深圳市某片区岩溶塌陷致塌成因分析及预防措施

蔡建斯，龚 鹏，任宏剑

(1.深圳市地质环境监测中心，广东 深圳 518034；2.深圳市易智博网络科技有限公司，广东 深圳 518000)

2019年12月5日，群测群防人员例行巡查时，发现龙岗区龙岗街道龙园路出现地面塌陷(沉陷)灾害(塌陷点1)， 面积约150 m2， 中心位置下沉约10 cm，造成龙园路路面直接经济损失约120万元。塌陷点1东南侧约150 m处的城市更新项目工地上， 出现一处塌陷坑(塌陷点2)，面积约200 m2，中心位置下沉约15 cm，且有明显的沉降裂缝，裂缝宽5～8 cm。隐患点1西北侧约250 m的龙岗河河床上，出现一处泥浆水喷发现象(塌陷点3)(图1)。岩溶塌陷险情的发生，威胁周边居民群众生命财产安全，当时立即启动应急调查和分析研究工作， 制定系列防治措施和治理方案， 有效指导完成岩溶塌陷险情恢复治理工作，消除安全隐患。通过全面总结本项目的工作经验，为后续岩溶区城市工程建设提供基础数据依据和防治措置建议。

图1 岩溶塌陷(沉陷)险情点分布图Fig.1 Distribution of dangerous points of karst collapse (subsidence)

1 区域地质背景

1.1 地形地貌

龙园路位于深圳龙岗区南联新市场东南侧，为冲洪积平原地貌，地形整体趋势两端低、中间高，局部受龙岗中心城和坪山区工程建设的影响，地形起伏小，地面标高在25～35 m之间。

1.2 地层岩石

根据《深圳地质》[1]及收集资料分析，该片区地层岩性较复杂。覆盖层主要为第四系人工填土层、全新统冲洪积层、晚更新统冲洪积层、残积层。下伏基岩为下石炭统大塘阶石磴子组灰岩和大塘阶测水组砂页岩。由老至新分别描述如下所述。

1) 下石炭统大塘阶石磴子组(C1s)：浅海相碳酸盐岩，灰、深灰色结晶灰岩，多已变质为灰白色大理岩、白云质大理岩，厚度>340 m，在龙岗河中部分出露于地表。

2) 下石炭统大塘阶测水组(C1c)：为海陆交互相含炭质碎屑岩建造；下段为灰色、深灰色、灰黑色炭质泥质页岩、粉砂岩夹细砂岩等；上段为浅灰-深灰色石英砂岩、石英砂砾岩夹黑色炭质页岩、粉砂岩，厚度>1 120 m，与石磴子组灰岩呈整合接触，主要分布于低山丘陵地貌区。

3) 第四系晚更新统(Q3)坡积、坡洪积，局部为河湖淤积层：分布于河流沟谷中上游段，出露于山体边缘带。

4) 第四系全新统(Q4)河流冲积堆积层，下段底部为灰白色卵砾石，往上为黄、黄白色砾砂混黏土、顶部为粉砂质黏土；上段为褐黄色、黄色含泥砾砂、中细砂，往上渐变为含砂粉质黏土，顶部局部夹透镜状、团包状泥炭质黏土或泥炭土。

除以上地层外，区域内岩石分布有花岗岩体，分别为燕山期中粗粒、中粒斑状黑云母花岗岩和中细粒黑云母二长花岗岩。

1.3 区域构造

龙岗区位于紫金-惠阳凹褶断束中区域性的龙岗复式向斜北东段，为北东向五华-深圳大断裂切割，被花岗岩侵入体破坏，形成了区内复杂的地质构造背景(图2)。

图2 勘查区区域地质图Fig.2 Regional geological map of exploration area

龙岗向斜：向斜核部出露在龙岗南-嶂背一带[2]，轴向呈北东50°～60°反“S”形延展，长约20 km，其影响宽度3～5 km。核部由石炭系下统测水组第二段粉砂岩、粉细砂岩组成，两翼由石炭系下统测水组第一段粉砂岩、砾砂岩，石蹬子组大理岩、灰岩组成，向斜南东翼岩层出露较完整，产状较稳定，为北西300°，倾角30°～40°。北西翼岩层出露不全，总体倾向南东110°，倾角25°～60°。两侧发育有许多次一级小褶皱，形态复杂多样，常见倒转、平卧褶曲，一般呈紧密状，其轴与主体褶皱近于一致，少数斜交或垂直。由于受断裂切割、红层及第四系覆盖，花岗岩体吞噬，形态极不完整。

