城市粉土地面塌陷的影響因素分析及成因研究*

顧展飛，李蓮秀

（鄭州航空工業(yè)管理學院，河南 鄭州450046）

城市地面塌陷不僅會引發(fā)交通擁堵，有些還伴隨著管線破裂對居民正常生活的影響、個人生命安全的威脅，造成了較大的社會負面影響。城市地面塌陷事故發(fā)生的誘因、預測及后續(xù)處理已成為城市發(fā)展過程中亟待解決的問題，也是集中研究的一個熱點問題。目前，學者們對地面塌陷事故的研究更多偏向于巖溶塌陷，有關巖溶塌陷的形成機理、發(fā)育規(guī)律的研究比較成熟；伴隨著管線滲漏、施工擾動等人為因素引起的城市地面塌陷事故日益增多，很多專家、學者開始將研究重點轉(zhuǎn)移到城市地面塌陷中來。

地下水對地面塌陷的影響以及工程防滲加固方面，很多學者做了大量的研究和論述。王復明等[1-2]針對施工運行期間地下工程存在的突涌水與滲漏災害，結合非水反應類高聚物注漿材料特性與技術特點，提出突涌水的膜袋封閉反壓注漿與滲漏的導管注漿處治方案，適用于巖土及地下工程中局部滲漏及管涌的處治。Xu 等[3]等通過研究粉土和砂土結構，發(fā)現(xiàn)地下水的滲流和人為因素的灌溉等外部因素的影響，是導致粉土-砂土地區(qū)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學的方法，研究了粉土和粉砂混合組成地區(qū)的結合水和孔隙水在地層沉積和壓實過程中可能在垂直方向上發(fā)生滲流現(xiàn)象。Chen 等[5]通過三軸壓縮試驗，研究了兩種顆粒級配在土體內(nèi)部管涌侵蝕過程中的變化狀態(tài)，以及由于管涌內(nèi)部發(fā)生侵蝕而導致細顆粒流失后土體應力-應變狀態(tài)。Ke 等[6]通過室內(nèi)一維滲流方向自下而上的管涌試驗，研究細顆粒流失引起的土體抗剪強度的變化規(guī)律。結果表明細顆粒流失會導致土體孔隙率、滲透性的增加，土體抗剪強度降低。城市中地面塌陷主要經(jīng)歷土洞的形成、擴展及上覆土層的失穩(wěn)破壞三個過程；土洞主要是由地下水產(chǎn)生的拉壓作用與剪切作用形成，地下水對土洞的形成與擴展起著關鍵的作用[7]，同時，施工降水誘發(fā)的城市地面塌陷分為施工直接導致上覆地層失穩(wěn)破壞形成的地面塌陷、施工導致地層中不良地質(zhì)體破壞而形成的地面塌陷，以及施工導致管線滲漏水而引發(fā)的地面塌陷三類[8-9]。

在城市中地下管線密集的區(qū)域往往更容易發(fā)生滲漏事故，而這些區(qū)域往往也是人流量比較大的區(qū)域，這就使得地面塌陷造成的損失和后果也比較嚴重。隨著城市建設的不斷發(fā)展，城市地下管線不斷增多，城市交通情況越來越復雜，而現(xiàn)階段城市市政工程建設也在大規(guī)模推進，這就使得我們必須重視地面塌陷的問題，以保證廣大群眾的人身和財產(chǎn)安全，進而為社會和地區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展提供保障。

1 粉土地面塌陷的影響因素分析

粉土自身的物質(zhì)構成處于砂土和黏性土之間，但粉粒含量很高，因此在工程特性上存在一定的差異。當粉土處于飽和狀態(tài)下就容易發(fā)生土顆粒隨水流動的現(xiàn)象，進而對地面的建（構）筑物造成一定的危害。當前通過研究發(fā)現(xiàn)，密實度為密實且濕度較低的粉土，具有更加良好的力學特性，在使用合理的振壓并對其含水量進行一定的把控后，可以在達到相應壓實度的同時滿足工程對其力學特性的要求。而密度為稍密且處于飽和濕潤狀態(tài)下的粉土，更容易發(fā)生土顆粒隨水流動的現(xiàn)象。導致粉土地面塌陷的原因主要為地下水水位的變化和地面荷載的影響。地面沉降、地面塌陷與地下水的動態(tài)變化正相關。下面主要從降水下滲、地下管線滲漏和工程施工影響三個方面對地下水位變化的影響和導致的地面塌陷的特性進行分析。

