廣州市荔灣區(qū)巖溶發(fā)育特征與地面塌陷防范對(duì)策★

樓康明 黃佳銘

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

廣州市西北部的廣花盆地?cái)嗔褬?gòu)造發(fā)育，大面積分布可溶性碳酸鹽巖，是我國(guó)典型的覆蓋型巖溶發(fā)育地區(qū)之一。隨著廣州城市開(kāi)發(fā)建設(shè)的高速發(fā)展，地鐵、地下管網(wǎng)、深基坑等各類(lèi)建設(shè)工程越來(lái)越多的布局在廣花盆地巖溶區(qū)。其中位于廣花盆地南端的荔灣區(qū)大坦沙島一帶屬于廣州市“紅層”巖溶典型發(fā)育區(qū)，自2007年年底進(jìn)入開(kāi)發(fā)建設(shè)高峰期以來(lái)，由施工引發(fā)地面塌陷的事故日趨頻繁，對(duì)人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全和生產(chǎn)活動(dòng)造成了嚴(yán)重的威脅。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)專(zhuān)家與學(xué)者對(duì)廣花盆地巖溶區(qū)已開(kāi)展了一系列調(diào)查、評(píng)價(jià)和研究工作[1-9]，如珠三角地區(qū)巖溶分布特征及發(fā)育規(guī)律研究、廣花盆地巖溶地面塌陷特征及形成機(jī)理研究以及廣花盆地內(nèi)針對(duì)部分典型的白云區(qū)、金沙洲地區(qū)、夏茅地區(qū)等巖溶發(fā)育特征與分布規(guī)律、巖溶塌陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、巖溶塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等方面取得了較大的成果。

本文通過(guò)對(duì)荔灣區(qū)開(kāi)展的巖溶地面塌陷調(diào)查與評(píng)價(jià)工作，收集現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔共1 936個(gè)，通過(guò)對(duì)大量鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步劃定了荔灣區(qū)除大坦沙島以外的巖溶發(fā)育范圍，通過(guò)對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi)966個(gè)鉆孔的詳細(xì)分析，進(jìn)一步研究和總結(jié)了荔灣區(qū)各巖溶層組巖溶發(fā)育特征與分布規(guī)律及巖溶發(fā)育的影響因素，提出了工程建設(shè)引發(fā)地面塌陷的防范對(duì)策建議。

1 地質(zhì)環(huán)境條件概況

荔灣區(qū)位于珠江三角洲北緣，與廣花盆地南部接壤，面積約59.1 km2，地勢(shì)平坦且向南向北呈低落之勢(shì)，北面為臺(tái)地，地勢(shì)較高，由西灣到小北江間，大部分為低洼平原。

在地質(zhì)構(gòu)造上，北東和北西向斷裂組相互切割構(gòu)成本區(qū)特有的塊斷構(gòu)造體系。廣從斷裂帶金盤(pán)嶺—芳村段總體走向北東，傾向南東，傾角50°～80°；白坭—沙灣斷裂帶走向290°～320°，傾向南西或北東，傾角30°～80°。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育由老到新主要有石炭系、白堊系、古近系和第四系地層。地下水分布有第四系松散巖類(lèi)孔隙水、碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙水和基巖裂隙水三大類(lèi)。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 可溶巖平面分布情況

根據(jù)鉆孔揭露可溶巖情況，荔灣區(qū)可溶巖總分布面積約16.18 km2，占全區(qū)總面積的27.38%。揭露可溶巖主要為石炭系石磴子組(C1s)、壺天組(C2+3ht)灰?guī)r、大理化灰?guī)r和白堊系大塱山組(K2dl)礫巖、灰質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)砂巖、泥灰?guī)r等，主要分布在西村街道西部、南源街道、昌華街道西北部、橋中街道、石圍塘街道、茶滘街道北部等地。其中石磴子組灰?guī)r以北東向條帶狀分布在大坦沙—芳村一帶，面積約0.76 km2；壺天組灰?guī)r小范圍集中分布在荔灣北部與白云區(qū)交接處，面積約0.17 km2；其余可溶巖均為白堊系大塱山組，分布在大坦沙島與芳村中部一帶，面積約為13.39 km2，多與石磴子組灰?guī)r互層，同樣呈北東向條帶狀展布，各可溶巖組分布面積見(jiàn)表1。