深圳断裂束是深圳断裂带的主体，由大致平行的企岭吓-九尾岭断裂组(以下简称“九尾岭断裂”)、横岗-罗湖断裂组、石井岭-田螺坑断裂组以及其间所夹持的断裂热变质带组成。各个断裂组均由若干断裂组成，自深圳水库往南西方向，有断裂数量逐渐增多和分散撒开的趋势。生成时期在晚侏罗世后，最新活动期为中更新世晚期。

勘查区内位于龙城断裂组(F1255)东侧，区域断裂构造——北西向的清林径断裂束之将军帽断裂(F3531)可能经过本区。清林径断裂束之将军帽断裂(F3531)特征：走向北西向320°，发育于下石炭统，市内长7 km，断裂破碎岩，硅化岩带发育，构造岩由褐铁矿化碎裂岩、硅化岩组成。

2 应急勘查

为查明岩溶地面塌陷(沉陷)现状及动态变化情况，分析岩溶地面塌陷(沉陷)动力条件，对勘查成果进行数字化，同步开展综合分析及系统研究工作，最终提出防治对策。

2.1 专项调查

收集并解译了勘查区及周边1∶1万遥感影像图14 km2，提取1∶5 000遥感信息，完成1∶5万区域水文地质调查5 km2。调查(疑似)岩溶塌陷地质灾害点6处、地质环境点和水文点20处、观测水位300余次，同时在南联市场、雅豪祥苑等居民区开展了地面和房屋开裂抽样调查、询问。

2.2 工程地质钻探

在勘查区及周边完成了钻孔98孔，总进尺3 551.24 m，其中，工程地质监测孔22孔(进尺1 117.68 m)、工程地质技术孔26孔(进尺1 313.9 m)、一般工程地质钻孔50孔(进尺1 000 m)；标准贯入试验198次，采取岩样83组，土样137件，水样26件，见溶洞钻孔27个，土洞钻孔6个。

2.3 岩土水试验

完成了各类试验283组件，包括岩样83组、土样137件、水样全分析9件、水样简分析10件、岩矿鉴定44件。为分析地层岩性、水文地质、工程地质和断裂构造提供了基础数据和资料。

3 成因分析

3.1 地质构造

勘查区基岩地层整体倾向为南东东向113°，倾角约30°，地处深圳断裂带西北部影响带，整体处于走向北东的龙城断裂组(F1252、 F1253、 F1255)和走向北西的清林径断裂组(F3521、 F3531)的影响范围，介于北东向龙城断裂组中F1255断裂北东侧延伸段和北西向将军帽断裂(F3531)南西侧延伸段的交汇处， 推测受区域断裂带影响(图3)， 勘查区范围内断层较发育， 多处钻孔揭露碎裂大理岩和断层角砾岩。本次勘查揭露了三条断层， 其中， 北东向断层一条(F1)、 北西向断层两条(F2和F3)。

图3 勘查区受断裂影响程度分布图Fig.3 Distribution of the degree of influence of tectonic activity in the exploration area

北东向断层(F1)：为勘查区主断层，断层走向约为北东向60°，宽约110 m，在勘查区内的影响范围主要为龙岗河到龙河路沿岸，推测为龙城断裂组的延伸(图3)。其中在龙岗河沿岸，JCA04号钻、JCA05号钻孔周边构造发育最为强烈，其次为龙河路雅豪祥苑南门JCA14号钻孔附近，受断层活动的影响较为强烈，钻孔揭露的岩性表现为构造角砾岩(图4(a))和碎裂大理岩(图4(b))，岩石受构造应力作用明显，发育碎裂，或为破碎后重新结晶成岩，裂隙中常见铁质物质充填，在镜下可见方解石晶体明显的扭曲变形现象，构造角砾岩角砾大小不等，形态各异，但以棱角状、次棱角状为主，个别可见有磨圆，胶结物多为方解石，角砾缝隙中常见炭质和铁质充填。

