广州大坦沙岩溶塌陷区域覆盖层特征研究

黄剑宇，黄佳铭

（广州市城市规划勘测设计研究院 广州510060）

0 引言

广州岩溶地面塌陷主要分布于西北部地区广花盆地［1］，大坦沙为典型岩溶塌陷区。近年，随着高强度地铁、基础工程建设等人为活动的影响［2］，大坦沙西海南路、桥中中路等地段相继发生多起岩溶地面塌陷地质灾害［3］，造成周边停电停水、交通堵塞、房屋开裂，影响附近居民正常生活，威胁居民的生命财产安全。同时，由于岩溶发育的影响，提高了地基、支护等工程的成本［4～7］，制约了地区社会经济发展。岩溶地面塌陷的影响因素有很多，刘江龙等人［1，2］认为复杂的地质环境、多雨的气候背景、活动的断裂构造、广布的淤泥质地层、剧烈的人类活动孕育了地面塌陷的出现；郑小战等人［3］提出覆盖型灰岩是引起岩溶塌陷的主要物质基础，断裂切割岩石破碎，加剧地下水的活动，促使塌陷的形成；苏扣林等人［8］认为地下水位下降是岩溶地面塌陷的主导因素；雷金山等人［9］分析了覆盖层特征、岩溶发育程度、气候条件、地下水活动、人类工程活动对岩溶塌陷的影响；骆荣等人［10］指出石灰岩地区采石场矿坑会直接诱发岩溶地面塌陷。

根据现有的勘察地质钻孔资料以及近年大坦沙地区岩溶地面塌陷的分布，着重从覆盖层的结构、厚度、底层土层特性方面分析覆盖层对岩溶塌陷的影响。

1 岩溶发育特征

广州地区岩溶以覆盖型岩溶为主，岩溶发育形态以溶洞与土洞最为常见，其中土洞是溶洞发育的伴生物，也是塌陷形成的主要基础条件之一。

大坦沙地区钻孔揭露地层有下石炭系石磴子组、白垩系上统大塱山组（见图1）。石磴子组沿珠江西桥往北东、西海南路至珠江桥、桥中路均有揭露，岩性为浅灰及灰黑色中厚层状灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩，岩溶作用强烈，溶洞极其发育。大塱山组在大坦沙岛普遍隐伏分布，岩性为灰紫或暗紫红色粉砂岩、细砂岩夹砂砾岩和灰黑、深灰色钙质泥岩及泥灰岩、白云质灰岩等。第四系松散沉积物区内广泛分布，属三角洲平原沉积。

岩溶分布平面上总体呈带状分布，与岩层走向基本一致，石磴子组灰岩呈中厚层状，少夹泥页岩，岩层呈北北东向或北东向条带状展布，岩层倾角40°～60°，灰岩中溶洞也多呈北东向串珠状展布，溶洞规模较大，钻孔见洞率高，为岩溶强发育区；大塱山组底部灰质砾岩呈厚层状，其中砾石成份以灰岩砾石为主，钙质胶结，其溶蚀作用强烈，溶洞发育不均匀，在大坦沙北部与中部区域，钻孔见洞率较高，在东部及南部区域，溶洞见洞率明显减小。根据郑小战等人［3］的研究，该地区小于0.5 m 的溶洞占溶洞总数的39.32%，0.5～1.0 m 之间的占23.08%，以小溶洞为主，溶洞的顶板灰岩厚度普遍不大，以0.2～2.2 m 居多。部分溶洞与上覆土洞连通。溶洞埋深较浅时，多为半充填或完全充填，填充物多为砂、淤泥、黏土，埋深较深时多为无充填或半充填，全充填的溶洞少。垂直方向上岩溶主要在-5～-45 m 水平标高较发育，并随深度的增加，岩溶发育程度明显减弱。岛内小型断裂呈网状分布，且分布有北东向小型向斜，轴部沿该岛南北中轴线穿过，地层产状平缓。在断裂与褶皱共同切割下，基岩十分破碎，溶土洞发育强烈，且分布走向与褶皱走向一致，呈典型的北东向，溶（土）洞集中分布在断裂带两侧100～200 m范围内。