1.1 降水下滲對粉土地面塌陷影響分析

地面塌陷大多發(fā)生于汛期，而實際上如果只是單純的降水，并不能導致地面塌陷。由降水導致的地面塌陷，在塌陷發(fā)生前，地下往往已經(jīng)形成了較大的空洞，只有少部分降水導致的地面塌陷在發(fā)生前地下沒有空洞，而此類事故也是在降水開始后，在較短的時間內(nèi)在地下形成了一定的空洞，最終導致塌陷。粉土地面相對于其他地面在未受潮和受潮時物理性質(zhì)的差異較大，在未受潮時粉土地面的強度較高，壓縮性小，可以承載的荷載往往也更大，而一旦發(fā)生降雨，如果水分沒有被及時排出，就很容易導致粉土軟化，失去原有的承載能力，進而使得土體結構破壞，發(fā)生地面沉降甚至塌陷。而同時粉土在處于飽和狀態(tài)下很容易發(fā)生土顆粒隨著水流動，進而快速地破壞物理結構，在短時間內(nèi)造成較大程度的地面沉降或地面塌陷。

降水作為地面發(fā)生塌陷的因素之一，和地下水水位變化的影響存在一定的差異，地下水水位大多影響較為深處的土層，發(fā)生變化大多直接或間接引起地表的沉降和塌陷，而雨水除了會對表面的土層造成影響以外，還會發(fā)生下滲對地下水位產(chǎn)生影響，進而自上而下共同影響地表，導致地面發(fā)生塌陷。在城市中雨水下滲往往會成為地面塌陷產(chǎn)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壓實便開始下一步施工，又突發(fā)降雨最終使得地面發(fā)生塌陷。

1.2 地下管線滲漏對粉土地面塌陷的影響分析

管道下滲的方式和雨水下滲較為接近，但不同的是雨水在大城市中滲入的土地范圍有限，且得益于城市成熟的排水系統(tǒng)，往往無法直接對土地造成較大影響。因此，雨水下滲以及雨水直接造成的影響大多作用于農(nóng)村地區(qū)，而管道滲水則大多發(fā)生在較為發(fā)達的城鎮(zhèn)地區(qū)。地下管線滲漏引起的地面塌陷大多發(fā)生在降雨較為密集的夏季，空間分布上大多發(fā)生在地下5m 以內(nèi)。管道滲水造成最為直接的影響就是導致其周圍的土質(zhì)變得濕潤或者達到飽和狀態(tài)，在這樣的情況下一旦土壤的水分排出速度低于水壓力的上升速度，土壤就會發(fā)生軟化現(xiàn)象，使自身的承載能力大大下降并出現(xiàn)變形，進而引發(fā)地面塌陷的問題。由管道滲水導致的地面塌陷具有突然性和較大的危害性，管道滲水往往滲出的水量較大，很容易導致土壤軟化，其造成的坍塌范圍和深度往往也較大。同時城市中由地下管道滲漏引起的地面路面塌陷往往具有很強的隱蔽性和突發(fā)性，容易對人民的生命財產(chǎn)安全造成較大損害。

隱蔽性是指由地下管道滲漏引起的地面發(fā)生塌陷前，表面并沒有太大變化，以至于正常行駛的車輛和行人無法察覺到隱患，而實際上此時地下土體由于水體的沖刷，已經(jīng)形成了較大的空洞。突發(fā)性則是指由于地下管道中水壓往往較大，以致從地下管道發(fā)生滲漏到形成土體空洞，需要的時間往往較短，一般管道發(fā)生滲漏的情況下，只需要幾個小時就可以形成較大的空洞。

