北京市地面塌陷特征与致灾因子分析

白凌燕，何静，王继明

（北京市地质调查研究院，北京 100195）

北京市地面塌陷特征与致灾因子分析

白凌燕，何静，王继明

（北京市地质调查研究院，北京 100195）

年北京地面塌陷呈波动式上升趋势，威胁严重。在讨论其孕灾环境和时空分布特征的基础上，分析引起地面塌陷的因素。研究把此区地面塌陷分为采矿地面塌陷和工程地面塌陷两种类型。采矿地面塌陷主要分布于西山门头沟，致灾因子包括开采深度、矿体倾角、降雨、和大量疏排水。工程地面塌陷主要分布于城区，致灾因子包括管线渗漏与侵蚀、地下水过度开采、施工方法不当和人工振动。

地面塌陷；分布特征；致灾因子；北京

1 引言

地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑的一种动力地质现象。它具有隐伏性、突发性、群发性、多因性等特点。地面塌陷地质灾害的发生与其发育的地质条件和作用因素密切相关。

北京地区地层除缺少古元古界、新元古界、古生界上奥陶统至下石炭统外，其他地层都有发育。发育多条活动断裂。平原区被第四系广泛覆盖，总体上由几个巨大的冲洪积扇和沉积凹陷构成，在冲洪积扇内发育河流相，在扇间洼地和扇缘分布有湖泊相。由于河流和冲洪积扇的多次迁移，冲洪积扇相互叠压，沉积物横向相变迅速，结构十分复杂。

在这特殊的地质背景下，随着北京的经济高速发展，城市化进程的加快，人类活动剧烈，在诸多的外部因素影响下，北京地面塌陷频繁发生，灾害损失呈不断增长趋势。据不完全统计，2005～2010年北京市发生的地面塌陷达150多次，造成巨大的经济损失。所以研究北京地区地面塌陷的孕灾环境、时空分布特征，分析致灾因子对北京市地面塌陷灾害的防治具有重要意义。

2 孕灾环境

北京地质灾害的发育与其独特的气候背景、构造背景、地层条件、水文条件以及城市的发展息息相关。

2.1 气候背景

北京坐落于华北平原西北隅，东、北、西三面环山，山体海拔高度在200～2 300m之间，南部为宽阔的缓倾斜平原。本市地处半干旱半湿润季风气候区，多年平均气温12℃，四季与昼夜温差均较大。

北京的年降雨量在时间上分布不均。据资料统计，北京市平原区1956～2003年多年平均降水量594.9mm，全年降雨量多集中在6～9月，其间降雨占年降水量的85%以上［1］。北京的年降雨量在空间上也分布不均。一般东北部和西南部山前迎风坡地区为相对降水中心，在600～700mm之间，西北部和北部深山区少于500mm，平原及部分山区在500～600mm之间。连续性的强降雨天气或暴雨成为地面塌陷最常见的诱发因素之一。

2.2 构造背景

北京市的活动断裂主要有北东向的黄庄－高丽营断裂、顺义断裂和夏垫断裂，北西向的南口－孙河断裂（图1）。伴随活动断裂长期活动而经常发生的地质灾害主要包括沿断裂发生的地裂缝和受断裂控制产生的岩溶塌陷，以及由于地裂缝和差异性地面沉降造成的地面塌陷等。如洼里－中国地质大学一带，在长约8km、宽约2km、面积约16km2范围内，钻孔多处揭露溶洞，最大溶洞高度达5m。

图1 北京市主要活动断裂Fig.1 Active fault distribution in Beijing

2.3 地层条件

北京地区地层属华北地层大区，除缺少古元古界、新元古界、古生界上奥陶统至下石炭统外，其他地层都有发育，岩石类型也很齐全［2］。大部分岩石出露在西部和北部山地，平原区则广泛分布着第四纪松散沉积物。

北京平原的第四纪沉积主要由5大冲洪积扇组成：永定河冲洪积扇，潮白河冲洪积扇，温榆河冲洪积扇，泃河冲洪积扇以及大石河冲洪积扇。沉降环境复杂，山前为洪积、冲积相堆积物，在扇中多条河流互相交叠，到了扇缘地带河流的坡度降低，散流和漫流发育，多形成牛轭湖，构成湖相堆积。