在大坦沙西南部、中部及北部一带，均发现土洞，洞高0.5～4.3 m 不等。钻孔揭露溶（土）洞水平分布及近年塌陷点分布情况如图1 所示，岩溶塌陷区典型地质断面如图2所示。

图1 大坦沙岩溶及塌陷点分布Fig.1 The Distribution of the Karst and Collapse in Dadansha

图2 大坦沙典型断面Fig.2 Typical Section of Dadansha

2 覆盖层特征

2.1 广州地区常见岩溶覆盖层结构

广州地区受构造运动、海进海退、风化等作用的影响，发育厚层第四系土层及全强风化岩。由于地质环境的不同，石灰岩、碎屑岩等可溶岩地区上覆盖层结构存在较大的差异性，不同类型的覆盖层对岩溶塌陷形成的影响也不一样。依据岩土层在垂直方向上的不同组合，可将广州地区可溶岩覆盖层结构分为以下几种类型：

⑴下黏上砂二元或多元结构

覆盖层下部为黏性土、上部为砂土的二元结构（见图3a）；下部为黏性土、上部为砂土与黏性土交替出现的多元结构（见图3b），是广州市最为常见的覆盖层结构类型，也是塌陷点发生最多的区域。由于可溶岩面上覆有一层厚度较为稳定的黏性土，土的内部粘聚力较大，易形成土洞，且具有一定的稳定性，随着土洞规模的不断扩大，直到发展至与砂层接触面附近，砂层发生扰动破坏，在自重和各种触发因素作用下发生地面塌陷。该类塌陷发育主要特征是土洞发育时间长，规模大，破坏时间短，突发性强，破坏的临界点位于土洞洞顶黏性土与砂土层的接触带上。

图3 下黏上砂结构示意图Fig.3 Structural Diagram of the Sand Structure

⑵类砂土单一结构类型

覆盖层为单一结构的砂土或粉土，厚度较大，局部夹有薄层透镜体的黏性土层（见图4）。由于砂土缺少粘聚力，不易形成土洞，地下水位波动造成的砂层流失和扰动破坏会直接传递到砂层顶部，随着抽水过程直接向上不断扩大，上覆砂土层在自重和各种触发因素作用下发生地面塌陷。该类塌陷发育主要特征就是基本不存在土洞发育时间段，需要发展的时间短，规模小，随着抽水或水位波动的不断进行，在触发因素的作用下立刻发生破坏，该种结构的塌陷模式破坏性小，规模小，其分布面积小。

图4 类砂土单一结构示意图Fig.4 Structural Diagram Single Structure of Sand-like Soil

⑶下砂上黏多元结构

覆盖层下部是砂土、上层为黏性土与砂土互层（见图5），土洞的发育与砂土单一结构模式类似，但是在砂层上方发育有一定厚度的黏性土，当下方砂层流失到一定程度时，上方黏性土出现变形下陷，起到一定的缓冲作用。该类型地面塌陷的形成常伴随地面沉降的发生。地面沉降发展的时间较长，规模小～中等，破坏性较弱。分布面积较大，次于下黏上砂二元或多元结构类型。

图5 下黏上砂多元结构示意图Fig.5 Structural Diagram the Multiple Structure of Lower Clay and Upper Sand

⑷类黏性土单一结构

覆盖层为单一结构的黏性土（见图6），一般为单层或多层黏性土组成，底部多为残积土或坚硬土状全强风化岩，上部为冲洪积黏性土，局部夹有薄层透镜体淤泥与淤泥质土、砂土等。土洞多在底部残积土中发育，自然状态下处于稳定状态。全强风化岩层中受地下水潜蚀作用，由于其自身易软化崩解的特性，会形成少数土洞，但形成时间较长。该类型一般不易发生塌陷，但在极端情况下，如遇大量的抽排地下水、施工机械冲振破坏等情况，会加速土洞的形成。由于底部土层状态较好，土洞发育规模一般较大，当土洞达到临界值破坏，会发生大规模的塌陷。

