南京市地面塌陷发育特征及影响因素

张泰丽,刘红樱,苏晶文,田福金

(南京地质调查中心, 江苏南京 210016)

南京市是长江三角洲地区承东启西的国家重要产业城市.南京市发生了大面积的地面塌陷,已成为人们关注的城市地质灾害.

1 南京市地面塌陷现状

据统计,至2007年南京市共发现地面塌陷21处,塌陷坑63个,其中岩溶塌陷坑29个,采空塌陷坑26个,工程塌陷坑8个,塌陷面积约45万m2(表1).地面塌陷已造成了约6亿元的经济损失,人员死亡5人.

表1 南京市地面塌陷类型和塌陷面积表

南京市2007年修建2号地铁时发生了4处地面塌陷(图1、图2),造成地下水管、煤气管破损,居民供电、供水、供气部分中断等严重损害.

2 地面塌陷类型

南京市地面塌陷最早发生于上世纪60年代,盛发始于八、九十年代,集中发生于江宁区.主要地面塌陷类型有岩溶塌陷、采空塌陷和工程塌陷.

(1)岩溶塌陷分布

岩溶塌陷主要发生于栖霞区栖霞山、江南水泥厂、玄武区岔路口以及浦口区陈庄、江宁仙鹤门一带,共发现塌陷6处,塌坑29个,规模为小型,总塌陷面积约2270m2.

栖霞山岩溶塌陷分布在三茅宫以西至桃花扇亭一带[2、3](图3),共有陷坑14个(表2).塌陷始发于1978年,陷坑平面呈椭圆或圆形、剖面上呈漏斗状,直径0.3～22.8m,可见深度0.6～7.6m,陷坑周围多伴生环形张裂缝.江南水泥厂先后于1990年和1999年发生两次地面塌陷,塌坑深达0.5～3m,面积约10～16m2,塌坑平面形态多呈圆形,塌坑周围伴有环状裂缝.南京火车站5km处的岔道口沪宁上行线K297～298间,发生地面塌陷2处,K297～050处从1964年共产生塌陷坑5个,塌陷深0.1～0.46m,直径0.38～2.1m,分布范围和深度不大,在沪宁上行线K298+800处发生塌陷较大,塌陷深度达8～10m,直径40m左右,至2001年共产生塌坑4个,塌陷面积65m2.浦口区陈庄塌陷发生于2002年11月,发生塌坑2个,塌陷面积约13m2,塌坑近圆形,坑壁陡立,坑深1.5～1.8m,该塌陷呈继续扩大趋势.江宁仙鹤门在1978年3～4月进行为期一个月的群孔抽水试验时,在东部灵山南麓杨石桥村一带出现裂缝,其长约百余米,宽3～4cm,深30～40cm,3处泉眼周边出现地面塌陷.

表2 栖霞山岩溶塌陷情况一览表

(2)采空塌陷分布

采空塌陷主要发育于南京市地下矿山开采形成的采空区,据统计南京市梅山铁矿、谷里铜矿、铜井金矿、九华山铜矿、安基山铜矿、云台山硫矿、冶山铁矿、爱景山锶矿等八家矿山的采空区已出现塌陷坑26个,总塌陷面积约40.2万m2,塌陷平面呈圆形、长方形或不规则形,剖面呈漏斗状,深1～10m不等,除梅山铁矿塌陷规模为中型,面积达37.5万m2,塌陷深度在110m以上,余之皆为小型.区内的采空塌陷及其采空区多未采取有效的防塌治理措施,仅采取了避让警示措施,因此,今后若干年内不仅现有塌陷规模将进一步扩大,而且还会出现新的塌陷坑.

(3)工程塌陷分布

随着南京市人口的剧增,工程建设规模不断扩大,工程塌陷引发的灾害日益严重(见表3).南京市工程地面塌陷主要集中发生于地铁、隧道沿线等,据统计从2003年到2007年,南京地铁1、2号线施工共发生8次地面塌陷,塌陷面积2～200m2不等,共约367m2,平面上多呈长方形或圆形,剖面上呈漏斗状,深5～10m左右,伴生环状裂隙,目前均已回填处理,处于稳定状态.

表3 地铁开发引发的地面塌陷一览表

3 孕灾环境

地质环境是地面塌陷发生的载体,人类工程活动是地面塌陷的主要诱发因素.

(1)地质环境

南京市呈四周山峦起伏,长江横穿市区,秦淮河萦绕古城内外之势.地貌上可分为低山丘陵、波状平原、冲积平原等3种类型.