图4 钻孔揭露的典型岩芯照Fig.4 Typical core photos revealed by drilling

北西向断层(F2和F3)：为勘查区内的次生断层，F2断层和F3断层走向平行，总体走向为北西向315°，两条断层宽度均为10 m左右，断裂最发育的区域为南联新市场东北角和西北角(JCA17钻孔、JCA24钻孔、JCA18钻孔、JCA41钻孔等揭露的区域)，其次为和昌4#工地内(JCA29钻孔、JCA40钻孔等揭露的区域)，另外雅豪祥苑南门(JCA14揭露的区域)受北西向与北东向两组断层共同作用影响，地下岩层破碎程度高。

碎裂大理岩和构造角砾岩的岩性特征分别描述如下：①构造角砾岩：青灰色，由深灰色、灰黑色灰岩角砾、白色大理岩角砾为主组成，角砾石呈挤压镶嵌状，部分角砾边、角有钝化或圆化，角砾间主要充填细碎的灰岩、大理岩屑，具有重结晶，断口见大量铁质充填(图4(c))；②碎裂大理岩：青灰色、浅肉红色，细粒变晶结构，块状构造，以青灰色为主色，含白色斑块的云纹状，白色斑为大理岩组成，受挤压产生拉伸、扭曲、磨圆、钝化等变形(图4(d))。

强烈的挤压构造变形作用，使断层破碎带及影响带是地下水运移的良好通道，从而为地下水溶蚀大理岩及灰岩提供了空间和通道。钻探揭露勘查区沿前述断裂带穿过地段的岩溶作用强烈且溶洞发育；基岩埋深也明显受到构造的控制，断裂构造对勘查区岩溶发育程度的影响较为密切。

3.2 水文地质条件

勘查区及周边均为可溶岩裂隙溶洞含水层分布区，爱构造影响岩层破碎，裂隙发育，为地下水的富集与径流提供了良好的空间和通道；同时紧邻区域地下水排泄基准面龙岗河，地下水补给、排泄及地下水位波动强烈。地下水的强烈径流和波动为岩溶的发育创造了良好的水文地质条件。钻探直接揭露勘查区内溶洞发育，且多为半充填溶洞，溶洞之间互相贯通使含水层水力联系密切，可在溶洞内呈管道流的状态。特别是北东向、北西向断裂通过地段岩溶发育，水力联系密切，水位波动传导快、影响远，因此，在该带上的局部水位波动可能引起较远地区的地面塌陷。

3.3 土洞发育特征

本次分析114个钻孔(含16个收集钻孔，进尺686.66 m)，发现有6个钻孔揭露土洞，土洞洞顶埋深在5.9～21.0 m之间，土洞发育规模一般较大，洞高在2.7 m(ZK12钻孔)～18.1 m(JCA34钻孔)之间，均为半充填或少量充填土洞，无全充填土洞。6个揭露土洞的钻孔中，JCA23钻孔、ZK08钻孔、ZK12钻孔、ZZK05钻孔位于龙园路，JCA34钻孔位于南联新市场的西南角，JCA40钻孔位于黄龙陂二巷西端。

通过分析获得以下几点认识：①土洞埋藏深度在5.9～21.0 m之间，土洞规模较大，洞高在2.7～18.1 m之间；②土洞多呈空洞或半充填状态，无全充填土洞。充填物以流塑～流动状软泥为主，夹含碎石粉质黏土、粉质黏土的土块；③土洞主要分布于残坡积含碎石粉质黏土或冲洪积粉质黏土、黏土中；土洞垂向上主要分布于基岩面附近，可能与溶洞相连通；④土洞与隐伏溶洞存在明显的伴生关系。隐伏溶洞与地下土洞的分布、规模存在明显的正相关，土洞发育地段基岩面附近溶洞一般都较发育，因此地下土洞也是岩溶作用的产物。

3.4 溶洞发育特征

勘查区揭露到的可溶岩基岩面起伏不平，高差变化较大，共有112个钻孔深度到达可溶岩，从基岩面等深图(图5(a))获知，可溶岩基岩面在南联新市场西侧南程路延伸线方向、黄龙陂一巷西南侧一带埋深较浅；JCA04-JCA34-JCA44线，基岩面高程东西两侧有明显的突变现象，东侧基岩面埋深明显较西侧大；龙园路南侧至和昌工地内，基岩面起伏不平。

