推理分析 · 天津八里台大面积沉降事件
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不要指望倒进竹篮的水能留下来。
非洲谚语
“连小孩子都看出来了。”
近日，在天津碧桂园凤锦庭院小区出现的大面积地面沉降持续引起关注。在小区内部及附近路面，多处肉眼可见的裂缝令人无法忽视。
小区内外出现的多处沉陷与裂缝
从鸟瞰图来看，沉降涉及了多栋建筑，其中受损最严重的39号高层已出现倾斜。约4000名小区住户被紧急疏散撤离。
沉降涉及多栋建筑
最严重的39号高层已出现倾斜
紧急撤离的通知
一开始，担忧的住户怀疑是否房屋质量不过关所导致。然而，房屋自身质量引起的事故多为“非传染性疾病”，即仅限于自身的损坏，并不会明显连累其他临近建筑。
类似凤锦庭院小区累及多栋建筑的大面积沉陷受损，更可能是外部因素所引起。
因此，人们逐渐将怀疑的眼光转到了小区隔壁的工程项目上。事发数日后，很多人开始认为是小区对面在进行地热井施工出了事故导致的，因为有住户拍到了疑似钻井的井架躺在地上。
疑似钻井井架
众说纷纭，没有定论。
无论如何，数千住户最关心的问题只有两个，这关系到他们什么时候能重返家园，还能不能重返家园：
1.导致这么大面积沉降的原因是什么，真的是地热井施工吗？
2.沉降还会变得越来越严重吗？
怀揣着这两项关切，我们利用网上收集到的资料一步一步尝试进行推理。
对面是否为地热井施工？
天津有着丰富的地热资源，很久以前就已经利用地热井技术用于供暖。截至现在，天津市各区大约分布有700多口地热井，并持续在探测地热资源和新建。
事发的小区位于津南区八里台镇，沉降比较明显的区域大致位于下图红圈范围。
小区的地理位置
在网上找到的资料显示，八里台镇多处探明有地热资源，其中凤锦庭院小区正好位于津52区块内。
小区与地热区块的关系
津52地块2022年12月完成了一起探矿权成交，值得注意的是，这次探矿须布置2对地热井，钻至蓟县系雾迷山组取热。这个信息很重要。
2022年12月成交的52区块探矿权
蓟县系（Jx）地层是一个非常古老的地层，距今约10亿年，比我们常看的侏罗纪公园还要老很多倍。雾迷山组（Wumishan Fm）则是蓟县系地层的一部分，距离地面大约2000~3500m。这与上述探矿权公告中的热储层埋深3000m是对应的。
蓟县系雾迷山组（Jw）在天津的地质剖面
也就是说，在52区块打地热井的最终深度将会超过3000m，属于深层钻井。（平时建房子前打的地勘钻井很少超过100m）
在普通房建工程前期的地勘钻井施工时，我们经常看到下面左图中的钻机。这种钻机的钻杆长度大约4米有余，随着钻进加深要一根一根接驳上去。对于大深度的地热钻井而言，工效将会十分低下。所以，一般地热钻井都会采用下面右图中比较高的设备，单根钻杆长达9~10m。
普通钻机（左）与地热钻井钻机（右）
倒下的井架比较接近上图中地热钻井的设备形式。
另外，可以留意到公告中提及的地热井单位为“对”。一套完整的地热系统要包含两口井，一口是采热井，一口是回灌井。采热井负责把地下深层的热水抽上来采集热能，长期抽取的话后导致地下水位降低引发沉降，因此旁边还要布置一口回灌井往地下补水。
包含两口井的地热系统（示意）
不过需要特别注意，两口井间距不能离得太近。回灌井往地层中注入的是常温冷水，如果离得太近，容易导致所谓的“热突破”现象，即不断将冷水倒入热水中，造成热能损失。
热突破类似冷水不断倒入热水中混合
研究发现，回灌井距离采热井超过400m后，回灌注入的冷水几乎不会影响采热井热水的温度，即两井的最优间隔在400m左右。
采热井与回灌井间距对温度的影响
回到事故现场。碰巧的是，从其他角度拍摄的现场照片中，可以发现不远处还有另一个井架。
现场附近的另一个井架
在地图上测量两者的距离，刚好也是400m左右。
两个井架之间的距离
综合上述观察所得，井架处为地热井施工的可能性极大。
根据小区的居民所述，地热井是约半个月前施工的。按照一般地热井的正常钻进速度推算，事发前井位应该钻到了1500~1800m深度的位置。
地热井大约半个月前开工
沉降是否与地热井施工有关？