在低山丘陵和波状平原区地区蕴藏着丰富的矿产资源,据统计,南京市已发现矿产近40种,探明储量13.89亿吨,其中石膏、硫铁矿、铜、金、铅、锌等埋藏型矿种,占矿储量总数的56%,目前,主要形成了以梅山铁矿为中心的黑色金属铁钢基地、栖霞山有色多金属的采选加工基地、云台山以黄铁矿产地为主的化工原料加工基地等,据调查,上属基地除石膏矿外,均发生过采空区地面塌陷[4].

南京市岩溶较发育,分布面积约580 km2,第四系覆盖层厚度小于30m,分布于江北老山、江南的幕府山、栖霞山等地的震旦系、寒武系、奥陶系及石炭-三叠系碳酸岩,岩性以白云岩、灰质白云岩、泥灰岩等为主,其岩溶发育程度一般较低,仅在浅部或地表形成溶沟、溶槽、溶隙,下部一般较完整,但在构造特别发育部位,能形成较大的岩溶洞穴,例如受断裂的影响,在老山复式倒转背斜东西倾没端有大量泉出露,据1986年调查在西端汤泉至陈庄一带,温泉天然总流量达4591m3/d,冷泉总量达1985 m3/d.在仙鹤门、青龙山-孔山西北侧以及麒麟门、南京火车站-模范马路等地,主要发育三叠系周冲村组(T2z)的角砾状灰岩,在垂直和水平方向上均能发育形成较大的岩溶洞穴,浅部洞穴大多被松散岩类所充填,深部洞穴则富集地下水,据调查,目前已形成4个塌陷中心,极富地下水,单井出水量在2000～5000m3/d之间,丰富的地下水资源可以满足城市用水需求,但也是工程建设重要的影响因素,因此,长期大量开采和抽排岩溶地下水,会引起岩(土)体失稳,产生地面塌陷,例如浦口区陈庄于2002年11月发生2处塌陷.

冲积漫滩平原区主要包括长江河谷漫滩、滁河河谷漫滩、秦淮河漫滩等3部分,第四系覆盖层较厚,长江河谷漫滩平原沿长江两侧分布,沉积层厚度50～75m间,砂层一般厚30～40m,地下水极其丰富,单井涌水量达1000～5000m3/d;滁河河谷漫滩平原主要分布在江浦区老山山脉以北,沉积层厚度20～30m,砂层厚度在河床部位一般为5～10m,在漫滩与阶地交接处多小于5m,单井涌水量达100～1000m3/d;秦淮河漫滩平原主要分布在南京市区及城南至江宁县城一带,沉积物厚度一般为20～30m,在城区最厚度可达40余米,砂层厚度一般为5～10m,在古河床部位可达15～25m,单井涌水量达100～300m3/d,局部地段涌水量可达1000～2500m3/d.此区域为城镇密集区,基础工程建设量大,砂层分布较厚,在人为扰动条件下易发生砂土液化,加之强烈抽排地下水和土层上部高强度的加载,易引发基坑顶部土地失稳,产生了塌陷,例如修建地铁2号线引发4处地面塌陷.

(2)人类工程活动活动

南京市辖11个区2个县,总面积6582km2,截止2009年底,全市常住人口771.31万人,比上年末增加12.42万人,全市实现生产总值4230.26亿元,比上年增长11.5%,随着人口和经济的增长,对资源和城市基础设施的需求量逐渐增加,现南京市埋藏型矿床年开采量600万吨,岩溶水年开采资源量3913万m3,据南京市地铁最新规划,南京市拟建17条地铁,共617.1km.大量的埋藏型矿产不合理开采和地下水疏干排水,形成采空区导致引发地面塌陷;地下水资源的大量开采,致使上层土地失稳,产生岩溶塌陷;城市基础设施建设,如基坑开挖、除排水、沉桩、盾构掘进等都可造成地面塌陷,若工程穿过易液化砂层或饱和淤泥质软土时可能造成支护结构失稳,导致基坑附近塌陷[1].

4 影响因素及形成机制

(1)岩溶塌陷影响因素及形成机制

南京市岩溶塌陷主要有两个影响因素:强烈开采地下水和矿坑排水.在南京市隐伏灰岩分布、裂隙溶洞发育区,地下水资源非常丰富,由人工抽、排水的动力条件下,使地下水位波动,流水的不断潜蚀使洞穴顶部的土体(覆第四系松散层厚度小于30m[3])被带走,在长期循环往复的过程中,逐渐形成土洞,当土体薄到如1～2m或更薄时,就出现了塌陷.例如栖霞山明镜湖,曾因修整湖心亭工程扰动底泥,加上南京铅锌银矿排水,引起塌陷.K297～298一线,处于杨坊山和长林村逆掩断裂南侧,上覆第四系松散层厚度一般在10m左右,下覆为三叠系中统周冲村组(T2z)角砾灰岩,岩溶溶洞特别发育,由于南京硫铁矿不合理开采下部矿体和矿区地下水排水疏干,就导致了地面塌陷的发生.