图6 类黏性土单一结构示意图Fig.6 Structural Diagram of Single Structure of Cohesive Soil

2.2 覆盖层结构类型致塌特点分析

下黏上砂二元或多元结构最容易致塌，该模式具备了土洞的发育空间与塌陷坑物质的流失基础，常造成大规模突发性塌陷，破坏性大；其次为类砂土单一模式，该模式具备塌陷坑物质流失的基础，但在基岩面上难以形成“砂洞”，发生塌陷的多为覆盖层砂土流失造成，规模小，破坏性相对较小；下砂上黏多元结构在覆盖层底部的砂层上存在黏性土层，其致塌原理与类砂单一结构模式类似，但由于上伏黏性土层会在底部砂土流失时起到一定的缓冲作用，该类型的易塌程度要弱于类砂土单一结构，常伴随地面沉降的发生；类黏性土单一结构易塌程度最弱，该结构在自然状态下难以形成塌陷，但其在极端状态下，如地下水长时间波动，会加速覆盖层底部土层土洞的发育，也会形成塌陷隐患。

2.3 大坦沙地区岩溶地面塌陷覆盖层特征

2.3.1 覆盖层结构

大坦沙地区覆盖层为第四系冲积层、残积土层及全强风化岩层，局部可溶岩与砂层直接接触。不同类型的土层结构致塌的特点不同、难易程度不同。

根据地面塌陷点的分布情况，发生岩溶地面塌陷区域的覆盖层结构多为下黏上砂多元结构，局部为下砂上黏多元结构，且砂层厚度大，普遍超过10 m，类砂土、类黏性土单一结构区域发生的塌陷较少（见图7）。

图7 大坦沙覆盖层结构分区Fig.7 Structural Zoning of Dadansha Overburden

2.3.2 覆盖层厚度

大坦沙地区岩溶塌陷区域覆盖层较厚，塌陷点多分布在覆盖层厚度20～30 m 之间，集中于20～25 m 之间，以分布普遍较厚的砂层为特征，砂层厚度一般在10.6～18.7 m之间（见图8）。

图8 大坦沙覆盖层厚度分区Fig.8 The Thickness Zoning of Dadansha Overburden

2.3.3 覆盖层底部土层状态

覆盖层底部土层状态决定了土洞发育的难易程度，而土洞是岩溶地面塌陷的重要形成因素之一，一定程度上也决定了塌陷的易发程度。

大坦沙地区岩溶塌陷区域覆盖层底部土层以黏性土为主，呈可塑、硬塑、坚硬状，局部为砂土（见图9）。黏性土的蒙脱石、伊利石和高岭土等亲水矿物成分高，在地下水的作用下容易产生软化崩解、散体剥落，有利于形成土洞并使土洞扩大，最终导致坍塌。

图9 大坦沙覆盖层底部土层状态分区Fig.9 The State of the Soil at the Bottom of Dadansha Overburden

3 结论

⑴广州地区可溶岩覆盖层结构可分为下黏上砂二元或多元结构、类砂土单一结构、下砂上黏多元结构与类黏性土单一结构，其中以下黏上砂二元或多元结构最容易致塌，类砂土单一结构、下砂上黏多元结构、类黏性土单一结构致塌性逐步减弱。

⑵大坦沙地区岩溶塌陷区覆盖层的结构、厚度与底部土层状态对岩溶塌陷的形成影响很大，有一定的规律性。盖层结构以下黏上砂多元结构为主，少数为下砂上黏多元结构，厚度大约在20～30 m 之间，底层土层以黏性土为主，呈可塑、硬塑、坚硬状，局部为砂土。