图5 勘查区溶洞发育特征等值线图Fig.5 Isogram of karst cave development characteristics in exploration area

通过统计分析钻孔溶洞发现(图5(b))，有41个钻孔可见溶洞，见洞率为36.61%，总体分布在龙园路以北，南程路以东至龙岗河一带；共揭露溶洞92个，充填溶洞20个，占揭露溶洞总数的21.74%；半充填溶洞17个，占总数18.48%；其余55个以空洞为主，占59.78%。单孔见溶洞一般1～3层，部分钻孔达4～6层，单个溶洞最大8.0 m(JCA33钻孔)，JCA11钻孔有6层溶洞，总高度最大达17.1 m。

进一步分析钻孔溶洞的总高度，从钻孔溶洞高度等值线图(图5(c))可知，单孔总高小于5 m的溶洞在勘查区较广泛的发育，而单孔溶洞总高大于5 m的岩溶发育段主要集中在南程路、南联新市场、龙河路及黄龙陂一带，该区域内断裂发育，对应F1255断裂、F3531a断裂、F3531b断裂及断裂交汇部位，说明勘查区的断裂对岩溶的发育程度十分相关。最后，用单孔溶洞总高除以孔深为单孔线岩溶率，单孔线岩溶率等值线图(图5(d))也印证溶洞沿断裂带发育。

3.5 塌陷成因分析

综上分析，勘查区岩溶塌陷及河床突发承压泥浆水喷出主要有以下原因。

1) 勘查区为覆盖型可溶岩地区，地质构造发育，有北东向断裂和北西向断裂穿过勘查区，特别是北西向断裂通过和昌场地向北至龙岗河，沿断裂下伏可溶岩裂隙、溶洞发育，上部土洞发育，且溶洞及土洞多为空洞或半充填状，在勘查区形成复杂的承压地下水管流系统。

2) 勘查区可溶岩裂隙溶洞承压水的波动，使勘查区承压地下水管流系统好多溶洞、土洞产生真空负压作用或渗透潜蚀作用，打破该系统的天然平衡状态。

3) 在工程作用下，溶洞或土洞产生机械贯穿或释压，使可溶岩裂隙溶洞承压水水头成倍增加，从而将溶洞与龙岗河贯通，致使龙岗河泄水口的水头进一步降低，使该管流系统相连的土洞真空负压进一步增大，引发地面沉陷或塌陷。

4) 塌陷土洞释放的大量水体冲刷岩溶管道内的泥砂，使龙岗河泄水口涌冒泥水。

4 处置建议

1) 因地制宜处置勘查区土洞、溶洞：优先对溶洞总高大和线岩溶率高的地段采取灌注混凝土、注浆、垫层强夯等方法。既增加土体密实度、减小压缩性、提高土体的抗塌能力，又直接充填隐伏的土洞或浅埋的溶洞，消除产生塌陷的岩溶条件。

2) 最大限度控制地下水位的剧烈波动：由于勘查区地质环境条件十分脆弱，应最大限度地减少抽排地下水，保持地下水的自然平衡状态。若因城市开发建设需要，应制订合理的抽排水方案，经评审、报建和审批后方能实施，并在实施过程中加强检查、监督。

3) 加强对勘查区龙岗河段出水口的观测，科学评估后及时进行堵水处理，使勘查区岩溶地下水系统重新恢复天然平衡状态。

5 预防措施

1) 采用综合勘查手段，查明建成区地下岩溶塌陷发育条件和影响因素，建立岩溶地质三维可视化信息平台，为建成区地下空间开发利用提供分析条件。

2) 建立区域岩溶地质环境监测网，开展地下水动态及地面变形长期监测，为地质环境保护和岩溶地面塌陷地质灾害防治提供基础数据。

3) 建立对岩溶发育区内重大工程项目基础施工或地下轨道交通建设的抽排水、桩基施工等工作方案审查机制，最大限度减少人为抽排水破坏岩溶地下水系统平衡。

4) 建立岩溶塌陷监测预警和应急联动机制，及时根据监测网预警信息组织应急会商会议，适时启动应急预案和提升应急处置能力。