表1 荔灣區(qū)可溶巖分布特征

2.2 巖溶豎向發(fā)育特征

以966個(gè)揭露可溶巖鉆孔作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中揭露溶洞鉆孔520個(gè)，揭露土洞鉆孔46個(gè)，對(duì)區(qū)內(nèi)所有可溶巖組巖溶的空間發(fā)育程度進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)與分析，具體如表2所示。

表2 荔灣區(qū)主要巖溶層組巖溶發(fā)育特征一覽表

2.2.1壺天組可溶巖

共91個(gè)鉆孔揭露該層，其中揭露溶洞的鉆孔39個(gè)，見(jiàn)洞率為42.86%，均值鉆孔巖溶率為20.27%，屬巖溶強(qiáng)發(fā)育巖組。單個(gè)鉆孔一般揭露1層～2層溶洞，單孔最多揭露12層溶洞，平均揭露2.15層(見(jiàn)圖1)。溶洞在豎向上發(fā)育程度強(qiáng)烈，巖溶發(fā)育段主要在地表以下15 m～40 m，首層溶洞埋深范圍主要在地表以下10 m～40 m，其中埋深10 m～20 m范圍揭露首層溶洞的數(shù)量最多(見(jiàn)圖2，圖3)。揭露首層溶洞頂板平均厚度為1.17 m，其中有60.27%頂板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.2 m～2.0 m之間，最大洞高為7.3 m，超過(guò)5 m溶洞有7個(gè)，占8.33%，平均高度為1.79 m(見(jiàn)圖4)。

2.2.2石磴子組可溶巖

共600個(gè)鉆孔揭露該層，其中揭露溶洞的鉆孔393個(gè)，揭露溶洞908個(gè)，見(jiàn)洞率為65.50%，均值鉆孔巖溶率為23.27%，屬巖溶強(qiáng)發(fā)育巖組。單個(gè)鉆孔一般揭露1層～6層溶洞，普遍不超過(guò)3層，單孔最多揭露10層溶洞，平均揭露2.53層(見(jiàn)圖5)。溶洞在豎向上發(fā)育程度強(qiáng)烈，巖溶發(fā)育段主要分布在地表以下20 m～45 m之間，其中25 m～40 m段發(fā)育最為強(qiáng)烈，首層溶洞埋深范圍主要在地表以下20 m～40 m之間，地表以下20 m～30 m范圍揭露首層溶洞的數(shù)量最多，地下埋深45 m以下巖溶發(fā)育減弱(見(jiàn)圖6，圖7)。揭露首層溶洞頂板平均厚度為1.57 m，其中有59.35%頂板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.1 m～3.0 m之間，最大洞高為15.6 m，超過(guò)5 m溶洞有48個(gè)，占5.29%，平均高度約1.7 m(見(jiàn)圖8)。

2.2.3大塱山組可溶巖

共275個(gè)鉆孔揭露該層，其中揭露溶洞的鉆孔88個(gè)，揭露溶洞101個(gè)，見(jiàn)洞率為32.00%，均值鉆孔巖溶率為11.40%，屬巖溶強(qiáng)發(fā)育巖組。單個(gè)鉆孔一般揭露1層～2層溶洞，單孔最多揭露4層溶洞，平均揭露1.24層(見(jiàn)圖9)。該巖組巖溶發(fā)育程度極不均勻，在大坦沙島與芳村滘口區(qū)域巖溶中等～強(qiáng)烈，其他區(qū)域揭露溶洞數(shù)量明顯減少。巖溶發(fā)育段主要分布在地表以下20 m～40 m之間，其中25 m～35 m段巖溶發(fā)育最為強(qiáng)烈，首層溶洞埋深范圍主要在地表以下20 m～30 m之間，地下埋深40 m以下巖溶發(fā)育減弱(見(jiàn)圖10，圖11)。揭露首層溶洞頂板平均厚度為2.31 m，其中有48.36%頂板厚度小于1 m。溶洞洞高主要在0.2 m～2.0 m之間，最大洞高為7.2 m，超過(guò)5 m溶洞有4個(gè)，占3.96%，平均高度約1.56 m(見(jiàn)圖12)。