在此之前，要先探讨以下两个先行问题：
（1）沉降的影响范围有多大？
（2）沉降的影响深度有多深？
综合小区居民拍摄的视频信息，小区39号高层的沉降最为明显，一直到43号高层地面都有发现开裂现象。两者与地热井的距离分别为100m与200m左右。沉降延伸到了200m范围开外。
39号高层与地热井的距离
43号高层与地热井的距离
对比两者视频中反映的沉降裂缝，43号高层的地表虽然也有破损，但严重程度相对较弱。
39号高层（左）与43号高层（右）情况对比
这意味着，地层沉降发生的最大处位于39号高层那一侧。当然，这并不代表39号楼是沉降的最大点。
现在回到最开头的事故照片。39号楼出现了倾斜，暗示着可能桩底下面的地层也发生了沉降。如果仅是桩底以上的土层出现沉降，地表与地下室脱空可以理解，但在桩底没移动的情况下，高层却出现了明显的倾斜，两者似乎并不吻合。
39号楼可能桩底地层也有沉降
那么39号楼的桩打了有多深呢？
在天津的住宅高层中，桩基础一般不会入岩。因为天津岩石上面覆盖的土层非常厚，约400~600m。如果将桩打入岩层，既不现实，也不必要。
天津的第四纪土层厚度超过400m
天津地区的惯常做法是将桩端放置于粘土层之间坚实的砂层中，一般可分为第一桩基持力层和第二桩基持力层。第一桩基持力层深度约20m，可支撑一般的中多层房屋；第二桩基持力层深度约40m左右，高层建筑的桩基一般坐落于此层。
所以，甚至40m以下的地层都可能发生了沉降。
什么外部活动可引起范围超过200m，深度超过40m的地层发生沉降？
地热井施工引起的可能性在变大。
地热井施工如何引起沉降？
地热井在施工时，井身一般采用多重套管的结构，用于钻进时支撑孔壁和完工后保障正常出水。一般用的较多的是“二开”和“三开”技术，分别代表着二层或三层套管。
地热井的套管结构（示意）
需要注意的是，钢套管是钻机钻至指定深度后才放入的，在此之前，孔壁的稳定性要靠钻井液来维持。
钻井液（示意）
通常情况下，天津地区地热井施工第一段套管（即一开）的深度常为400m左右，这恰好也接近土层的厚度。在钻到400m深度时，下放套管，并用水泥填充钢套管与钻孔之间的空隙后，再进行第二段的钻进。
一开套管与地层关系示意
然而，一开套管并不一定能完全穿越土层，因为天津有些区域的土层深度大于400m。这种情况下，在二开套管安装完成之前，大于400m深度土层的稳定性和水压完全依靠钻井液来保持。
一旦钻井液漏失或指标异常，这些超深土层的稳定性将会受到影响。
根据第一节的推测，事发前井位钻到了1500~1800m左右深度的位置。在此深度范围，周边的地层很可能是奥陶系（O）基岩。
1500~1800m深度将遭遇奥陶系基岩
天津奥陶系的基岩主要由灰岩组成。灰岩是一种碳酸盐岩，被水溶蚀后经常会在岩体内部产生奇形怪状的溶洞。
典型的溶洞
如果钻井遇到了溶洞，特别是空的、无填充的，钻井液很可能一瞬间就会全部漏失掉。相关论文中也有对此现象的描述。
奥陶系岩溶的相关描述
综合所有信息，以下是地热井施工如何引起地基沉降的其中一个推测。
01
一开钻至400m左右，并安装了钢套管，但并没完全穿透土层。
02
继续进行二开钻孔，在进入灰岩之前，一切都是正常的。
03
进入灰岩后，遭遇到意料之外的岩溶，钻井液瞬间漏失，且由于岩溶连通性好，如何补钻井液也无济于事。
04
第四纪地层中赋存在砂层中的承压水失去了钻井液的保护，在压力差之下顺着钻孔涌入溶洞。
05
400m以下属于天津地区的第IV含水组，在砂层中赋存着带有压力的地下水。
03
可以想象一个砝码放在弹簧与水的组合体上。当水压逐渐被卸掉时，砝码的重量虽然没变，但随着原本水承担的那部分压力转移了给弹簧，砝码会逐渐下降到达一个新的平衡。这就是承压水压力下降对地基沉降的影响。
推 论
（1）可能是第IV含水组中的承压水压力下降引起了沉降，即深度400m往下的位置。所以造成的影响范围如此之广；
（2）如果不能有效阻止第四纪土层中水压的下降，沉降可能将会继续缓慢变大。
FIN
岩土沿途Geotech
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