总体来说，北京市平原区的沉积物厚度由西向东逐渐增大。西部的各大河流冲积扇顶部以厚层砂土和卵、砾石为主；在城区，大部分范围内的地层过渡为粘性土、粉土与砂土、卵、砾石土互层；再向东则以厚层粘性土、粉土为主（图2）。需要指出的是，因城区历史悠久，上部自然形成的地层结构受人为扰动比较大，城内有许多堙埋的河、湖、沟、坑分布，还有土质不均匀，厚度分布不均的人工填土（炉灰，垃圾，房渣土等等），地层分布没有规律［3］。

图2 老山－通州第四纪地质剖面示意图Fig.2 Quaternary geological profile along the Laoshan－Tongzhou line

北京寒武－奥陶系石灰岩地层和中元古界蓟县系白云岩地层中易发生岩溶坍塌。根据袁道先、蒋忠诚等人的研究，房山溶洞群是我国北方温带半干旱半湿润气候岩溶洞穴的典型代表。这表明北京地区地质史上的岩溶作用相当强烈。西部山区石炭系－二叠系和侏罗系地层易发生采矿塌陷。主要分布在房山与门头沟区，海淀区与丰台区也有零星分布。

2.4 水文条件

北京平原区第四系地下水主要赋存于第四系松散堆积沉积物孔隙中。永定河、潮白河、温榆河等河流联合作用控制着含水层的富水性、分布范围等，具有不同的水文地质特征。

从山麓地带到平原区地下水的分布大致呈以下特征：由西向东含水层层数由少逐渐变多。西部一般为单水层，在东部发展到4～5层甚至更多；含水层岩性的粒度由西向东逐渐变细。西部以砂卵石、砾石层含水为主，东部则以砂土层含水为主；单个含水层厚度由西向东逐渐变薄。西部一般30～40m左右，东部一般10～20m。工程中常遇到的地下水主要有3层，即上层滞水、潜水和承压水。上层滞水埋藏于填土、粉土及粉质粘土层中，主要分布于东北部及南部。这层水主要受大气降水和管线渗水的影响；潜水埋藏于砂、砾、卵石层中，水位一般在自然地表以下15～35m左右，一般2～3层；承压水亦埋藏于砂、砾、卵石层中，埋深多在35m以下，有多层。

2.5 城市建设的迅猛发展

近些年北京的城市建设不论是从城市规模、城市道路建设还是轨道交通的建设来看，发展都十分迅猛。

2008年，北京房屋建设年竣工量达到4 814×104m2，分别比解放初期的200多万平方米、改革开放初期的400多万平方米增长近24倍和12倍。

1998年至2007年，仅快速路、主干路的总投资达253亿元，总里程达367km。城市快速路的建设从1998年的124km猛增到2007年的236km，增长幅度达90%。同时，城市主干路也增加了153 km。根据《北京城市近期建设规划（2006－2010）》以及《北京交通发展纲要》，到2010年，中心城区干道网密度提高到2.56km/km2。中心城区快速路系统总里程达到280km，中心城区主干道网总里程达到540km。

到2001年，北京共竣工了42km城市轨道；到2003年，地铁运营总长已经达到114km；到2008年，地铁运营总长已经达到200km；到2015年，将建成19条轨道交通线。地铁线，总长达到561km。

城市建设的迅猛发展，加剧了人类活动对地层的扰动；人口的不断增多，增大了对地下水资源的开采。而这些都为地面塌陷创造了发育条件。

3 地面塌陷的时空分布特征

北京市地面塌陷诱发因素诸多，其塌陷类型分为采矿地面塌陷和工程地面塌陷两种。采矿地面塌陷主要分布在北京西山门头沟地区；工程地面塌陷主要分布在北京城区。北京市平原区地面塌陷主要有以下特点：

