广州市大坦沙岛岩溶塌陷成因分析及防治对策

卢 薇，易顺民

(广东省科学院广州地理研究所，广东 广州 510070)

岩溶的发育包含复杂的土壤、岩石和地下水相互作用，不同地区的岩溶发育都是由不同的原因造成的。岩溶塌陷会对道路和建筑造成严重的破坏，并威胁到人类和牲畜的安全。因此，在岩溶分布区进行道路和大型建筑建设时，必须对场址的隐伏岩溶塌陷形成条件及机理进行研究，进而提出有针对性的防治措施。大坦沙岛位于广州市西北的广花盆地隐伏岩溶区，是近年来对广州市城市规划和建设影响较大的岩溶塌陷区之一。随着广州城市建设的加速发展，广州市荔湾区桥中街大坦沙岛的工程开发建设强度自2003年以来逐年加大，大规模的城市建设特别是地下工程建筑活动，极易引发岩溶塌陷地质灾害。据不完全统计，自2003年9月至2008年3月，大坦沙岛及周边仅数平方公里范围内，相继发生了20多处岩溶塌陷，并伴生多处地面沉降，不但引发了工程事故，造成建设维护经费增加，而且影响到了相关学校和附近居民的学习、生产和生活，直接经济损失已超过3 000万元。特别是在2008年初，西海南路、大坦沙污水处理厂、广州市第一中学大坦沙校区接连发生了数起地面塌陷地质灾害，造成了较大的经济损失和严重的社会影响。目前不同的工程施工单位和研究机构已经在岛内的不同位置进行了岩溶塌陷的发育特征调查及相关工程处置研究，但是缺乏对整个区域统一、系统的调查研究。因此，为了防治地质灾害，维护大坦沙地区的地质安全，保证经济可持续发展，需要对大坦沙地区的地质灾害进行综合勘查，对该地区地质环境尤其是岩溶塌陷发育特征做出全面的评估。为此，本研究通过大量的物探、钻探、野外水文试验和地下水及地面沉降监测、室内工程力学及岩石化学相关试验，并结合室内资料的整理和综合分析，查明了岛上的地质环境条件和岩溶塌陷地质灾害的诱发因素，分析了岛上岩溶塌陷的形成机理，进而提出地质灾害的防治措施，为大坦沙岛的规划、建设提供地质科学依据和技术保障。

1 大坦沙岛自然地理与地质环境条件

大坦沙岛位于广州市荔湾区，是珠江前航道的第一大岛(见图1)，面积约3.48 km，属亚热带季风气候区，年平均气温为21.4～21.7℃，雨量充沛，广州市多年(1970～2019年)平均降雨量为1 801.2 mm。大坦沙岛周边被珠江水系环绕，岛内河渠纵横交错，鱼塘星罗棋布；岛上分布有4条主要河涌，分别为沙坦涌、西郊涌、河沙涌和坦尾涌，它们相互连接形成“七”字型，河涌水与珠江水相通。发达的河网水系和星罗棋布的鱼塘为地表水的汇集和地下水的补给提供了充分条件。

1.松散岩类孔隙水;2.覆盖型碳酸盐岩类岩溶裂隙水;3.覆盖型层状岩类裂隙水;4.覆盖型块状岩类裂隙水;5.白垩系大塱山组第三段;6.白垩系大塱山组第二段;7.白垩系大塱山组第一段;8.石炭系石磴子组;9.花岗闪长岩;10.辉绿玢岩;11.推测不整合界线;12.推测地质界线;13.隐伏断裂(Ⅰ级);14.隐伏断裂(Ⅱ级);15.隐伏断裂(Ⅲ级);16.观测钻孔;17.地层产状;18.剖面线及编号

图2 广州市荔湾区大坦沙岛地质剖面图

大坦沙岛区内的北东及北西向断裂构造发育，北东向的有F1、F2、F3、F4、F5、F6和F7断层等，北西向的有F8、F9、F10、F11和F12断层等(见图1)，断裂带岩性为构造角砾岩、碎裂岩，破碎强烈，固结差，较松散，是地下水流动的良好通道。大坦沙岛地形低平，天然条件下水力坡度小，地下水运移缓慢，松散岩类孔隙水的运动方向总体由北向南，而北东向、北西向发育的断裂以张性为主，与岩溶裂隙相关连而形成强径流带，其内岩溶裂隙溶洞水自北东向南西径流。地下水的监测资料表明，第四系含水砂层内的孔隙水与下伏灰岩岩溶裂隙水的连通性较好，这也是区内岩溶及岩溶塌陷形成的一个重要条件。

