北京市地面塌陷特征與致災(zāi)因子分析

白凌燕，何靜，王繼明

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195）

北京市地面塌陷特征與致災(zāi)因子分析

白凌燕，何靜，王繼明

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195）

年北京地面塌陷呈波動(dòng)式上升趨勢，威脅嚴(yán)重。在討論其孕災(zāi)環(huán)境和時(shí)空分布特征的基礎(chǔ)上，分析引起地面塌陷的因素。研究把此區(qū)地面塌陷分為采礦地面塌陷和工程地面塌陷兩種類型。采礦地面塌陷主要分布于西山門頭溝，致災(zāi)因子包括開采深度、礦體傾角、降雨、和大量疏排水。工程地面塌陷主要分布于城區(qū)，致災(zāi)因子包括管線滲漏與侵蝕、地下水過度開采、施工方法不當(dāng)和人工振動(dòng)。

地面塌陷；分布特征；致災(zāi)因子；北京

1 引言

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑的一種動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象。它具有隱伏性、突發(fā)性、群發(fā)性、多因性等特點(diǎn)。地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與其發(fā)育的地質(zhì)條件和作用因素密切相關(guān)。

北京地區(qū)地層除缺少古元古界、新元古界、古生界上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)外，其他地層都有發(fā)育。發(fā)育多條活動(dòng)斷裂。平原區(qū)被第四系廣泛覆蓋，總體上由幾個(gè)巨大的沖洪積扇和沉積凹陷構(gòu)成，在沖洪積扇內(nèi)發(fā)育河流相，在扇間洼地和扇緣分布有湖泊相。由于河流和沖洪積扇的多次遷移，沖洪積扇相互疊壓，沉積物橫向相變迅速，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。

在這特殊的地質(zhì)背景下，隨著北京的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，人類活動(dòng)劇烈，在諸多的外部因素影響下，北京地面塌陷頻繁發(fā)生，災(zāi)害損失呈不斷增長趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2005～2010年北京市發(fā)生的地面塌陷達(dá)150多次，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以研究北京地區(qū)地面塌陷的孕災(zāi)環(huán)境、時(shí)空分布特征，分析致災(zāi)因子對(duì)北京市地面塌陷災(zāi)害的防治具有重要意義。

2 孕災(zāi)環(huán)境

北京地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育與其獨(dú)特的氣候背景、構(gòu)造背景、地層條件、水文條件以及城市的發(fā)展息息相關(guān)。

2.1 氣候背景

北京坐落于華北平原西北隅，東、北、西三面環(huán)山，山體海拔高度在200～2 300m之間，南部為寬闊的緩傾斜平原。本市地處半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫12℃，四季與晝夜溫差均較大。

北京的年降雨量在時(shí)間上分布不均。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，北京市平原區(qū)1956～2003年多年平均降水量594.9mm，全年降雨量多集中在6～9月，其間降雨占年降水量的85%以上［1］。北京的年降雨量在空間上也分布不均。一般東北部和西南部山前迎風(fēng)坡地區(qū)為相對(duì)降水中心，在600～700mm之間，西北部和北部深山區(qū)少于500mm，平原及部分山區(qū)在500～600mm之間。連續(xù)性的強(qiáng)降雨天氣或暴雨成為地面塌陷最常見的誘發(fā)因素之一。

2.2 構(gòu)造背景

北京市的活動(dòng)斷裂主要有北東向的黃莊－高麗營斷裂、順義斷裂和夏墊斷裂，北西向的南口－孫河斷裂（圖1）。伴隨活動(dòng)斷裂長期活動(dòng)而經(jīng)常發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害主要包括沿?cái)嗔寻l(fā)生的地裂縫和受斷裂控制產(chǎn)生的巖溶塌陷，以及由于地裂縫和差異性地面沉降造成的地面塌陷等。如洼里－中國地質(zhì)大學(xué)一帶，在長約8km、寬約2km、面積約16km2范圍內(nèi)，鉆孔多處揭露溶洞，最大溶洞高度達(dá)5m。

圖1 北京市主要活動(dòng)斷裂Fig.1 Active fault distribution in Beijing

2.3 地層條件

北京地區(qū)地層屬華北地層大區(qū)，除缺少古元古界、新元古界、古生界上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)外，其他地層都有發(fā)育，巖石類型也很齊全［2］。大部分巖石出露在西部和北部山地，平原區(qū)則廣泛分布著第四紀(jì)松散沉積物。

