Geological Characteristics and Susceptibilty Evaluation of Ground Collapse in Xi'an
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摘要:
随着西安市城市建设速度加快、规模扩大，地面塌陷情况越来越多的出现在人们的生活中，因其隐蔽性、突发性、高危害性，成为威胁城市安全的主要问题之一。笔者结合西安市主城区钻探、工程勘察数据，根据研究区地层分布情况，利用“土拱效应”理论，综合研究地面塌陷的形成过程与机理，建立地面塌陷的临界跨径与上覆土层厚度以及上部荷载间的数值公式，通过数值计算得出不同工况条件下地面塌陷的易发性，结果显示：西安市地面塌陷事故多以雨水渗漏、管道破裂、工程施工引起；相同地质条件下上覆土层厚度越大，空洞的极限跨径越大；将西安市划分为地面塌陷高易发区、中等易发区、低易发区，发现当土层处于低压实度或高含水量时，地下空洞承载的临界跨径越小，地面塌陷易发程度越高。评价结果可为西安地面塌陷预防和治理决策提供建议。
Abstract:With the speed and scale of urban construction in Xi'an city, ground collapse has appeared more and more in people's life. Because of its hidden, sudden and high hazard, it has become one of the main problems threatening urban security. Combined with the drilling and engineering prospection data in the main urban area of Xi'an, According to the stratum distribution in the study area, the formation process and mechanism of ground collapse are comprehensively studied by using the theory of soil arch effect, and the numerical formula between the critical span of ground collapse, the thickness of overlying soil layer and the upper load is established. The susceptibility of ground collapse under different working conditions is obtained through numerical calculation. The results show that the ground collapse accidents in Xi'an are mostly caused by rainwater leakage, pipeline rupture and engineering construction. Under the same geological conditions, the greater the thickness of the overlying soil layer, the greater the limit span of the cavity. Xi'an city is divided into high-medium-and low-prone areas of ground collapse. It is found that when the soil layer is in low-or high-water content, the smaller the critical span of the underground cavity, the higher the ground collapse susceptibility. The evaluation results can provide suggestions for the prevention and treatment of ground collapse in Xi'an.
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Keywords:
- ground collapse /
- critical span /
- susceptibility evaluation
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图 3 西安不同地貌单元钻孔柱状图
Figure 3. Borehole column map of different geomorphic units in Xi'an
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图 4 地下空洞临界极限跨径计算图
Figure 4. Calculation diagram of critical limit span of underground cavity
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图 5 西安主城区地面塌陷易发性分区图