2 大坦沙岛岩溶发育特征

本文综合钻孔资料和室外及室内相关试验等研究发现，大坦沙岛隐伏岩溶的空间分布与结构特征具有如下规律：

(1) 岛上岩溶为覆盖型岩溶，埋藏较浅，覆盖层为第四系冲淤积层或冲洪积层，且多与砂层直接接触，溶洞顶板厚度不大，多为0.2～2.2 m，溶洞常呈不规则状多层结构，岩溶最为发育的第一层溶洞洞顶埋藏深度大约为地面之下15～30 m间[见图3(a)和图4(b)]，因为埋藏较浅，更易受到地下水水位动态变化的影响，同时因为顶板厚度不大，易受到地表工程建设的影响。

(2) 岛上质纯层厚的石炭系石磴子组灰岩岩溶发育强烈，溶洞见洞率为52.1%，岩溶率为24.6%，呈现出一定的规模。白垩系大塱山组一段地层灰质砾岩岩溶中等发育，溶洞见洞率为40.38%，岩溶率为31.9%；白垩系大塱山组三段和二段地层不纯的钙质粉砂岩及灰质砾岩等岩溶弱发育，见洞率分别为7.32%和14.06%，岩溶率分别为6.08%和11.4%，呈零星分布。同时，在不同岩性接触面及其附近、断层位置，地下水活动的交替作用强烈，易形成岩溶强发育带，因而岩溶较发育(见图3)。

(3) 岛上岩溶平面呈带状分布特征，与岩层走向基本一致。石炭系石磴子组灰岩中溶洞多呈北东向串珠状分布，溶洞规模较大，钻孔见洞率较高；白垩系大塱山组底部灰质砾岩呈厚层状，其中砾石成分以灰岩为主，溶蚀作用强烈，溶洞发育，钻孔见洞率较高[见图3(b)]。

1.白垩系大塱山组第三段;2.白垩系大塱山组第二段;3.白垩系大塱山组第一段;4.石炭系石磴子组;5.花岗闪长岩;6.辉绿玢岩;7.推测不整合界线;8.推测地质界线;9.隐伏断裂(Ⅰ级);10.隐伏断裂(Ⅱ级);11.隐伏断裂(Ⅲ级);12.见溶洞厚度为0.2～1.2 m;13.见溶洞厚度为1.2～2.7 m;14.见溶洞厚度为2.7～4.5 m;15.见溶洞厚度为4.5～7 m;16.见溶洞厚度为7～15.35 m

(4) 岛上可溶岩的地下溶洞发育规模大小不一，且可溶岩地层内的微细溶孔、溶蚀裂隙发育。其中，洞高小于0.5 m的溶洞占溶洞总数的39.32%，洞高0.5～1.0 m之间的溶洞占比为23.07%，且整体以小溶洞为主[见图4(a)]。岩溶沿垂直方向-5～-45 m高程间较发育，随埋深的增加，岩溶发育程度明显减弱[见图4(b)]。

图4 广州市荔湾区大坦沙岛不同规模的溶洞发育特征统计和地层深度与岩溶率的关系曲线

3 大坦沙岛岩溶塌陷地质灾害分布特征

大坦沙岛发生岩溶塌陷地质灾害时，常伴生有明显的地面沉降。自2003年9月至2009年7月，大坦沙岛累计发生岩溶塌陷32处，伴生地面沉降10处。统计分析结果显示：大坦沙岛石炭系石磴子组内分布有20处岩溶塌陷；白垩系大塱山组与石炭系石磴子组不整合接触带附近分布有7处岩溶塌陷；白垩系大塱山组内零星分布有5处岩溶塌陷。岩溶塌陷主要分布于广州市第一中学大坦沙校区球场东部和图书馆区域、坦尾村西海南路东侧、桥中路、大坦沙污水处理厂正门外至桥中南路东侧路面一带(见图5)，主要位于石炭系石磴子组内以及白垩系大塱山组与石炭系石磴子组不整合接触带附近，明显受大坦沙岛地层及岩性的控制。同时，在白垩系大塱山组二段分布区也有一些岩溶塌陷发生，说明尽管该岩层中可溶岩岩溶率不高，但因为处于地下水径流比较强烈的断层附近，也会造成岩溶塌陷。