北京平原的第四紀(jì)沉積主要由5大沖洪積扇組成：永定河沖洪積扇，潮白河沖洪積扇，溫榆河沖洪積扇，泃河沖洪積扇以及大石河沖洪積扇。沉降環(huán)境復(fù)雜，山前為洪積、沖積相堆積物，在扇中多條河流互相交疊，到了扇緣地帶河流的坡度降低，散流和漫流發(fā)育，多形成牛軛湖，構(gòu)成湖相堆積。

總體來說，北京市平原區(qū)的沉積物厚度由西向東逐漸增大。西部的各大河流沖積扇頂部以厚層砂土和卵、礫石為主；在城區(qū)，大部分范圍內(nèi)的地層過渡為粘性土、粉土與砂土、卵、礫石土互層；再向東則以厚層粘性土、粉土為主（圖2）。需要指出的是，因城區(qū)歷史悠久，上部自然形成的地層結(jié)構(gòu)受人為擾動(dòng)比較大，城內(nèi)有許多堙埋的河、湖、溝、坑分布，還有土質(zhì)不均勻，厚度分布不均的人工填土（爐灰，垃圾，房渣土等等），地層分布沒有規(guī)律［3］。

圖2 老山－通州第四紀(jì)地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Quaternary geological profile along the Laoshan－Tongzhou line

北京寒武－奧陶系石灰?guī)r地層和中元古界薊縣系白云巖地層中易發(fā)生巖溶坍塌。根據(jù)袁道先、蔣忠誠等人的研究，房山溶洞群是我國北方溫帶半干旱半濕潤氣候巖溶洞穴的典型代表。這表明北京地區(qū)地質(zhì)史上的巖溶作用相當(dāng)強(qiáng)烈。西部山區(qū)石炭系－二疊系和侏羅系地層易發(fā)生采礦塌陷。主要分布在房山與門頭溝區(qū)，海淀區(qū)與豐臺(tái)區(qū)也有零星分布。

2.4 水文條件

北京平原區(qū)第四系地下水主要賦存于第四系松散堆積沉積物孔隙中。永定河、潮白河、溫榆河等河流聯(lián)合作用控制著含水層的富水性、分布范圍等，具有不同的水文地質(zhì)特征。

從山麓地帶到平原區(qū)地下水的分布大致呈以下特征：由西向東含水層層數(shù)由少逐漸變多。西部一般為單水層，在東部發(fā)展到4～5層甚至更多；含水層巖性的粒度由西向東逐漸變細(xì)。西部以砂卵石、礫石層含水為主，東部則以砂土層含水為主；單個(gè)含水層厚度由西向東逐漸變薄。西部一般30～40m左右，東部一般10～20m。工程中常遇到的地下水主要有3層，即上層滯水、潛水和承壓水。上層滯水埋藏于填土、粉土及粉質(zhì)粘土層中，主要分布于東北部及南部。這層水主要受大氣降水和管線滲水的影響；潛水埋藏于砂、礫、卵石層中，水位一般在自然地表以下15～35m左右，一般2～3層；承壓水亦埋藏于砂、礫、卵石層中，埋深多在35m以下，有多層。

2.5 城市建設(shè)的迅猛發(fā)展

近些年北京的城市建設(shè)不論是從城市規(guī)模、城市道路建設(shè)還是軌道交通的建設(shè)來看，發(fā)展都十分迅猛。

2008年，北京房屋建設(shè)年竣工量達(dá)到4 814×104m2，分別比解放初期的200多萬平方米、改革開放初期的400多萬平方米增長近24倍和12倍。

1998年至2007年，僅快速路、主干路的總投資達(dá)253億元，總里程達(dá)367km。城市快速路的建設(shè)從1998年的124km猛增到2007年的236km，增長幅度達(dá)90%。同時(shí)，城市主干路也增加了153 km。根據(jù)《北京城市近期建設(shè)規(guī)劃（2006－2010）》以及《北京交通發(fā)展綱要》，到2010年，中心城區(qū)干道網(wǎng)密度提高到2.56km/km2。中心城區(qū)快速路系統(tǒng)總里程達(dá)到280km，中心城區(qū)主干道網(wǎng)總里程達(dá)到540km。

到2001年，北京共竣工了42km城市軌道；到2003年，地鐵運(yùn)營總長已經(jīng)達(dá)到114km；到2008年，地鐵運(yùn)營總長已經(jīng)達(dá)到200km；到2015年，將建成19條軌道交通線。地鐵線，總長達(dá)到561km。

城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，加劇了人類活動(dòng)對(duì)地層的擾動(dòng)；人口的不斷增多，增大了對(duì)地下水資源的開采。而這些都為地面塌陷創(chuàng)造了發(fā)育條件。

