括采礦、過度開采地下水等。

（3）根據是否存在巖溶現象，可大致分為巖溶地面塌陷和非巖溶地面塌陷兩大類。

1.1.3 地陷的危害

地陷的危害主要表現在突然毀壞城鎮設施、工程建筑和農田，破壞交通線路，造成人員傷亡等方面。據資料顯示，2011 年以來我國超過50 座城市出現過地陷問題，每年致使大量人員傷亡，造成的經濟損失達數百億元[1]。

1.2 研究內容

本文首先是解釋了什么是地陷、地陷的類型以及地陷的危害，然后從國內地陷發生現狀出發，結合烏魯木齊的實際情況分析地陷的成因，進而針對地陷的成因提出了一些防治措施，最后通過烏魯木齊七道灣采空區塌陷治理的實例來進行論述。

2 地陷的成因探討

如前文所揭示的城市地陷現狀，經研究認為，造成地陷的原因主要可分為自然因素和人為因素。

2.1 自然因素

2.1.1 降雨入滲影響

烏魯木齊第四紀地層是以黃土和碎石土為主的地層。黃土又多為濕陷性黃土，碎石土也是含鹽類的鹽漬土。這兩種土質都能在無水狀態下保持穩定狀態，而一旦有水侵蝕，便立刻失穩。而鹽漬土在遇雨后，土中的鹽分會被溶蝕掉，土的物理強度馬上大幅下降，從而引發土層溶陷，形成地面塌陷。

2.1.2 地殼運動

由于地殼運動是一個長期且持續的活動，即使其運動的速度很低，但是隨著時間的推移，也會很明顯地呈現出來。針對某些較為活躍的地質構造單元而言，其每年的沉降速率可達到數毫米。例如：斷陷盆地或者沉降帶由于斷陷下降運動的廣泛性，一旦發生地陷，其影響是非常大的[1]。

2.2 人為因素

2.2.1 開采地下水

烏魯木齊是一個缺水城市，地下水的補給主要靠天山融化雪水和降雪、降雨水。由于近年來城市擴展速度過快，人們對地下水過度開采，導致地下水水位持續下降，造成的后果就是淺層水被疏干，土體結構應力狀態發生改變。地下水的作用是維系土體結構應力平衡，而平衡被破壞，地表就會坍塌。開采地下水成為出現地陷的主要原因之一[2]。

2.2.2 煤礦開采

烏魯木齊盛產煤炭，由于長期過度開采，礦區留下大量的采空區，進而引發地陷，嚴重影響了烏魯木齊城市發展和民生安全。現在有些煤礦雖已關閉，但采空區引發的地陷問題依然存在。

2.2.3 地面工程經濟活動

地面工程經濟活動也已經成為地面沉降的制約性因素，其中工程建設顯得尤為突出。以烏魯木齊為例，每年都會發生幾十起工程塌陷事件。原因如下：①規劃不周；②監管缺位；③排水不暢致使工程部位或路面長期積水，導致塌陷產生；④市政工程缺乏科學有效的監測[3]。

3 應對措施

由于烏魯木齊城區快速擴張，政府在城市發展規劃中已將周邊采空塌陷區規劃為建設用地，并組織精干的技術隊伍詳細勘查采空塌陷區現狀，劃分建設用地適宜區和避讓區。在城市功能布局時，充分考慮地面塌陷的易發程度和適宜性，對采空塌陷區進行地質災害危險性評估規劃，提出防治措施和建議，把采空塌陷區變害為利，為烏魯木齊經濟發展服務[3]。

4 新疆某公司建設用地綜合治理項目采空塌陷區治理實例

4.1 工程概況

新疆某公司建設用地綜合治理項目位于烏魯木齊市七道灣鄉六道灣村，即烏魯木齊市南湖路以西、熱力路（原名犁華街）以東，王家梁陶瓷市場與南湖安居工程二期住宅區之間。批準書規劃的藍線范圍東西平均長420 m，南北平均寬215 m，面積為67 100.5 m2。

4.2 地質條件及水文地質條件

（1）地層。①雜填土層；②圓礫、含礫黏土含礫粉土層；③粉砂巖、砂巖、砂質泥巖層；④煤巖層。

（3）水文地質條件。根據現場的以往數據分析，該地區地下水位在3～6 m，屬于淺部的上層滯水。對塌陷區域內空體和塌落體進行處理時，必須考慮上層滯水的影響。

4.3 治理方案的選取

鑒于施工現場的特殊要求，在眾多的施工方案比選中，專家組最終選定了“灌漿爆破壓密技術”方案[4]。

4.3.1 灌漿加固技術

灌漿法是處理地面塌陷最常用的加固方法。灌漿就是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進至土層的預定位置后，以高壓設備使漿液或水成為高壓流從噴嘴中噴射出來，沖擊破壞土體，與漿液攪拌混合。漿液凝固后，便在土中形成一個固結體。灌漿法提高了地基土的抗剪強度，改善了土的變形性質，使其在上部荷載直接作用下，不產生破壞或過大的變形。但注漿材料的滲透性好壞與諸多因素有關，如巖土的孔隙率及孔隙大小、材料的可注性、注漿的施工方法，地基的非均勻性、地下水的流動、注漿材料的時間特性等。