3 巖溶發(fā)育影響因素分析

3.1 地層巖性因素

根據(jù)本次收集及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆孔揭露溶洞情況分析，區(qū)內(nèi)石炭系石磴子組、壺天組灰?guī)r雜質(zhì)含量低，CaO成分含量達(dá)50%以上，為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，溶洞極為發(fā)育，見(jiàn)洞率超過(guò)40%；白堊系大塱山組“紅層”碎屑巖，CaO成分含量一般10%～40%，同樣有利于巖溶發(fā)育，但其可溶成分差異性大，巖溶發(fā)育極不均勻，溶洞發(fā)育程度總體較石磴子組灰?guī)r偏弱，見(jiàn)洞率為32%。從巖石礦物與化學(xué)成分分析來(lái)看，巖石礦物成分中方解石、白云石含量越高，越易溶蝕形成洞隙；其次，從巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造來(lái)看，孔隙大而多的灰?guī)r有利于水巖相互作用，有利于巖溶發(fā)育。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造因素

荔灣區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造集中發(fā)育于大坦沙島內(nèi)，其中北東向斷裂7條，北西向斷裂5條[2]，斷裂帶切割使區(qū)內(nèi)巖石破碎，形成良好的地下水滲流通道，增大了水系密度、增強(qiáng)了地層滲透性，大大增強(qiáng)了水巖相互作用，為地下巖溶發(fā)育提供了良好條件，同時(shí)也總體上控制了巖溶發(fā)育方向和巖溶發(fā)育規(guī)模。此外，區(qū)內(nèi)石炭系石磴子組灰?guī)r和白堊系大塱山組“紅層”接觸帶附近、可溶巖與不可溶巖接觸面上，地下水交替活動(dòng)強(qiáng)烈，也極大的促進(jìn)了大坦沙地區(qū)強(qiáng)巖溶發(fā)育帶的形成。

3.3 地下水因素

荔灣區(qū)地下水類(lèi)型可劃分為松散巖類(lèi)孔隙水、碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶水和基巖裂隙水三個(gè)大類(lèi)。松散巖類(lèi)孔隙水廣泛分布，富水性和透水性總體較好，但區(qū)內(nèi)砂層分布及厚度變化大或部分砂層黏?；蛴倌噘|(zhì)含量較高，導(dǎo)致地下水分布及透水性等差異變化大?；鶐r水均為隱伏型，其中碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶水主要賦存在石炭系及白堊系大塱山組巖溶發(fā)育區(qū)，富水性中等，主要分布在荔灣區(qū)北部區(qū)域，尤以大坦沙巖溶發(fā)育最為強(qiáng)烈，受巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地下水動(dòng)力影響，巖體溶蝕嚴(yán)重，且構(gòu)造裂隙及溶隙、溶溝、溶槽、溶(土)洞等多種巖溶形態(tài)發(fā)育，且相互貫通，巖溶水系統(tǒng)極其復(fù)雜。

4 防災(zāi)減災(zāi)建議

4.1 巖溶發(fā)育與地面塌陷的相互關(guān)系

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，荔灣區(qū)自2003年以來(lái)發(fā)生地面塌陷40余起，主要集中在大坦沙島及周邊區(qū)域，其在時(shí)間、空間和誘發(fā)因素上均有一定的規(guī)律。在2003年—2007年期間，大坦沙島未進(jìn)行大范圍地下工程施工時(shí)，幾乎無(wú)塌陷產(chǎn)生，平均每年發(fā)生1起～2起地面塌陷。2008年—2009年及近兩年，大型地下工程施工增多，如地鐵6號(hào)線區(qū)間與站臺(tái)基坑施工、珠江大橋樁基施工、大面積鉆探等，期間造成地面塌陷27起，造成地面塌陷的主要原因?yàn)槌榕诺叵滤痘┕?、鉆探施工等。地面塌陷位置呈帶狀分布，主要發(fā)生在石磴子組分布區(qū)域中。本次統(tǒng)計(jì)的所有地面塌陷，均直接或間接地與人類(lèi)工程活動(dòng)有關(guān)。同時(shí)地面塌陷發(fā)生之后，塌陷的誘發(fā)因素若沒(méi)有解除或誘發(fā)因素重新出現(xiàn)，塌陷會(huì)持續(xù)發(fā)生，若已經(jīng)對(duì)塌陷進(jìn)行治理，則塌陷會(huì)在前塌陷區(qū)臨近復(fù)活。如西海路及橋中路在2008年及2009年同一范圍內(nèi)曾發(fā)生多次塌陷，河沙南路和東海南路在2018年10月～11月兩次發(fā)生塌陷。

