城市粉土地面塌陷的影响因素分析及成因研究*

顾展飞，李莲秀

（郑州航空工业管理学院，河南 郑州450046）

城市地面塌陷不仅会引发交通拥堵，有些还伴随着管线破裂对居民正常生活的影响、个人生命安全的威胁，造成了较大的社会负面影响。城市地面塌陷事故发生的诱因、预测及后续处理已成为城市发展过程中亟待解决的问题，也是集中研究的一个热点问题。目前，学者们对地面塌陷事故的研究更多偏向于岩溶塌陷，有关岩溶塌陷的形成机理、发育规律的研究比较成熟；伴随着管线渗漏、施工扰动等人为因素引起的城市地面塌陷事故日益增多，很多专家、学者开始将研究重点转移到城市地面塌陷中来。

地下水对地面塌陷的影响以及工程防渗加固方面，很多学者做了大量的研究和论述。王复明等[1-2]针对施工运行期间地下工程存在的突涌水与渗漏灾害，结合非水反应类高聚物注浆材料特性与技术特点，提出突涌水的膜袋封闭反压注浆与渗漏的导管注浆处治方案，适用于岩土及地下工程中局部渗漏及管涌的处治。Xu 等[3]等通过研究粉土和砂土结构，发现地下水的渗流和人为因素的灌溉等外部因素的影响，是导致粉土-砂土地区地面沉降和塌陷的主要原因。Ingo 等[4]等用地球物理和地球化学的方法，研究了粉土和粉砂混合组成地区的结合水和孔隙水在地层沉积和压实过程中可能在垂直方向上发生渗流现象。Chen 等[5]通过三轴压缩试验，研究了两种颗粒级配在土体内部管涌侵蚀过程中的变化状态，以及由于管涌内部发生侵蚀而导致细颗粒流失后土体应力-应变状态。Ke 等[6]通过室内一维渗流方向自下而上的管涌试验，研究细颗粒流失引起的土体抗剪强度的变化规律。结果表明细颗粒流失会导致土体孔隙率、渗透性的增加，土体抗剪强度降低。城市中地面塌陷主要经历土洞的形成、扩展及上覆土层的失稳破坏三个过程；土洞主要是由地下水产生的拉压作用与剪切作用形成，地下水对土洞的形成与扩展起着关键的作用[7]，同时，施工降水诱发的城市地面塌陷分为施工直接导致上覆地层失稳破坏形成的地面塌陷、施工导致地层中不良地质体破坏而形成的地面塌陷，以及施工导致管线渗漏水而引发的地面塌陷三类[8-9]。

在城市中地下管线密集的区域往往更容易发生渗漏事故，而这些区域往往也是人流量比较大的区域，这就使得地面塌陷造成的损失和后果也比较严重。随着城市建设的不断发展，城市地下管线不断增多，城市交通情况越来越复杂，而现阶段城市市政工程建设也在大规模推进，这就使得我们必须重视地面塌陷的问题，以保证广大群众的人身和财产安全，进而为社会和地区的高质量发展提供保障。

1 粉土地面塌陷的影响因素分析

粉土自身的物质构成处于砂土和黏性土之间，但粉粒含量很高，因此在工程特性上存在一定的差异。当粉土处于饱和状态下就容易发生土颗粒随水流动的现象，进而对地面的建（构）筑物造成一定的危害。当前通过研究发现，密实度为密实且湿度较低的粉土，具有更加良好的力学特性，在使用合理的振压并对其含水量进行一定的把控后，可以在达到相应压实度的同时满足工程对其力学特性的要求。而密度为稍密且处于饱和湿润状态下的粉土，更容易发生土颗粒随水流动的现象。导致粉土地面塌陷的原因主要为地下水水位的变化和地面荷载的影响。地面沉降、地面塌陷与地下水的动态变化正相关。下面主要从降水下渗、地下管线渗漏和工程施工影响三个方面对地下水位变化的影响和导致的地面塌陷的特性进行分析。

1.1 降水下渗对粉土地面塌陷影响分析

地面塌陷大多发生于汛期，而实际上如果只是单纯的降水，并不能导致地面塌陷。由降水导致的地面塌陷，在塌陷发生前，地下往往已经形成了较大的空洞，只有少部分降水导致的地面塌陷在发生前地下没有空洞，而此类事故也是在降水开始后，在较短的时间内在地下形成了一定的空洞，最终导致塌陷。粉土地面相对于其他地面在未受潮和受潮时物理性质的差异较大，在未受潮时粉土地面的强度较高，压缩性小，可以承载的荷载往往也更大，而一旦发生降雨，如果水分没有被及时排出，就很容易导致粉土软化，失去原有的承载能力，进而使得土体结构破坏，发生地面沉降甚至塌陷。而同时粉土在处于饱和状态下很容易发生土颗粒随着水流动，进而快速地破坏物理结构，在短时间内造成较大程度的地面沉降或地面塌陷。

降水作为地面发生塌陷的因素之一，和地下水水位变化的影响存在一定的差异，地下水水位大多影响较为深处的土层，发生变化大多直接或间接引起地表的沉降和塌陷，而雨水除了会对表面的土层造成影响以外，还会发生下渗对地下水位产生影响，进而自上而下共同影响地表，导致地面发生塌陷。在城市中雨水下渗往往会成为地面塌陷产生的直接原因，如在基坑施工中土未完全回填或者回填后未压实便开始下一步施工，又突发降雨最终使得地面发生塌陷。