1.白垩系大塱山组第三段;2.白垩系大塱山组第二段;3.白垩系大塱山组第一段;4.石炭系石磴子组;5.花岗闪长岩;6.辉绿玢岩;7.推测不整合界线;8.推测地质界线;9.隐伏断裂(Ⅰ级);10.隐伏断裂(Ⅱ级);11.隐伏断裂(Ⅲ级);12.岩溶塌陷及编号；13.地面沉降及编号；14.揭露3个溶洞(或以上)；15.揭露1～2个溶洞；16.揭露3个土洞(或以上)；17.揭露1～2个土洞

同时，分析发现大坦沙岛岩溶塌陷活动与地下水水位动态变化之间具有非常大的相关性(见图6)，特别是近两年大坦沙岛内因工程施工抽排地下水造成岛内地下水水位大幅下降，导致岩溶塌陷和地面沉降呈集中发生的状态。2003年至2007年期间，地下水水位变化不大，每年仅发生1～2次岩溶塌陷地质灾害；但自2006年后，岛上大型地下工程施工增多，抽排地下水活动增加；2008年1月之后，地下水水位处于低位，岩溶塌陷频繁发生，累计形成26处岩溶塌陷，并伴生多处地面沉降，其中2008年1～2月，由于区内地下工程施工时抽排地下水，ZK3监测孔地下水水位降至标高1.50～1.88 m，大坦沙岛西南部在约10万m范围内连续发生6处岩溶塌陷和5处地面沉降，随后暂停区内地下工程施工，至2008年2日18日ZK3监测孔地下水水位逐渐恢复至标高4.10 m左右，此间未发生岩溶地面塌陷；2008年9月，区内地下工程恢复施工，ZK3监测孔地下水水位又开始缓慢下降，至11月3日，ZK3监测孔地下水水位已降至标高1.72 m，降幅达2.38 m，2008年11月4日在桥中路西郊五社工业区先后发生多处地面塌陷，这与区内地下工程施工抽排地下水的时间较吻合；2009年以来，地下水水位总体仍继续缓慢下降，至5月地下水水位标高已降到-0.12 m，2009年3～7月间已发生7处岩溶地面塌陷并伴生5处地面变形地质灾害(见图6)。由此可见，地下水水位动态变化过大时，岩溶塌陷活动更加频繁。

图6 大坦沙岛岩溶塌陷活动与ZK3监测孔地下水水位变化的关系图

4 岩溶塌陷形成原因分析

一般而言，岩溶塌陷的孕育、形成、发生及消亡的演变过程，实际上就是土洞(或溶洞)的形成、发展及破坏的过程。从整体上看，大坦沙岛岩溶塌陷的形成是大坦沙岛特殊的自然地理与地质环境和人类工程活动长期相互作用的结果。

4.1 地质环境背景影响

根据岛上岩溶塌陷的形成过程和分布特征，结合大坦沙岛岩溶塌陷勘查资料，可以认为岛上特殊的地质环境是岩溶塌陷形成的基础地质因素，其主要受覆盖层土洞发育特征、隐伏岩溶发育程度、溶洞发育特征以及地下水动态演变特征等因素的控制。

(1) 岛上岩溶塌陷分布范围内隐伏岩溶的覆盖层均为第四系双层和多层结构土体，其中河流冲洪积粉土及中粗砂的结构松散、透水性好；隐伏可溶岩为石炭系石磴子组灰岩，岩溶发育强烈，溶洞分布广泛，灰岩顶面溶沟、溶隙等岩溶现象发育，特别是断裂破碎带附近的岩溶发育程度更高。它们共同构成了良好的地下水渗流通道和地下水储存空间。

(2) 岛上地势平缓，四面环江，其内的岩溶地下水补给来源为第四系潜水，地下水径流以垂直循环为主，岩溶裂隙水、第四系潜水和江水三者之间的水力联系密切，具备形成岩溶塌陷的地下水动力环境。

(3) 土洞在岛上隐伏岩溶地段覆盖层土体内很常见，由其产生的岩溶塌陷将影响地基及覆盖层土体的稳定性。就岛上的岩溶塌陷地质灾害而言，绝大部份都是土洞扩展致塌而成。

4.2 人类工程活动影响

大坦沙岛岩溶塌陷勘查和监控资料表明，岛内工程建设抽排地下水活动、地面振动和基础工程施工机械贯穿隔水层这两种主要人类工程活动与岩溶塌陷发育特征密切相关，它们是大坦沙岛岩溶塌陷活动的直接诱发因素。从2003年至今，抽排地下水活动引发的岩溶塌陷多达11处，抽排地下水活动和载重车辆辗压共同作用引发的岩溶塌陷7处，钻探施工引发的岩溶塌陷7处，冲孔桩基础工程施工引发的岩溶塌陷3处，车辆辗压振动和地下工程施工引发的岩溶塌陷各1处。

