北京市地面塌陷特征與致災因子分析

白凌燕，何靜，王繼明

（北京市地質調查研究院，北京 100195）

北京市地面塌陷特征與致災因子分析

白凌燕，何靜，王繼明

（北京市地質調查研究院，北京 100195）

年北京地面塌陷呈波動式上升趨勢，威脅嚴重。在討論其孕災環境和時空分布特征的基礎上，分析引起地面塌陷的因素。研究把此區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，致災因子包括管線滲漏與侵蝕、地下水過度開采、施工方法不當和人工振動。

地面塌陷；分布特征；致災因子；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力地質現象。它具有隱伏性、突發性、群發性、多因性等特點。地面塌陷地質災害的發生與其發育的地質條件和作用因素密切相關。

北京地區地層除缺少古元古界、新元古界、古生界上奧陶統至下石炭統外，其他地層都有發育。發育多條活動斷裂。平原區被第四系廣泛覆蓋，總體上由幾個巨大的沖洪積扇和沉積凹陷構成，在沖洪積扇內發育河流相，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，結構十分復雜。

在這特殊的地質背景下，隨著北京的經濟高速發展，城市化進程的加快，人類活動劇烈，在諸多的外部因素影響下，北京地面塌陷頻繁發生，災害損失呈不斷增長趨勢。據不完全統計，2005～2010年北京市發生的地面塌陷達150多次，造成巨大的經濟損失。所以研究北京地區地面塌陷的孕災環境、時空分布特征，分析致災因子對北京市地面塌陷災害的防治具有重要意義。

2 孕災環境

北京地質災害的發育與其獨特的氣候背景、構造背景、地層條件、水文條件以及城市的發展息息相關。

2.1 氣候背景

北京坐落于華北平原西北隅，東、北、西三面環山，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氣候區，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間上分布不均。據資料統計，北京市平原區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坡地區為相對降水中心，在600～700mm之間，西北部和北部深山區少于500mm，平原及部分山區在500～600mm之間。連續性的強降雨天氣或暴雨成為地面塌陷最常見的誘發因素之一。

2.2 構造背景

北京市的活動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）。伴隨活動斷裂長期活動而經常發生的地質災害主要包括沿斷裂發生的地裂縫和受斷裂控制產生的巖溶塌陷，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－中國地質大學一帶，在長約8km、寬約2km、面積約16km2范圍內，鉆孔多處揭露溶洞，最大溶洞高度達5m。

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

2.3 地層條件

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

北京平原的第四紀沉積主要由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。沉降環境復雜，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，散流和漫流發育，多形成牛軛湖，構成湖相堆積。

總體來說，北京市平原區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，大部分范圍內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，因城區歷史悠久，上部自然形成的地層結構受人為擾動比較大，城內有許多堙埋的河、湖、溝、坑分布，還有土質不均勻，厚度分布不均的人工填土（爐灰，垃圾，房渣土等等），地層分布沒有規律［3］。

圖2 老山－通州第四紀地質剖面示意圖Fig.2 Quaternary geological profile along the Laoshan－Tongzhou line

北京寒武－奧陶系石灰巖地層和中元古界薊縣系白云巖地層中易發生巖溶坍塌。根據袁道先、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。這表明北京地區地質史上的巖溶作用相當強烈。西部山區石炭系－二疊系和侏羅系地層易發生采礦塌陷。主要分布在房山與門頭溝區，海淀區與豐臺區也有零星分布。

2.4 水文條件

北京平原區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特征。

從山麓地帶到平原區地下水的分布大致呈以下特征：由西向東含水層層數由少逐漸變多。西部一般為單水層，在東部發展到4～5層甚至更多；含水層巖性的粒度由西向東逐漸變細。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 城市建設的迅猛發展

近些年北京的城市建設不論是從城市規模、城市道路建設還是軌道交通的建設來看，發展都十分迅猛。

2008年，北京房屋建設年竣工量達到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253億元，總里程達367km。城市快速路的建設從1998年的124km猛增到2007年的236km，增長幅度達90%。同時，城市主干路也增加了153 km。根據《北京城市近期建設規劃（2006－2010）》以及《北京交通發展綱要》，到2010年，中心城區干道網密度提高到2.56km/km2。中心城區快速路系統總里程達到280km，中心城區主干道網總里程達到540km。

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

城市建設的迅猛發展，加劇了人類活動對地層的擾動；人口的不斷增多，增大了對地下水資源的開采。而這些都為地面塌陷創造了發育條件。

3 地面塌陷的時空分布特征

北京市地面塌陷誘發因素諸多，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；工程地面塌陷主要分布在北京城區。北京市平原區地面塌陷主要有以下特點：

3.1 時間分布特征

從年際分布看，2005年到2008年地面塌陷次數逐年增加，2007年達到頂峰，2009、2010年塌陷次數又達到很高的值（圖3）。原因可能為奧運會前大規模的工程建設誘發了地面塌陷，而奧運年（2008年），工程建設速度及規模明顯減少，地面塌陷也相應減少。奧運結束后的2009年和2010年城市建設的速度重新開始加快，地面塌陷數量又開始上升。

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

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

北京市平原區的地面塌陷主要集中在城區，四環路范圍內，尤以北四環和東四環內居多，占近些年北京市地面塌陷事故的75%以上（圖5）。市區南部發展落后于北部、東部地區，嚴重的地面沉降及特殊的地質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 致災因素分析