(2)采空塌陷影响因素及形成机制

南京市采空塌陷的形成主要受矿体的埋藏分布、所处地质构造部位、顶板地层岩性、地下水作用、开采方法等因素影响.

南京市地下矿山主要采用无底柱采矿法,并且大部分采空区都没有进行回填,采空区顶板覆岩(土)失去了支撑,在重力作用下,逐渐改变了原始地应力的平衡,产生局部的应力集中,但采空面积较大时,围岩强度不足以抵抗上覆岩(土)体重力时,顶板岩层内部形成的拉张应力超过岩层抗拉强度极限时产生向下的弯曲和移动,进而发生断裂、破碎并相比冒落,岩(土)层离层滑动,导致塌陷发生.例如梅山铁矿主要采用无底柱分段采空崩落法,而矿体上部沉积层厚度仅几米,其余均为百余米的高岭土化安山岩,裂隙较发育,风化蚀变程度高,随采矿空间扩大,上部基岩逐步崩落,直至影响地面,就形成了地面塌陷.另外,由于地面塌陷的形成,也改变了塌陷区范围内的水文地质条件,使汇水面积增大,地表水(水塘或沟)和浅层孔隙裂隙水向下渗漏,加剧了矿体上部基岩的风化及对地层软弱面和裂隙中的充填物冲刷和搬运,使岩体抗剪强度减弱,加快了塌陷的速度.在每次降水之后,塌陷区范围均有明显的发展.

(3)工程塌陷影响因素及形成机制

工程地面塌陷主要跟工程施工技术手段、地下水分布特征和地层岩性等相关.

在南京市冲积漫滩区,分布约5～40m厚的砂土层,水量丰富,在地下工程如地铁、隧道、人防等在基坑开挖的过程中,由于施工震动、排疏地下水或突水,引发砂土液化,同时使地下水水位快速降低,加之地表车辆建筑物的挤压,破坏了地应力的平衡,使其上方的地表岩、土体失稳,在有地下空洞存在时,便产生塌陷.

5 防治措施

地面塌陷灾害与高度发达的经济、完善的城市基础设施相耦合,必然放大灾害的破坏效应,因此防治地面塌陷为当务之急.

(1)夯实南京市地面塌陷的基础调查和研究工作,为防治工作提供翔实的基础资料

在全市开展地面塌陷的专题调查评价研究,查明地面塌陷现状、发育分布特征、孕灾环境及其致灾机理等,进行地面塌陷易发性和风险性评价,圈定灾害严重的区段,对重点区段进行详细剖析,建立南京市地面塌陷信息系统.翔实的基础信息不仅可以服务于灾害防治,城市建设,而且可以指导城市规划.

(2)对地面塌陷进行实时和长期监测预报,以降低灾害损失

依据地面塌陷调查研究成果,对不稳定地面塌陷点和潜在危险区段布设监测点,及时获得数据,准确分析前兆信息,并不断提高监测技术和监测精度.日常监测应以群测群防为主,专业队伍与群众相结合的措施进行监测,对地面塌陷灾害点的演变趋势及时进行预报,尽可能减少地面塌陷灾害活动带来的损失.

(3)及时采取工程和避让措施

对严重危害人民生命及财产安全的地面塌陷灾害点,可采用搬迁、注浆充填、建筑物采用桩基础等工程处理方法进行治理[6],防止地面塌陷地质灾害对建筑物产生危害.在城市规划和工程选址时,必须进行地质灾害危险性评价,尽可能避开地质灾害危险区.

(4)保护地质环境,严格限制地下水和矿产资源的开采

南京市地面塌陷主要由于强烈开采地下水和地下矿床、地下工程不合理施工等诱发,因此,应对区域内的岩溶地下水资源进行评价和规划[7],减少人工抽取地下水规模,使地下水位下降幅度不致过大;对区域内的地下矿产资源应进行储量评价和开发利用规划,严格限制地下矿产的开采,并规范开采的技术和支护手段;在城市建设过程中,应先查明区域地质环境条件,进行地质灾害危险性评估,选择恰当的技术施工手段,尽可能减少灾害风险.

(5)加强行政立法,提高政府监督和管理职能

逐步完善法律条文,将地质环境保护和治理的措施、矿业和工程单位应尽的义务纳入法律范畴,加大处罚力度,加强政府监督职能.

6 结语

综上所述,通过对南京市地面塌陷的发育分布规律和形成机制研究,表明南京市地面塌陷已严重威胁城市安全,并且随着城市建设的扩展,将会引发新的地面塌陷,毁坏农田、建筑、森林、公路等,产生重大的经济损失.因此,对南京市开展地面塌陷和地质环境详细调查研究,对城市资源(地下水和地下矿产资源等)进行合理规划,限制开采等措施势在必行.