李慧娟， 陈梦源， 梁 川， 涂 婧

(湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

岩溶塌陷是制约武汉市经济社会高质量发展的主要地质环境问题之一[1-3]。近年来，随着武汉城市化进程的快速推进，因人类工程活动引发的岩溶塌陷越来越多[4-5]。钻探施工对岩溶地质环境影响较大，特别是在工程详勘阶段或桩基施工前进行的超前钻施工，由于钻孔布设密度极大，钻进深度基本揭穿碳酸盐岩岩溶发育层，因此极易诱发岩溶塌陷[6-7]。

2005年以来，武汉市长江一级阶地因钻探施工诱发的岩溶塌陷多达9次[8]，例如2013年毛坦港某小区所在地块因钻探施工诱发1处岩溶塌陷(3个塌陷坑)[9]。该塌陷区位于超前钻施工地段，造成工程停工和工期延期，因此分析钻探诱发岩溶塌陷的成因机制十分必要，可以为岩溶区工程施工部署提供超前依据。本次研究以毛坦港某小区岩溶塌陷为例，分析钻探施工诱发岩溶塌陷的形成机制和致塌模式，提出相应的防治措施，为今后合理安全施工和岩溶塌陷防治提供依据。

1 塌陷区地质概况

塌陷区位于武汉市洪山区青菱街道毛坦港(图1)，属长江一级阶地中后缘。该区具湖积冲积平原地貌，地形平坦开阔，地面标高18.6～21.0 m。该区属亚热带季风气候，雨量充沛，年降水量为1 100～1 450 mm，降水多集中于4—9月。

塌陷区在构造上位于新隆—豹子澥复式倒转向斜南翼，南翼轴面北倾，倾角60°～75°。区内出露地层主要为第四系全新统走马岭组冲积层(Qhzal)，总厚度20.8～27.4 m，具“上黏下砂”的河流相二元结构，上部为黏土、粉质黏土层，厚5.2～21.2 m，可塑—软塑，湿—饱和；下部为粉细砂层，厚0.7～13.9 m，稍密—中密，饱和。第四系之下隐伏石炭系—古近系地层。塌陷区位于埋藏型岩溶区和覆盖型岩溶区交界部位(图1)，下伏可溶岩主要为二叠系中统栖霞组灰岩，南侧和西侧主要分布白垩系上统—古近系下统公安寨组红砂岩。

1.隐伏白垩系上统—古近系下统公安寨组;2.隐伏三叠系下统大冶组；3.隐伏二叠系上统龙潭组—大隆组；4.隐伏二叠系中统栖霞组—孤峰组；5.隐伏石炭系上统大埔组—黄龙组；6.隐伏石炭系下统高骊山组—和州组；7.隐伏地层界线；8.岩溶塌陷点；9.施工钻孔及编号；10.收集钻孔及编号；11.等高线(m)图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch of the study area

区内主要含水层为第四系松散岩类孔隙承压水含水层和碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水层。孔隙水主要赋存于粉细砂层中，含水层厚1.0～9.7 m，地下水水位高程为10.3～19.2 m。岩溶水主要赋存于灰岩中的溶蚀裂隙及溶洞中，地下水水位高程为-3.59～5.75 m。粉细砂层与灰岩之间的局部地段发育厚0.7～4.0 m的公安寨组红砂岩，构成相对隔水层。区内地下水补给来源主要为长江汛期江水的侧向径流补给。上部孔隙水水位常年高于下部岩溶水水位，水头差20 m左右。岩溶水一方面接受上部孔隙水的补给(无相对隔水层地段，孔隙水直接径流补给岩溶水；有相对隔水层地段，孔隙水通过越流补给岩溶水)，另一方面接受邻区碎屑岩类裂隙水的侧向补给。

2 岩溶发育程度

塌陷区可溶岩为连续状纯碳酸盐岩，整体纯度较高，具含生物碎屑结构、微—中粗粒结构，由方解石(88%～100%)、白云石(0～7%)及少量生物碎屑(0～5%)组成。区内岩溶整体中等发育，溶蚀现象主要为溶孔、溶蚀裂隙和溶洞，平均线岩溶率7.94%，钻孔遇洞率37.5%。钻孔中揭露的溶洞洞高0.7～5.0 m，多分布于灰岩层顶板至向下一定深度范围内，溶洞顶板厚度为0.3～4.7 m。多数溶洞为全充填或半充填，少量为无充填，充填物为松散中粗砂夹软塑黏性土。