Figure 5. Zoning map of ground collapse susceptibility in main urban area of Xi'an
表 1 工程地质结构划分表
Table 1 Division table of engineering geological structure
土体
类型工程地质层代号 地貌单元 冲积平原 冲洪积平原 黄土台塬 漫滩 一级
阶地二级
阶地三级
阶地一级冲洪
积平原二级冲洪
积平原三级冲洪
积平原一级黄
土台塬特殊土 黄土 A A A A A A 一般性土 砂土 B B B B B B B B B 一般黏性土 C C C C C C C C C 碎石土 D D D D D D D D D 工程地质结构类型 B+C+D A+B+C+D B+C+D A+B+C+D 
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表 2 研究区不同地貌单元物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of different geomorphic units in the study area
地貌单元 岩层岩性 厚度（m） 粘聚力c（Kpa） 内摩擦角$ \varphi $ （°） 容重 （KN/m3） 主动压力系数Kα 河漫滩 圆砾 3.7 0 38.0 14.8 0.24 粉质黏土 2.0 13.5 24.2 20.3 0.42 砾砂 0.7 0 38.0 14.8 0.24 粉质黏土 9.1 13.5 24.2 20.3 0.42 中砂 7.0 0 32.0 21.5 0.31 粉质黏土 7.5 13.5 24.2 20.3 0.42 渭河一级阶地 杂填土 2.4 5.5 19.0 18.6 0.51 黄土状土 0.3 16.0 10.6 19.8 0.69 圆砾 4.7 0 38.0 14.8 0.24 粉质黏土 15.6 13.5 24.2 20.3 0.42 圆砾 4.4 0 38.0 14.8 0.24 粉质黏土 2.6 13.5 24.2 20.3 0.42 渭河二级阶地 杂填土 2.3 5.9 10.0 16.5 0.70 黄土 12.4 25.0 22.0 15.2 0.45 古土壤 2.4 25.0 21.0 18.6 0.47 粉质黏土 1.7 26.0 24.0 19.4 0.42 中砂 6.8 0 32.0 21.5 0.31 粉质黏土 4.4 26.0 24.0 26.0 0.42 一级冲洪积平原 素填土 2.8 12.5 10.0 16.5 0.70 黄土状粉质黏土 7.8 24.0 20.0 19.8 0.49 古土壤 4.2 34.7 24.5 18.9 0.41 粉质黏土 10.0 34.0 20.0 20.1 0.49 中粗砂 2.4 0 32.0 20.5 0.31 粉质黏土 2.8 34.0 20.0 19.8 0.49 二级冲洪积平原 杂填土 1.3 15.0 10.0 18.8 0.70 黄土状粉质黏土 11.1 32.0 20.0 19.9 0.49 中砂 2.0 0 33.0 18.9 0.29 粉质黏土 4.7 32.0 22.0 19.5 0.45 中砂 10.9 0 34.0 20.5 0.28 三级冲洪积平原 素填土 2.6 15.5 14.5 18.0 0.60 黄土 11.0 24.0 17.0 19.8 0.55 古土壤 3.7 28.0 17.5 20.0 0.54 黄土 12.7 27.0 17.0 20.2 0.55 黄土塬 素填土 1.8 15.5 14.5 18.0 0.60 黄土 8.2 27.0 22.5 17.0 0.45 古土壤 4.5 32.3 24.0 18.4 0.42 黄土 5.0 28.3 24.7 19.1 0.41 古土壤 2.0 34.3 24.9 18.9 0.41 黄土 4.5 30.7 24.5 18.8 0.41 古土壤 4.0 35.7 25.6 19.1 0.40
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表 3 西安地面塌陷事故统计表
Table 3 Statistical table of ground collapse accidents in Xi'an
序号 时间 地点 事故影响 事故原因 1 2004/12/23 东大街促进巷1号院院门下 深约2.5 m、宽约2 m、长约3 m的大坑，院门全部悬空，周围几间住房部分地基下陷 老旧排污管道破损 2 2009/7/17 朝阳门外康家村17号 房屋地面突然下陷1 m深 地下有一个40年前挖的防空洞，防空洞出现失稳现象 3 2011/12/26 城西客运站门口汉城路与枣园路十字的一处绿化带 地面塌陷，现场目测半径在3～4 m，深约4 m 地下管道漏水 4 2012/9/28 北二环与太华十字北200 m 塌方面积约半个篮球场大，一辆途经此处的水泥罐车被陷入其中并将天然气管道破坏 自来水管渗漏以及黄土湿陷造成 5 2013/5/8 西安地铁三号线东二环通化门至胡家庙 暗挖隧道顶部塌方，死亡5人 盾构结构不稳定，下雨导致土质疏松，顶部和侧面发生塌陷 6 2013/7/27 北三环北辰立交以西500 m路南 路面塌陷，形成大小超过10 m2、深7 m的大坑，水泥罐车落入坑中 长期雨水渗漏以及排水管渗漏 7 2015/8/15 雁南一路 路面塌陷致一辆送水车侧翻 长期雨水渗漏以及排水管渗漏 8 2015/8/20 凤城五路与开元路十字 路面塌陷，一辆渣土车发生侧翻 长期雨水渗漏以及排水管渗漏 9 2015/8/22 建国三巷西口 路面突然出现一个大洞，抢修人员开挖后，发现路面下方是一个长约5 m，宽约2.5 m，深约3 m的大坑 由于树根压断一根自来水管道，漏水长期浸泡路基所致 10 2019/4/7 凤城五路与太华路十字西南角 路面塌陷，非机动车及部分人行道损坏 雨水渗漏，土体湿陷，路基破损 11 2019/5/14 纬三十街明光路十字西边 路面塌陷、车辆侧翻，塌陷长12 m，宽1 m，深度约0.7 m 雨水渗漏，土体湿陷，路基破损 12 2019/11/3 大华一坊路，靠近建华路 路面塌陷，约有6 m长、3 m宽、