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

4.1 采礦塌陷致災因子

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。據不完全統計，到1993年底已發現塌陷坑1 232個、地裂縫577條、不均勻沉降47處。涉及門頭溝、房山、豐臺區的20多個鄉鎮辦事處及9個國營礦區，有42個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處水利設施遭破壞，2 774棵林木及166.67hm2耕地被毀［4］。

門頭溝區門城鎮坐落在有近5km2的老窯采空區之上。地表有5萬多居民和眾多企事業單位，近10a來已發生地面塌陷和沉降災害45處、塌陷坑17個、塌房32間，給當地人們造成了嚴重經濟損失和心理負擔，同時也制約和阻礙著該地區人民生活條件的改善及經濟建設持續穩定地發展。據預測，西部采煤區今后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1 227.3km2［2］。

4.1.1 開采深度

采空區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。據統計，塌陷坑的平均深厚比區間值為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都相對較淺（表1）。

表1 北京西山地區塌陷平均深厚比統計Table 1 Average depth and thickness of the subsidences in West Mountain

4.1.2 礦體傾角

根據傾角的大小，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礦、木城澗礦地表塌陷強烈，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地表塌坑很少。據統計，京西侏羅系煤層區，在H/m＜30條件下，小窯采空區的塌陷率隨地層傾角變陡而增大（表2）。

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

4.1.3 降雨

降雨也是產生采礦地面塌陷的一個重要誘發因素，特別是久旱無雨后突降暴雨。京郊門城鎮地區近20a來形成的地面塌陷中有80%發生在雨季［6］。通過對北京西山地區125個采礦塌陷點發生的時間統計，也發現塌陷與汛期關系密切（圖6）。分析其原因可能有兩點，一是突降的暴雨增加了采空區上部的荷載，使得已經處于極限平衡狀態的頂板巖土層破壞；其二是降雨產生的雨水通過滲流、浸潤作用使得頂板巖土層吸水軟化、強度降低，從而導致塌陷。

4.1.4 大量疏排水

人工抽取地下水強烈地改變了地下水的流態、流速及水力梯度，從而加速了塌陷產生的過程。在門頭溝區軍莊鎮郝家房村，地下存在大量20世紀30～40年代的充水老窖采空區。20世紀80年代初，在進行深部煤層開采時，上部老窖采空區積水被抽干，造成地面不均勻沉降，數百間民房開裂。

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

4.2 工程塌陷致災因子

隨著近些年北京城市建設的飛速發展，城市各類設施的建設規模和范圍不斷擴大，城市的工程建設對地面塌陷安全造成了顯著的影響。北京市區內與工程塌陷相關的致災因子主要有：管線的滲漏與侵蝕；地層沉降；施工方法不當；人工堆載。

4.2.1 管線的滲漏與侵蝕

北京市城區第四系“二元結構”的地層巖性特點：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。地層二元結構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，常導致上方土體坍塌。地下供、排水管線漏水后會在地下形成一個大水囊，常增加塌陷的危險，發生地面塌陷災害。

北京地區地下各類管線密集，據統計，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，受當時施工技術的限制，管線的接頭抗變形能力較差，加上年代久遠（有些還是明清時期的舊磚溝式的排水管網），管道失修、銹蝕、老化現象嚴重，管道滲水現象難免。一方面管道的滲水會減弱管道周圍土體的強度，在流沙地層，管線的滲漏還會產生地下空洞，加上城市建設的擾動必然會導致地面塌陷現象的發生。

4.2.2 地下水的過度開采

北京是一個嚴重缺水的城市，地下水是北京市的主要供水水源。據統計，2000年城近郊區地下水開發利用量占全市總供水量的40%［1］。由于長期過度開采地下水，目前已經形成了5個地面沉降區。過度開采地下水會使地下水位降低，土體中有效應力增大，土體發生壓縮固結。由于地層的不均勻性，地層會發生不均勻沉降。另外，地下水下降過程中侵蝕作用會加劇。這些都有可能導致地下空洞的產生，甚至發生地面坍塌。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

工程建設的施工必然會引起地層的位移，如果施工方法不當，會導致地層位移過大從而導致地面坍塌的發生。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，防止地面坍塌的發生。所以，施工方法在地下工程建設中至關重要。據不完全統計，由于地鐵施工方法不當所造成的環境事故中，地面塌陷占58.57%（圖7）。

圖7 施工不當引發的各類環境事故Fig.7 Environmental accidents induced by improper construction methods

4.2.4 人工振動

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

5 結語

通過本文的研究得到了以下幾點認識：

（1）北京地區地面塌陷類型可分為采礦地面塌陷和工程地面塌陷兩種，孕災環境復雜、致災因子多樣。

（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勢，集中分布在市區內，尤以北四環、東四環附近居多；從年內分布看，地面塌陷多發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，主要致災因子有開采深度、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，主要致災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、人工振動等。

［1］北京市地質礦產勘查開發局.北京城市地質［M］.北京：中國大地出版社，2008.

［2］北京市地質礦產勘查開發局.北京地質災害［M］.北京：中國大地出版社，2008.

［3］羅文林，韓煊，劉赪煒.北京地區基坑支護技術現狀研究［J］.巖土工程學報，2006，28（增刊）：1534－1537.

［4］杜濤，于秀治，韋京蓮.北京市地質災害狀況及制定地質環境管理辦法論證［J］.中國地質災害與防治學報，2003，14（3）：39－42.

［5］杜國棟，李曉，丁恩保.礦體傾角對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，等.京郊門城鎮地面塌陷危險性研究［J］.現代地質，2000，14（4）：479－483.

［7］馬延明.北京城建工程基坑和地面塌陷災害研究［J］.城市地質，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、環境地質方面的工作。