3 岩溶塌陷发育过程

1999年4月22日，毛坦港小学北东约50 m的村级公路处发生1处岩溶塌陷，陷坑面积250 m2，影响范围约400 m2，造成公路、水渠、农田毁坏，对京广铁路构成潜在威胁。该塌陷主要由上部孔隙水向下部岩溶水径流补给时产生的潜蚀渗压作用所诱发[10-11]。2012年在毛坦港小学塌陷区附近布设了2个地下水自动监测孔ZK1和ZK2(图1)。2013年3月10日，ZK1监测孔水位跳升5.26 m。经过现场巡视，发现该监测孔南侧约160 m的一处住宅工地正在进行详勘钻探施工，施工时间与水位剧烈波动时间相吻合，因此推测ZK1监测孔水位变动与此有关。分析原因认为，该区岩溶水为承压水，场区范围内多台钻机同时带水钻进，待钻至灰岩层顶部且连通岩溶裂隙后，钻探循环水压力迅速传导至岩溶水，导致ZK1监测孔水位出现大幅变化，但所幸未诱发岩溶塌陷。

2013年4月13日14：30、4月21日13：30、4月24日12：30，ZK1监测孔多次出现水位异常突变，最大水位变幅分别为3.68 m、9.46 m、7.01 m(表1)。相应地，4月14日—24日ZK1监测孔以西约190 m处先后发生了3处岩溶塌陷(图1，表2)，从西向东依次编号1#、2#、3#。塌陷坑平面呈椭圆状，剖面呈碟状，整体呈串珠状排列，走向约106°，间距分别为4.3 m、5.8 m。

表1 岩溶塌陷岩溶水水位异常统计表Table 1 Statistical table of karst water level anomaly of karst collapse

表2 岩溶塌陷坑特征Table 2 Characteristics of karst collapse pits

4 形成机制分析

4.1 岩溶塌陷形成条件

可溶岩地区发育的浅部岩溶是岩溶塌陷形成的空间基础[12-13]。塌陷区位于新隆—豹子澥复式倒转向斜南翼，碳酸盐岩地层层理发育，倾角较大，同时非可溶岩作为隔水底板有利于地下水滞留和径流，从而为岩溶发育创造了有利条件。受构造影响，塌陷区灰岩或上覆公安寨组红砂岩(厚度薄且较破碎)，或直接与第四系粉细砂层接触。灰岩浅部岩溶发育，岩溶形态主要有溶洞、溶隙和溶孔，为上覆第四系松散层的侧向、垂向潜蚀流失提供了运移通道和储存空间。

第四系松散土层是岩溶塌陷形成的物质基础[12-13]。塌陷区上覆土层为“上黏下砂”的二元结构，且土层厚度较薄(<30 m)。下部粉细砂层中黏粒含量较低，渗透系数大，粉细砂层自身稳定性差，临界水力坡降较小，地下水的垂向运动对粉细砂层破坏相对较强，砂土容易被地下水带走。上部黏性土层厚度较薄，强度较低，临界土洞破坏时的诱发作用强度不需很大即可导致黏性土层的破坏，从而出现地面塌陷。

强烈的地下水活动是岩溶塌陷形成的主要驱动力[12-13]。岩溶塌陷及塌陷程度主要取决于水动力条件的改变，即地下水的波动幅度和速度、水力坡降、水流速度等[13]。在物质基础条件既定的情况下，水力坡度越大、水力作用越强，塌陷越容易产生。根据颗粒分析试验和依斯托米纳模型试验经验曲线[13]，该区粉细砂层临界水力梯度Icr=0.78，粉细砂层厚度H=4 m，对应的临界水头差Δh=IcrH=3.12 m。计算结果表明地下水水位变幅超过3.12 m时，粉细砂层的渗透稳定性就会发生变化。而该区塌陷发生前ZK1监测孔观测到的最大水位变幅(3.68 m、9.46 m、7.01 m)均超出临界水头差，因此发生塌陷不可避免。