4 m深，坑内露出树根，一根自来水管道用一根木头吊着固定，深坑周围有不少裂缝地下管道漏水 13 2020/10/20 未央路龙首村十字西南角 路面塌陷，塌陷面积较小，约占用一个车道 地铁施工扰动以及后期运行震动导致 14 2020/10/25 未央路凤城三路十字以南80 m 路面下沉塌陷面积约80 m2 雨水渗漏，土体湿陷，路基破损 15 2021/5/13 雁翔路岳家寨地铁站 发生塌陷的路面形成了一个直径
8 m、深度约5 m的深坑，死亡1人地铁施工扰动以及后期运行震动导致 16 2021/5/17 建国一巷 路面塌陷，一辆货车侧翻 雨水渗漏，土体湿陷，路基破损 17 2021/8/22 辛家庙立交向北100 m，北辰路路东、浐灞大道西口 路面上有两个直径约5 m和3 m的大坑，路面塌陷面积约30 m2 雨水渗漏，土体湿陷，路基破损 18 2021/9/1 灞桥区新医路 路面塌陷，塌陷面积约200 m2，塌陷深度初步估计在10～20 m，人员有伤亡，塌陷造成水、气管道破损，直接将车辆淹没 各类工程施工造成地基不密实，可能存在地裂缝的穿过 19 2022/2/23 咸宁东路穆将王立交桥下 路面塌陷，影响交通 自来水管破裂，造成路面塌陷 20 2022/11/7 西安浐灞御景城水岸云萃西门外浐河东路 路面塌陷，产生一长约3 m，宽约
2 m，深约5 m的空洞下部排水管渗漏，水体渗漏，产生空洞
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表 4 不同地貌单元地下空洞临界极限跨径计算结果
Table 4 Calculation results of critical limit span of underground cavity in different geomorphic units
地貌单元 上覆土层
厚度（m）地下空洞
拱高（m）地下空洞临界
极限跨径（m）地貌单元 上覆土层
厚度（m）地下空洞
拱高（m）地下空洞临界
极限跨径（m）河漫滩 2 0.5 0.21 渭河一级阶地 2 0.5 0.97 1 0.41 1 1.36 5 0.5 1.49 5 0.5 1.49 1 1.83 1 1.66 2 2.35 2 2.04 3 3.00 3 2.58 10 0.5 2.99 10 0.5 2.80 1 3.22 1 3.04 2 3.69 2 3.51 3 4.15 3 3.99 5 5.11 5 4.96 渭河二级阶地 2 0.5 1.13 一级冲洪积平原 2 0.5 1.81 1 1.91 1 2.30 5 0.5 3.16 5 0.5 2.95 1 3.56 1 3.30 2 4.32 2 3.97 3 5.07 3 4.63 10 0.5 4.65 10 0.5 4.09 1 4.92 1 4.38 2 5.46 2 4.99 3 6.01 3 5.60 5 7.09 5 6.81 二级冲洪积平原 2 0.5 2.97 三级冲洪积平原 2 0.5 2.17 1 3.68 1 2.73 5 0.5 3.94 5 0.5 3.10 1 4.31 1 3.42 2 5.04 2 4.04 3 5.74 3 4.66 10 0.5 4.83 10 0.5 4.25 1 5.09 1 4.48 2 5.60 2 4.94 3 5.99 3 5.41 5 6.76 5 6.20 黄土塬 2 0.5 2.63 黄土塬 10 0.5 4.96 1 3.30 1 5.26 5 0.5 3.78 2 5.85 1 4.16 3 6.44 2 4.88 5 7.59 3 5.59
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表 5 地面塌陷易发程度分区表
Table 5 Partition table of ground collapse susceptibility
上覆土层厚度（m） 2 5 5 10 10 地下空洞拱高（m） ≤1 ≤1 ≥1 ＜5 ≥5 高易发区 2b＜1 2b＜2 2b＜3 2b＜4 2b＜5 中等易发区 1＜2b＜2 2＜2b＜3 3＜2b＜4 4＜2b＜5 5＜2b＜6 低易发区 2b＞2 2b＞3 2b＞4 2b＞5 2b＞6
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表 6 西安地面塌陷易发性评价成果表
Table 6 Evaluation results of ground collapse susceptibility in Xi'an
地貌单元 河漫滩 渭河一级阶地 渭河二级阶地 一级冲洪积平原 二级冲洪积平原 三级冲洪积平原 黄土塬 易发性 高易发区 高易发区 中等易发区 中等易发区 低易发区 低易发区 低易发区
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