1.2 地下管线渗漏对粉土地面塌陷的影响分析

管道下渗的方式和雨水下渗较为接近，但不同的是雨水在大城市中渗入的土地范围有限，且得益于城市成熟的排水系统，往往无法直接对土地造成较大影响。因此，雨水下渗以及雨水直接造成的影响大多作用于农村地区，而管道渗水则大多发生在较为发达的城镇地区。地下管线渗漏引起的地面塌陷大多发生在降雨较为密集的夏季，空间分布上大多发生在地下5m 以内。管道渗水造成最为直接的影响就是导致其周围的土质变得湿润或者达到饱和状态，在这样的情况下一旦土壤的水分排出速度低于水压力的上升速度，土壤就会发生软化现象，使自身的承载能力大大下降并出现变形，进而引发地面塌陷的问题。由管道渗水导致的地面塌陷具有突然性和较大的危害性，管道渗水往往渗出的水量较大，很容易导致土壤软化，其造成的坍塌范围和深度往往也较大。同时城市中由地下管道渗漏引起的地面路面塌陷往往具有很强的隐蔽性和突发性，容易对人民的生命财产安全造成较大损害。

隐蔽性是指由地下管道渗漏引起的地面发生塌陷前，表面并没有太大变化，以至于正常行驶的车辆和行人无法察觉到隐患，而实际上此时地下土体由于水体的冲刷，已经形成了较大的空洞。突发性则是指由于地下管道中水压往往较大，以致从地下管道发生渗漏到形成土体空洞，需要的时间往往较短，一般管道发生渗漏的情况下，只需要几个小时就可以形成较大的空洞。

1.3 施工对地下水的影响和其导致的地面塌陷的特性

在实际施工的过程中，当某工程需要大量抽排地下水时，就会在相应的区域发生地面沉降或者地面塌陷。在各类大型工程的施工过程中，往往需要大量抽排地下水，如果没有采取一定的防水隔水措施，很容易导致土壤水分变化，影响自身的物理性质，进而引发塌陷。在进行隧道施工时，因为施工点处于土体下方或抽排水量有时比较大，往往最容易引发沉降或塌陷，这类事故大多具有较强的破坏性，造成较大的经济损失甚至人员伤亡。而在基坑施工环节，可以发现地下水位在保持接近坑底的情况下最容易引发塌陷，除此之外地下水发生较为频繁的上升或下降时也会造成塌陷的发生。地下水水位的变化之所以会引起地面沉降和塌陷，其根本原因在于水自身对相应的地质条件所造成的影响，如当地下水位下降时，地下的粉土会失水而发生固结，进而导致土体失去托靠，以至发生地面沉降或塌陷，而如果地下水位快速上升，土中的水分排出速度低于水压力上升速度时，相应的土颗粒会随水流动，进而失去较大的承载能力，引发较大的沉降或塌陷发生。

2 粉土地面塌陷的防治对策

2.1 对地下水位动态变化进行实时监测

根据已发生的地面塌陷来看，地下水位在邻近不同地层接触面或者升降时最容易引发粉土地面的塌陷。因此，在相应的地区应加强对地下水位动态的监测，或者可以在地下水位发生变化时及时进行人工干预，以防止地面发生沉降或者塌陷。在地下水位监测的过程中，应该制定相应的预案，进而做到有情况发生时，有方案可依；同时在进行人工干预的过程中，不仅要针对现有的情况进行充分考量，还要对未知的情况进行分析，从而达到长期有用的效果，如在调整时对未来的天气进行预估，将未来天气的影响考虑在内等。

2.2 完善城市地下管线渗漏实时监测技术

在管道发生渗漏时，如果管道自身缺口未达到一定程度，这对于居民而言其用水或排水时受到的影响较小，这就导致工作人员在这种情况下无法及时察觉到管线发生了渗漏，这就可能导致管线在短时间内向外释放大量的水，最终在地面下方形成空洞，导致地面塌陷发生。针对这样的情况，应进一步完善管线渗漏实时监测手段，不能当事故发生时，相关人员才开始对其进行处理。当前想要检测管道是否发生渗漏，对管道内的水压进行监测是一种比较有效的方法，但该方法目前受到各种限制并未被广泛应用于地下管线渗漏检测中。针对这样的情况，我们应进一步加强对管线渗漏监测技术手段的研究，提升我们的监测能力，最终达到管道渗漏发生时可以实时监测到，及时进行抢修从而达到避免事故发生的目的。

2.3 对地下水位变化建立相应指标以加强防范

只对地下水位进行区域监测不能满足当前地面塌陷防治的需求，还应该采取一定的技术手段和相应较为完备的指标来进行多重监测。如当前还可以对原状土层的土样进行采集，并将其放到不同的土层中，在一段时间后观察其变化，来对不同土层的特性进行分析检验，进而评估地下水开采等各方面可能对土层造成的影响，最终使得地下水的开采和调节更加科学，避免对土层造成不良影响。除此之外，还可以对重点塌陷地区加强信息收集，通过收集区域的水资源、土资源资料和塌陷事故记录，建立起相应的信息模型，对该地区潜在的危险进行预估，进而可以采取更加科学的手段排除潜在危险。

3 结束语

伴随着城市建设的快速发展，城市道路出现功能复杂、交通量激增、车道受载增大、道路结构层中布设的繁杂市政管线等问题，造成城市塌陷灾害事故频繁发生。降水下渗、地下管线渗漏、市政工程施工影响已成为粉土地面塌陷最主要的影响因素，弄清各因素的影响及致灾机理，已成为城市粉土地面塌陷防治的先决条件和必要步骤。只有不断加强对地下水位的动态监测，以及完善城市管线渗漏检测技术，才能最大程度上解决城市地面塌陷这一问题。