3 地面塌陷的時(shí)空分布特征

北京市地面塌陷誘發(fā)因素諸多，其塌陷類型分為采礦地面塌陷和工程地面塌陷兩種。采礦地面塌陷主要分布在北京西山門頭溝地區(qū)；工程地面塌陷主要分布在北京城區(qū)。北京市平原區(qū)地面塌陷主要有以下特點(diǎn)：

3.1 時(shí)間分布特征

從年際分布看，2005年到2008年地面塌陷次數(shù)逐年增加，2007年達(dá)到頂峰，2009、2010年塌陷次數(shù)又達(dá)到很高的值（圖3）。原因可能為奧運(yùn)會(huì)前大規(guī)模的工程建設(shè)誘發(fā)了地面塌陷，而奧運(yùn)年（2008年），工程建設(shè)速度及規(guī)模明顯減少，地面塌陷也相應(yīng)減少。奧運(yùn)結(jié)束后的2009年和2010年城市建設(shè)的速度重新開始加快，地面塌陷數(shù)量又開始上升。

北京地區(qū)6～9月為雨季，10月至次年5月為旱季，從年內(nèi)分布看，塌陷多發(fā)生在旱季及雨季初期（圖4）。據(jù)2005～2010年的統(tǒng)計(jì)，月平均塌陷次數(shù)為2次/月。發(fā)生在3～7月份的塌陷占73%，北京市地面塌陷具有波動(dòng)式上升的趨勢。

圖3 2005～2010年地面塌陷年際分布Fig.3 Annual distribution of ground subsidences from 2005to 2010

3.2 空間分布特征

北京市平原區(qū)的地面塌陷主要集中在城區(qū)，四環(huán)路范圍內(nèi)，尤以北四環(huán)和東四環(huán)內(nèi)居多，占近些年北京市地面塌陷事故的75%以上（圖5）。市區(qū)南部發(fā)展落后于北部、東部地區(qū)，嚴(yán)重的地面沉降及特殊的地質(zhì)條件是造成這一分布格局的主要因素。

圖4 北京市地面塌陷年內(nèi)分布Fig.4 Monthly distribution of ground subsidences

圖5 北京市2005～2010年地面塌陷分布Fig.5 Ground subsidence distribution of Beijing City from 2005to 2010

4 致災(zāi)因素分析

人為的地下采礦活動(dòng)造成的采空區(qū)是形成地面塌陷的先決條件，自然重力或其他外界觸發(fā)因素的作用是其發(fā)展的動(dòng)因［2］。

4.1 采礦塌陷致災(zāi)因子

北京西山采煤已有近100a的歷史，地下形成了大面積的采空區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到1993年底已發(fā)現(xiàn)塌陷坑1 232個(gè)、地裂縫577條、不均勻沉降47處。涉及門頭溝、房山、豐臺(tái)區(qū)的20多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦事處及9個(gè)國營礦區(qū)，有42個(gè)村莊受到不同程度的危害，共有4 247間房被毀，27處公路干道及12處水利設(shè)施遭破壞，2 774棵林木及166.67hm2耕地被毀［4］。

門頭溝區(qū)門城鎮(zhèn)坐落在有近5km2的老窯采空區(qū)之上。地表有5萬多居民和眾多企事業(yè)單位，近10a來已發(fā)生地面塌陷和沉降災(zāi)害45處、塌陷坑17個(gè)、塌房32間，給當(dāng)?shù)厝藗冊(cè)斐闪藝?yán)重經(jīng)濟(jì)損失和心理負(fù)擔(dān)，同時(shí)也制約和阻礙著該地區(qū)人民生活條件的改善及經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展。據(jù)預(yù)測，西部采煤區(qū)今后10a累積塌陷面積將增大到58.76 km2，受危害的耕地與林地面積達(dá)1 227.3km2［2］。

4.1.1 開采深度

采空區(qū)距離地表的垂直深度（H）與煤層的開采厚度（m）是采礦塌陷的兩個(gè)重要因素，一般以深厚比（H/m）來衡量。開采深度越淺或開采厚度越大，越容易形成地表塌陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塌陷坑的平均深厚比區(qū)間值為10.3～24.5，平均中值為17.3，比地裂縫、不均勻沉降的平均中值都要小，這表明形成塌陷的采空區(qū)都相對(duì)較淺（表1）。

表1 北京西山地區(qū)塌陷平均深厚比統(tǒng)計(jì)Table 1 Average depth and thickness of the subsidences in West Mountain