4.3.2 灌漿爆破壓密技術

灌漿爆破壓密技術的基本原理是通過爆破擠壓密實處理爆破藥包周圍的漿液，使注漿漿液充分液化，加大漿液的滲透能力，漿液與土體混合，沖開土體孔隙中的盲洞[4]。

灌漿爆破壓密法是灌漿與深孔爆破的結合，既彌補了干爆過程中能量的損失，又解決了灌漿加固中巖土體孔隙率不均、裂隙大小不同而導致效果降低的問題，同時爆破擠壓密實處理使漿液的壓力提高了數十倍，達到良好的土體加固效果[4]，如圖1 所示。

圖1 灌漿爆破壓密漿液

4.4 灌漿爆破壓密的數據確定

4.4.1 爆破壓密的影響效應

2．3 各組小鼠心肌組織病理學改變 光鏡下，A組小鼠心肌組織未見病變；B、C組小鼠心肌組織均可見典型的VMC改變，B組病變較重，可見片狀及彌漫性炎性細胞浸潤，心肌纖維斷裂和局灶性壞死，C組病變較B組輕，炎性細胞浸潤輕，壞死灶少且小。各組心肌病理積分見表1，HE染色見圖1。

在使用水壓爆破時，根據理論參數、經驗公式和現場試驗確定的單個藥包爆破時的效應情況，如圖2所示。

其中△h 為藥包的懸掛深度，灌漿爆破壓密的有效深度為hc，爆破半徑為R。根據我國工程實踐，碎石土墊層和砂礫墊層懸掛藥包各次爆破后土層的相對沉降量與爆破次數的關系值如圖2 所示[4]。

圖2 藥包參數與壓密關系

實踐證明，在水土分離的水中爆破，每10 kg 的藥可以壓實4 m 范圍內的水下部土體，利用藥包爆破中水中壓密法其爆炸夯實的深度，夯實層內總的相對沉陷量可達到5%～10%。

4.4.2 擠密效果

據表1 可知，在此場區內，雜填土的孔隙率只有29.7%，而塌落煤層的孔隙率為45.2%，說明采空區上部土體密實，而越深層土體的密實度越小，有如雞蛋的殼體，上硬下軟。這就需要對深層的土體進行擠密加固，上部的土體密實效果較好，但也不排除有擠密的可能性。

表1 不同回填土空隙度計算結果統計

根據對黏土層灌漿爆破壓密效果的分析，在雜填土層和素填土即塌落煤層的處理過程中，土體發生5%～10%的壓縮，壓縮后的土體孔隙可由注漿漿液進行填充。根據壓縮數據分析，處理后的土體發生2～4 m 的沉降，部分存在空體的地段可能沉降量為10～20 m。

4.4.3 擠密范圍

經檢驗公式和理論數據，得出了藥包參數和灌漿爆破壓密的范圍數據：藥包的設計在10 kg 的壓密影響效應可以達到10～15 m，是符合本次加固范圍要求的。

4.4.4 加固注漿

本次除了雜填土層的灌漿以外，還有對巖石基巖的灌漿工序。此次灌漿液選定水泥黏土漿。漿液的水與干料的比例為1:1，水泥與黏土采用3:7 的體積比，可以滿足本次注漿的要求，最后一次注漿加入水玻璃，占總注漿量的10%。

4.4.5 效果檢查

灌漿效果的檢查，通常在灌漿結束后28 d 方可進行，檢驗方法如下。

（1）開挖檢驗。待灌漿結束28 d 后，固結體具有了一定強度，即可在灌漿孔處開挖檢查固結垂直度和固結形狀。開挖檢查的數量不低于灌漿孔的10%。

（2）鉆孔取芯。在已固結好的固體中鉆取巖芯，巖芯的連續長度不小于50 cm，做成標準試件，在實驗室進行物理力學性能試驗。

（3）由于工程現場地下水的賦存狀態為上層滯水，需做壓力注水和抽水兩種滲透試驗，以測定灌漿固結體的抗滲能力。

（4）標準貫入試驗。在灌漿區域已形成固結體的部位進行標準貫入試驗，根據標準貫入錘擊數，確定灌漿區域的固結密實度。標貫點不少于灌漿孔的20%。

固結灌漿宜在土層覆蓋的情況下進行，注入漿液一般達50%設計強度后，效果已穩定，地基土的承載力已達到200 kN。

5 結語

地面塌陷是一種廣泛分布的城市地質災害，與地區經濟發展及對地下水資源和土地資源的開發利用關系密切，經濟發展與工程活動在地面塌陷中的作用已然成為很關鍵的因素。

本文分析了烏魯木齊地面塌陷產生的原因、主要影響因素及其內在機制。開采地下水和采煤及地面工程建設活動是主要的和決定性的外在原因。開采地下水和采煤是城市區域性地面塌陷的主導因素，地面工程建設活動是城市市區地面塌陷的重要原因。針對上述原因，本文提出了地面塌陷防治的對策與建議。

烏魯木齊七道灣使用灌漿爆破壓密法處理采空區塌陷，消除了采空區塌陷，提高了地基土承載力，使采空塌陷區變為建設用地成為可能。