4.2.1 工程建设抽排地下水活动

岛内地下水动态演变过程主要受工程建设基坑施工及其他地下工程施工抽排地下水活动的控制，具体表现为地下水水位升降引起地下水的流速、流量和水力坡降的变化，进而导致岩溶塌陷。例如：2008年1月22—23日大坦沙岛西海南路附近的岩溶塌陷(DT7、DT8、DT9、DT11)、西郊路西北侧空地的岩溶塌陷(DT10)以及地铁6号线大坦沙站主井口西部外侧的岩溶塌陷(DT12)；2008年11月4日桥中中路附近的地面塌陷(DT14和DT15)；2009年7月27日桥中中路西侧的岩溶塌陷(DT32)等，这些岩溶塌陷都是因工程建设抽排地下水活动引发。工程建设抽排地下水活动引发岩溶塌陷主要表现为以下几个方面：

(1) 地下水水位变化改变土的重度：土的重度随含水量的增大而增大，土的重度突然增大，塌陷体重量随之增加，自重效应引起隐伏岩溶发育地带土洞拱顶的垮塌。

(2) 地下水水位波动改变覆盖层土体结构：岛上白垩系大塱山组地层广泛分布，特别是当强风化土层的含水量增加时易产生膨胀，而干燥时收缩，并随之出现垂直裂隙，土体被切割，土体的抗剪强度降低，其抵抗渗透变形及塌陷的能力也随之下降，导致土洞的稳定性降低，容易产生土洞塌陷。

(3) 地下水水位下降的失托增荷：当岛内抽排地下水的强度大，岩溶地下水水位呈明显的下降状态时，其对覆盖层土体或土洞顶板的浮托力发生消减，进而使隐伏岩溶地段的覆盖层或土洞顶板的稳定性变差，最终导致地下水水位埋深浅、覆盖层土体松软且厚度较薄的土洞部位的地面直接产生沉降和塌陷。

(4) 地下水渗透的潜蚀作用：岛内地下水水位的下降，使地下水的坡降和流速增大，动水压力增强，从而对岩溶洞隙通道内的松散充填物和覆盖层土体产生侧向潜蚀、冲刷和淘空作用，使土洞不断向上扩展而导致岩溶塌陷。岛内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浊状态，且泥沙含量高，说明地下水的潜蚀作用强烈，致使岛内岩溶塌陷的形成过程呈现出短暂、快速的特点。

(5) 地下水水位波动的崩解作用：由于岛上白垩系大塱山组泥岩和砾岩的强风化层普遍含有蒙脱石、伊利石和高岭土等亲水矿物，地下水对强风化土体易产生崩解作用。同时，由于溶洞、溶隙开口处的地下水反复升降，对覆盖层土体产生浮托力的反复增减，加之溶蚀和失水的循环往复作用，使得覆盖层底部及裂隙密集部位的土体遭受崩解、剥落，促使土洞向上扩展，顶板进一步变薄，最终垮塌，导致地面形成塌陷。

4.2.2 人为振动和机械贯穿作用

由于近年来工程建设活动规模的扩大和强度的增加，大坦沙岛长期受到爆破、车辆辗压、机械振动和建筑基础工程施工等地面的人为振动作用，这些都可能诱发土洞产生塌陷，最终使覆盖层内土体结构受到破坏，土体抗剪强度降低，造成土体抗塌力减小，从而改变覆盖层内土体的力学平衡状态。当土洞处于极限平衡状态时，地面振动加载极易造成土洞顶板的失稳破坏，进而导致地面塌陷。