4.1.2 礦體傾角

根據(jù)傾角的大小，礦體可分為水平和微傾斜礦體，傾角小于5°；緩傾斜礦體，傾角為5°～30°；傾斜礦體，傾角為30°～55°；急傾斜礦體，傾角大于55°。礦體的傾角對(duì)于礦山地表塌陷有著極其重要的作用［5］。在礦體傾角較大的大臺(tái)礦、木城澗礦地表塌陷強(qiáng)烈，塌坑密集；在礦體傾角較緩的房山礦、史家營蓮花庵礦等礦區(qū)地表塌坑很少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，京西侏羅系煤層區(qū)，在H/m＜30條件下，小窯采空區(qū)的塌陷率隨地層傾角變陡而增大（表2）。

表2 京西采空區(qū)地面塌陷與地層傾角關(guān)系表Table 2 Relation of subsiding to stratigraphic dip for the mined－out area in Western Beijing

4.1.3 降雨

降雨也是產(chǎn)生采礦地面塌陷的一個(gè)重要誘發(fā)因素，特別是久旱無雨后突降暴雨。京郊門城鎮(zhèn)地區(qū)近20a來形成的地面塌陷中有80%發(fā)生在雨季［6］。通過對(duì)北京西山地區(qū)125個(gè)采礦塌陷點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間統(tǒng)計(jì)，也發(fā)現(xiàn)塌陷與汛期關(guān)系密切（圖6）。分析其原因可能有兩點(diǎn)，一是突降的暴雨增加了采空區(qū)上部的荷載，使得已經(jīng)處于極限平衡狀態(tài)的頂板巖土層破壞；其二是降雨產(chǎn)生的雨水通過滲流、浸潤作用使得頂板巖土層吸水軟化、強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致塌陷。

4.1.4 大量疏排水

人工抽取地下水強(qiáng)烈地改變了地下水的流態(tài)、流速及水力梯度，從而加速了塌陷產(chǎn)生的過程。在門頭溝區(qū)軍莊鎮(zhèn)郝家房村，地下存在大量20世紀(jì)30～40年代的充水老窖采空區(qū)。20世紀(jì)80年代初，在進(jìn)行深部煤層開采時(shí)，上部老窖采空區(qū)積水被抽干，造成地面不均勻沉降，數(shù)百間民房開裂。

圖6 北京西山采空塌陷發(fā)生的時(shí)間分布圖Fig.6 Time distribution of mining subsidences in West Mountain

4.2 工程塌陷致災(zāi)因子

隨著近些年北京城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市各類設(shè)施的建設(shè)規(guī)模和范圍不斷擴(kuò)大，城市的工程建設(shè)對(duì)地面塌陷安全造成了顯著的影響。北京市區(qū)內(nèi)與工程塌陷相關(guān)的致災(zāi)因子主要有：管線的滲漏與侵蝕；地層沉降；施工方法不當(dāng)；人工堆載。

4.2.1 管線的滲漏與侵蝕

北京市城區(qū)第四系“二元結(jié)構(gòu)”的地層巖性特點(diǎn)：最上面一層是雜填土、黃土層，屬不透水層，局部有滯水；再向下是砂卵石透水層，承壓水。地層二元結(jié)構(gòu)中的地下工程施工前要抽干地下水，但界面的水不容易抽掉，常導(dǎo)致上方土體坍塌。地下供、排水管線漏水后會(huì)在地下形成一個(gè)大水囊，常增加塌陷的危險(xiǎn)，發(fā)生地面塌陷災(zāi)害。

北京地區(qū)地下各類管線密集，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2006年北京地下自來水管線約9 981km，污水管道約2 909km［7］。這些管道中，有些管道年代較早，受當(dāng)時(shí)施工技術(shù)的限制，管線的接頭抗變形能力較差，加上年代久遠(yuǎn)（有些還是明清時(shí)期的舊磚溝式的排水管網(wǎng)），管道失修、銹蝕、老化現(xiàn)象嚴(yán)重，管道滲水現(xiàn)象難免。一方面管道的滲水會(huì)減弱管道周圍土體的強(qiáng)度，在流沙地層，管線的滲漏還會(huì)產(chǎn)生地下空洞，加上城市建設(shè)的擾動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致地面塌陷現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2.2 地下水的過度開采