4.2 岩溶塌陷形成机制

塌陷区东南约200 m处的工地有多台钻机进行带水钻进作业，在钻探击穿无充填或半充填溶洞顶板瞬间，钻探循环水大量涌入，造成钻探循环水和第四系孔隙水向岩溶水渗透路径迅速减少，引发岩溶水水位突增，形成较大水头差(超出临界水力梯度对应的水头差)。该情况下水力梯度超过临界值，粉细砂层渗透稳定性被破坏，水流裹挟大量粉细砂层颗粒向溶洞运移。粉细砂层扰动带不断向两侧及上部扩展，形成扁球状土洞，继而失稳破坏，被上覆粉质黏土填充，从而在地表形成浅碟形的塌陷坑。另外，多台钻机施工时机械振动强度大，在一定程度上破坏了松散土层的稳定性，加剧上覆土层向溶洞流失的速度，加快了岩溶塌陷的形成。

综上所述，此次钻探施工诱发的岩溶塌陷属岩层顶板破坏—垂直渗压致塌模式[4]，其基本机理是钻探沟通了上下含水层的水力联系，使得地下水潜蚀渗流作用增强，上部松散土体随水流运移到碳酸盐岩空隙中，这是土洞形成和发展的根本。从岩溶塌陷的发生发展过程分析，岩溶塌陷形成演化过程大致分为四个阶段：

(1) 初始稳定阶段(图2-a)。孔隙水和岩溶水存在一定的水头差，孔隙水补给岩溶水，但是渗透坡降较小，砂土层处于相对稳定阶段。

(2) 钻孔揭穿灰岩顶板(人工扰动)阶段(图2-b)。钻探循环水大量涌入使孔隙水和岩溶水的水头差突然增大，在渗透力作用下，砂土层向溶洞运移，土洞发生垂向和横向拓展，逐步逼近土洞临界拱高。

(3) 塌陷形成发展阶段(图2-c、图2-d)。土洞上覆盖层已接近临界拱高，在地面荷载等压力作用下，土拱的致塌力超过抗塌力，从而发生土拱破坏，形成岩溶塌陷。

图2 岩溶塌陷形成过程图Fig.2 Formation process of karst collapse

5 防治措施

钻探施工诱发岩溶塌陷并不罕见，为减少此类岩溶塌陷的危害，需加强防治工作。根据本区钻探诱发岩溶塌陷的形成机制及致塌模式，提出以下防治措施建议：

(1) 在工程建设不适宜区内，对于已发生岩溶塌陷的地区，应根据塌陷特征及场地地层结构强度受塌陷影响的衰减程度，划分塌陷区、塌陷影响区及正常区，分区进行专项勘察。

(2) 在钻探施工前，全面分析已有地质资料，合理安排施钻顺序，尽量拉大钻探孔距。

(3) 在钻探过程中，增加造浆措施，做好砂土层的护壁，防止砂土流失，并时刻注意地表变形、地下水水位突变等岩溶塌陷发育征兆。

(4) 在钻探结束后，及时进行封孔，将孔径大小的木桩放入钻孔，利用钻具下至基岩面，封堵砂土层地下水与基岩裂隙水的联系；并尽快实施桩基作业，防止砂土随地下水进入基岩空隙，尽可能做到钻探结束一孔施工一桩。

6 结论

(1) 毛坦港某小区岩溶塌陷是长江一级阶地岩溶地区由钻探施工诱发的岩溶塌陷，属岩层顶板破坏—垂直渗压致塌模式，其形成发展主要经历初始稳定阶段、钻孔揭穿灰岩顶板(人工扰动)阶段、塌陷形成发展阶段三个过程。

(2) 在下伏碳酸盐岩岩溶发育且上覆盖层具“上黏下砂”二元结构的区域，进行钻探施工时可能破坏基岩与覆盖层的平衡条件及地下水动力条件，如果未采取及时有效的防护措施，极易引发岩溶塌陷。

(3) 对于钻探施工诱发的岩溶塌陷，应加强防治工作，重点采取钻探前合理布孔、钻探中加强护壁与监测、钻探后及时封孔并尽快实施桩基作业等措施。