对岛上的岩溶塌陷地质灾害而言，机械贯穿作用主要有两种类型：建筑物基础工程施工和各种地质勘探工程施工。这两种类型的工程施工活动直接破坏了覆盖层内土体地下洞穴的隔水顶板，贯穿了地表水和地下水之间的联系通道，引发砂层内的砂土急剧渗漏下泻到下部的洞穴内，从而引发岩溶塌陷。这种岩溶塌陷地质灾害的形成过程十分迅速，危险性大，灾情严重。例如：2003年9月11日广州市荔湾区桥中街桥中收费站附近的岩溶塌陷(DT1)；2004年8月23日荔湾区大坦沙桥中街和坦尾街交叉口的岩溶塌陷(DT2)；2005年11月7日广州市地铁5号线大坦沙高架段(试验段)工地的岩溶塌陷(DT3);2006年1月7日广州市地铁5号线大坦沙坦尾工地的岩溶塌陷(DT4)和2009年4月19日桥中街西海南路15号路面的岩溶塌陷(DT27)。这些都是由典型的冲孔桩基础施工、车辆辗压、机械振动引起的。而2009年2月16日桥中中路泮塘鸽天地大排档前的岩溶塌陷(DT19)、2009年3月1日桥中中路中华液晶城筹建处西侧的地面塌陷(DT20)、2009年6月25日至7月3日桥中中路东侧沥教涌以北空地的3次岩溶塌陷(DT29～DT31)均为钻探施工直接引发。可见，人为振动和机械贯穿作用亦是大坦沙岛发生岩溶塌陷不可忽视的原因。

5 岩溶塌陷的防治对策

根据大坦沙岛岩溶发育调查和岩溶塌陷的机理分析，大坦沙岛岩溶塌陷的防治应坚持“预防为主，治理为辅，防治结合”的原则，其中重点是预防为主，强调在岩溶塌陷发生前采取切实可行的措施减少或避免抽排地下水等人类工程活动的影响，以防止岩溶塌陷的发生。

在进行工程建设活动之前，要加强建设工程的地质勘察工作，当场地存在浅层土洞或溶洞群发育、抽水降落漏斗中最低动水位低于岩土交界面的地段可判为工程不利地段，并利用全球卫星定位系统、遥测仪等技术对这些地段开展变形监测、预报，以便在地质灾害发生前能及时报警。

由于大坦沙岛一带的岩性、溶洞、地质、水文地质条件复杂，采用单一的防治方法往往收不到理想的治理效果，必须要查明岩溶塌陷或潜在塌陷的规模大小及空间分布特征，分析引起岩溶塌陷的主导控制因素，并根据实际情况进行综合整治。针对深度较浅、范围较小的岩溶塌陷，当对建筑物危害不大时，只需对岩溶塌陷进行回填夯实即可；对于一般的多层建筑，当塌陷坑、隐伏土洞、溶洞规模不大时，可采用回填或灌浆封堵以及跨越法等综合治理；针对深度较深、范围较大的大规模岩溶塌陷或隐伏土洞、溶洞等，当对建筑物危害较大时，则需采用回填封堵、压力灌浆、钢管桩穿越以及地表水疏、排、围、改等方法进行综合治理。

6 结论与建议

(1) 通过地质灾害综合勘查，基本查明了大坦沙岛的地质环境条件。大坦沙岛第四系中砂层普遍分布，土体结构松散、透水性好；第四系覆盖之下地层中的石磴子组灰岩及大塱山组底部灰质砾岩广泛分布，其中岩溶裂隙、溶洞发育且连通性较好，它们共同构成了良好的地下水渗流通道和储存空间。同时岛上断裂带及伴生的裂隙切割地层，形成地下水渗流运移的良好通道。

(2) 岛上隐伏岩溶地段覆盖层土体内土洞普遍存在，而目前的岩溶塌陷均是土洞扩展致塌而成。同时，隐伏的石炭系石磴子组灰岩和白垩系大塱山组一段灰质砾岩中溶洞极发育，在地下水水位动态变化的影响下，最终形成岩溶塌陷。目前大坦沙岛的岩溶塌陷和钻孔揭露岩溶主要分布于中部的石炭系石磴子组灰岩和北部的白垩系大塱山组底部灰质砾岩分布区内以及不同岩性接触面和断层附近。

(3) 岛内工程建设抽排地下水活动、地面振动及基础工程施工机械贯穿隔水层这两种主要人类工程活动是大坦沙岛岩溶塌陷的直接诱发因素。

(4) 针对大坦沙岛岩溶塌陷地质灾害，要加强工程建设活动之前的地质勘查工作和施工过程中地面变形、地下水变化的监测预警工作，并减少抽排水量，防止大面积地下水水位陡降引发或加剧岩溶塌陷地质灾害，同时要根据实际情况对岩溶塌陷进行综合整治。