1.3 施工對地下水的影響和其導致的地面塌陷的特性

在實際施工的過程中，當某工程需要大量抽排地下水時，就會在相應的區(qū)域發(fā)生地面沉降或者地面塌陷。在各類大型工程的施工過程中，往往需要大量抽排地下水，如果沒有采取一定的防水隔水措施，很容易導致土壤水分變化，影響自身的物理性質(zhì)，進而引發(fā)塌陷。在進行隧道施工時，因為施工點處于土體下方或抽排水量有時比較大，往往最容易引發(fā)沉降或塌陷，這類事故大多具有較強的破壞性，造成較大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。而在基坑施工環(huán)節(jié)，可以發(fā)現(xiàn)地下水位在保持接近坑底的情況下最容易引發(fā)塌陷，除此之外地下水發(fā)生較為頻繁的上升或下降時也會造成塌陷的發(fā)生。地下水水位的變化之所以會引起地面沉降和塌陷，其根本原因在于水自身對相應的地質(zhì)條件所造成的影響，如當?shù)叵滤幌陆禃r，地下的粉土會失水而發(fā)生固結，進而導致土體失去托靠，以至發(fā)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壓力上升速度時，相應的土顆粒會隨水流動，進而失去較大的承載能力，引發(fā)較大的沉降或塌陷發(fā)生。

2 粉土地面塌陷的防治對策

2.1 對地下水位動態(tài)變化進行實時監(jiān)測

根據(jù)已發(fā)生的地面塌陷來看，地下水位在鄰近不同地層接觸面或者升降時最容易引發(fā)粉土地面的塌陷。因此，在相應的地區(qū)應加強對地下水位動態(tài)的監(jiān)測，或者可以在地下水位發(fā)生變化時及時進行人工干預，以防止地面發(fā)生沉降或者塌陷。在地下水位監(jiān)測的過程中，應該制定相應的預案，進而做到有情況發(fā)生時，有方案可依；同時在進行人工干預的過程中，不僅要針對現(xiàn)有的情況進行充分考量，還要對未知的情況進行分析，從而達到長期有用的效果，如在調(diào)整時對未來的天氣進行預估，將未來天氣的影響考慮在內(nèi)等。

2.2 完善城市地下管線滲漏實時監(jiān)測技術

在管道發(fā)生滲漏時，如果管道自身缺口未達到一定程度，這對于居民而言其用水或排水時受到的影響較小，這就導致工作人員在這種情況下無法及時察覺到管線發(fā)生了滲漏，這就可能導致管線在短時間內(nèi)向外釋放大量的水，最終在地面下方形成空洞，導致地面塌陷發(fā)生。針對這樣的情況，應進一步完善管線滲漏實時監(jiān)測手段，不能當事故發(fā)生時，相關人員才開始對其進行處理。當前想要檢測管道是否發(fā)生滲漏，對管道內(nèi)的水壓進行監(jiān)測是一種比較有效的方法，但該方法目前受到各種限制并未被廣泛應用于地下管線滲漏檢測中。針對這樣的情況，我們應進一步加強對管線滲漏監(jiān)測技術手段的研究，提升我們的監(jiān)測能力，最終達到管道滲漏發(fā)生時可以實時監(jiān)測到，及時進行搶修從而達到避免事故發(fā)生的目的。

2.3 對地下水位變化建立相應指標以加強防范

只對地下水位進行區(qū)域監(jiān)測不能滿足當前地面塌陷防治的需求，還應該采取一定的技術手段和相應較為完備的指標來進行多重監(jiān)測。如當前還可以對原狀土層的土樣進行采集，并將其放到不同的土層中，在一段時間后觀察其變化，來對不同土層的特性進行分析檢驗，進而評估地下水開采等各方面可能對土層造成的影響，最終使得地下水的開采和調(diào)節(jié)更加科學，避免對土層造成不良影響。除此之外，還可以對重點塌陷地區(qū)加強信息收集，通過收集區(qū)域的水資源、土資源資料和塌陷事故記錄，建立起相應的信息模型，對該地區(qū)潛在的危險進行預估，進而可以采取更加科學的手段排除潛在危險。

3 結束語

伴隨著城市建設的快速發(fā)展，城市道路出現(xiàn)功能復雜、交通量激增、車道受載增大、道路結構層中布設的繁雜市政管線等問題，造成城市塌陷災害事故頻繁發(fā)生。降水下滲、地下管線滲漏、市政工程施工影響已成為粉土地面塌陷最主要的影響因素，弄清各因素的影響及致災機理，已成為城市粉土地面塌陷防治的先決條件和必要步驟。只有不斷加強對地下水位的動態(tài)監(jiān)測，以及完善城市管線滲漏檢測技術，才能最大程度上解決城市地面塌陷這一問題。