4.2 工程建設(shè)引發(fā)地面塌陷防范對(duì)策

巖溶地面塌陷防治應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“預(yù)防為主、避讓與治理相結(jié)合和全面規(guī)劃、突出重點(diǎn)”的原則。

1)規(guī)劃和選址階段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巖溶地面塌陷等地質(zhì)問(wèn)題的考慮，優(yōu)化城市功能布局。重大工程宜布置在非巖溶區(qū)或巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)；新的城市建設(shè)區(qū)宜避開(kāi)巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)；在巖溶塌陷中、高易發(fā)區(qū)規(guī)劃建設(shè)工程，應(yīng)控制建設(shè)工程的類(lèi)型、規(guī)模和密度，謹(jǐn)慎開(kāi)展超標(biāo)準(zhǔn)、超高度和超密度的建設(shè)項(xiàng)目。

2)地質(zhì)勘察階段，鉆探應(yīng)做好砂土層護(hù)壁和封孔工作，降低因鉆探而引起坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；要詳細(xì)查明場(chǎng)地巖溶洞隙及伴生土洞的分布、發(fā)育程度和發(fā)育規(guī)律，為設(shè)計(jì)施工提供翔實(shí)可靠的工程地質(zhì)依據(jù)。

3)工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察資料對(duì)巖溶(土)洞隙提出合理的處理方案，選用適宜的基礎(chǔ)類(lèi)型；提前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，并提出有針對(duì)性的后續(xù)勘察、施工工法和安全防范措施。

4)工程施工階段，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求選用合理可靠的施工方法和施工設(shè)備，制定合理的施工組織方案和有針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案并組織實(shí)施，對(duì)地質(zhì)條件變化或與勘察報(bào)告不符地段及時(shí)反饋，并開(kāi)展補(bǔ)充勘察探測(cè)，必要時(shí)調(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)方案，杜絕地質(zhì)條件不清、安全風(fēng)險(xiǎn)未有效控制進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。

5 結(jié)論與建議

1)荔灣區(qū)巖溶發(fā)育受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地下水活動(dòng)控制明顯，巖溶分布主要集中在區(qū)內(nèi)北部斷裂構(gòu)造交錯(cuò)發(fā)育的大坦沙島及周邊地區(qū)，在平面上總體上呈北東向呈帶狀展布，其中石炭系石磴子組、壺天組灰?guī)r巖溶發(fā)育程度強(qiáng)烈，白堊系大塱山組巖溶發(fā)育程度弱～中等，在不同巖性接觸界面、斷層位置及其附近巖溶較發(fā)育。

2)在垂向上，壺天組灰?guī)r中溶洞發(fā)育段主要在地表以下埋深15 m～40 m范圍內(nèi)；石磴子組灰?guī)r中溶洞發(fā)育段主要在地表以下埋深20 m～45 m范圍內(nèi)；大塱山組“紅層”碎屑巖中溶洞發(fā)育段主要集中在地表以下埋深20 m～40 m范圍內(nèi)。一般埋深40 m～45 m以下隨深度增加巖溶發(fā)育程度呈減弱趨勢(shì)；區(qū)內(nèi)揭露溶洞多以單層為主，局部發(fā)育多層溶洞，70%以上的溶洞洞高在1 m以內(nèi)。

3)荔灣區(qū)發(fā)生的地面塌陷主要集中在巖溶發(fā)育程度高的大坦沙島，基本為抽排地下水、樁基施工、鉆探施工等人類(lèi)活動(dòng)引發(fā)。

4)巖溶地面塌陷防治應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“預(yù)防為主、避讓與治理相結(jié)合和全面規(guī)劃、突出重點(diǎn)”的原則，巖溶地區(qū)規(guī)劃建設(shè)應(yīng)從規(guī)劃選址、地質(zhì)勘察、工程設(shè)計(jì)和工程施工各階段有針對(duì)性的做好工程建設(shè)引發(fā)地面塌陷防范工作，最大限度避免或減少地面塌陷事故的發(fā)生。