北京是一個(gè)嚴(yán)重缺水的城市，地下水是北京市的主要供水水源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年城近郊區(qū)地下水開發(fā)利用量占全市總供水量的40%［1］。由于長期過度開采地下水，目前已經(jīng)形成了5個(gè)地面沉降區(qū)。過度開采地下水會(huì)使地下水位降低，土體中有效應(yīng)力增大，土體發(fā)生壓縮固結(jié)。由于地層的不均勻性，地層會(huì)發(fā)生不均勻沉降。另外，地下水下降過程中侵蝕作用會(huì)加劇。這些都有可能導(dǎo)致地下空洞的產(chǎn)生，甚至發(fā)生地面坍塌。未坍塌的地下空洞也為以后的地面塌陷埋下了隱患。

4.2.3 施工方法不當(dāng)

工程建設(shè)的施工必然會(huì)引起地層的位移，如果施工方法不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致地層位移過大從而導(dǎo)致地面坍塌的發(fā)生。例如，在地下水位較高的砂卵石地層中開挖地鐵隧道則宜采用盾構(gòu)法而不宜采用淺埋暗挖法。前者既保證了施工的安全還可以有效控制施工引起的地層位移，防止地面坍塌的發(fā)生。所以，施工方法在地下工程建設(shè)中至關(guān)重要。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于地鐵施工方法不當(dāng)所造成的環(huán)境事故中，地面塌陷占58.57%（圖7）。

圖7 施工不當(dāng)引發(fā)的各類環(huán)境事故Fig.7 Environmental accidents induced by improper construction methods

4.2.4 人工振動(dòng)

由于施工震動(dòng)使得飽和砂土液化，液化后的砂土呈流塑狀態(tài)，砂土隨液體流走，進(jìn)而引發(fā)地面塌陷。2006年6月27日，海淀南路正在施工的地鐵10號(hào)線三標(biāo)段發(fā)生坍塌，其致災(zāi)原因是在施工區(qū)域因地面下的流沙引起坍塌，施工振動(dòng)是引起流沙的一個(gè)重要因素，而并不是僅僅是由于地下管線的滲漏引起。

5 結(jié)語

通過本文的研究得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）北京地區(qū)地面塌陷類型可分為采礦地面塌陷和工程地面塌陷兩種，孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、致災(zāi)因子多樣。

（2）從空間分布特征看，北京市近幾年地面塌陷呈波浪狀上升態(tài)勢，集中分布在市區(qū)內(nèi)，尤以北四環(huán)、東四環(huán)附近居多；從年內(nèi)分布看，地面塌陷多發(fā)生在旱季及雨季初期。

（3）采礦地面塌陷主要分布在北京西山門頭溝地區(qū)，主要致災(zāi)因子有開采深度、礦體傾角、降雨、大量疏排水等；工程地面塌陷主要分布在北京城區(qū)，主要致災(zāi)因子有管線的滲漏與侵蝕、地下水的過度開采、施工方法不當(dāng)、人工振動(dòng)等。

［1］北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局.北京城市地質(zhì)［M］.北京：中國大地出版社，2008.

［2］北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局.北京地質(zhì)災(zāi)害［M］.北京：中國大地出版社，2008.

［3］羅文林，韓煊，劉赪煒.北京地區(qū)基坑支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（增刊）：1534－1537.

［4］杜濤，于秀治，韋京蓮.北京市地質(zhì)災(zāi)害狀況及制定地質(zhì)環(huán)境管理辦法論證［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14（3）：39－42.

［5］杜國棟，李曉，丁恩保.礦體傾角對(duì)地表沉降的影響研究［J］.金色礦山，2006，356（2）：9－11.

［6］慎乃齊，張杰坤，連建發(fā)，等.京郊門城鎮(zhèn)地面塌陷危險(xiǎn)性研究［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2000，14（4）：479－483.

［7］馬延明.北京城建工程基坑和地面塌陷災(zāi)害研究［J］.城市地質(zhì)，2007，12（4）：5－8.

CHARACTERISTICS OF THE GROUND SUBSIDENCES IN BEIJING AND THEIR CAUSES

Bai Ling－yan，He Jing，Wang Ji－ming
（Beijing Institute of Geological Survey，Beijing 100195，China）

Ground subsidences have，increasingly，been threatening Beijing severely in recent years.Their environments｜and temporal－spatial distribution，as well as their causes，are discussed here.Furthermore，they are classified here into two types：mining and engineering.The former is mainly distributed in the Mentougou valley of West Mountain，with mining depth，orebody dip－angle，rainfall and drainage as the main causes，while the latter is in the urban area，with pipeline leak－erosion，groundwater overexploitation，improper construction methods and artificial vibration as the main causes.

ground subsidence；distribution；cause；Beijing

P642.26

A

1006－4362（2011）04－0041－05

2011－10－25 改回日期：2011－11－26

白凌燕（1982－ ），女，工程師，碩士，主要從事城市地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面的工作。