3.1 时间分布特征

从年际分布看，2005年到2008年地面塌陷次数逐年增加，2007年达到顶峰，2009、2010年塌陷次数又达到很高的值（图3）。原因可能为奥运会前大规模的工程建设诱发了地面塌陷，而奥运年（2008年），工程建设速度及规模明显减少，地面塌陷也相应减少。奥运结束后的2009年和2010年城市建设的速度重新开始加快，地面塌陷数量又开始上升。

北京地区6～9月为雨季，10月至次年5月为旱季，从年内分布看，塌陷多发生在旱季及雨季初期（图4）。据2005～2010年的统计，月平均塌陷次数为2次/月。发生在3～7月份的塌陷占73%，北京市地面塌陷具有波动式上升的趋势。

图3 2005～2010年地面塌陷年际分布Fig.3 Annual distribution of ground subsidences from 2005to 2010

3.2 空间分布特征

北京市平原区的地面塌陷主要集中在城区，四环路范围内，尤以北四环和东四环内居多，占近些年北京市地面塌陷事故的75%以上（图5）。市区南部发展落后于北部、东部地区，严重的地面沉降及特殊的地质条件是造成这一分布格局的主要因素。

图4 北京市地面塌陷年内分布Fig.4 Monthly distribution of ground subsidences

图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 致灾因素分析

人为的地下采矿活动造成的采空区是形成地面塌陷的先决条件，自然重力或其他外界触发因素的作用是其发展的动因［2］。

4.1 采矿塌陷致灾因子

北京西山采煤已有近100a的历史，地下形成了大面积的采空区。据不完全统计，到1993年底已发现塌陷坑1 232个、地裂缝577条、不均匀沉降47处。涉及门头沟、房山、丰台区的20多个乡镇办事处及9个国营矿区，有42个村庄受到不同程度的危害，共有4 247间房被毁，27处公路干道及12处水利设施遭破坏，2 774棵林木及166.67hm2耕地被毁［4］。

门头沟区门城镇坐落在有近5km2的老窑采空区之上。地表有5万多居民和众多企事业单位，近10a来已发生地面塌陷和沉降灾害45处、塌陷坑17个、塌房32间，给当地人们造成了严重经济损失和心理负担，同时也制约和阻碍着该地区人民生活条件的改善及经济建设持续稳定地发展。据预测，西部采煤区今后10a累积塌陷面积将增大到58.76 km2，受危害的耕地与林地面积达1 227.3km2［2］。

4.1.1 开采深度

采空区距离地表的垂直深度（H）与煤层的开采厚度（m）是采矿塌陷的两个重要因素，一般以深厚比（H/m）来衡量。开采深度越浅或开采厚度越大，越容易形成地表塌陷。据统计，塌陷坑的平均深厚比区间值为10.3～24.5，平均中值为17.3，比地裂缝、不均匀沉降的平均中值都要小，这表明形成塌陷的采空区都相对较浅（表1）。

表1 北京西山地区塌陷平均深厚比统计Table 1 Average depth and thickness of the subsidences in West Mountain

4.1.2 矿体倾角

根据倾角的大小，矿体可分为水平和微倾斜矿体，倾角小于5°；缓倾斜矿体，倾角为5°～30°；倾斜矿体，倾角为30°～55°；急倾斜矿体，倾角大于55°。矿体的倾角对于矿山地表塌陷有着极其重要的作用［5］。在矿体倾角较大的大台矿、木城涧矿地表塌陷强烈，塌坑密集；在矿体倾角较缓的房山矿、史家营莲花庵矿等矿区地表塌坑很少。据统计，京西侏罗系煤层区，在H/m＜30条件下，小窑采空区的塌陷率随地层倾角变陡而增大（表2）。

表2 京西采空区地面塌陷与地层倾角关系表Table 2 Relation of subsiding to stratigraphic dip for the mined－out area in Western Beijing

4.1.3 降雨

降雨也是产生采矿地面塌陷的一个重要诱发因素，特别是久旱无雨后突降暴雨。京郊门城镇地区近20a来形成的地面塌陷中有80%发生在雨季［6］。通过对北京西山地区125个采矿塌陷点发生的时间统计，也发现塌陷与汛期关系密切（图6）。分析其原因可能有两点，一是突降的暴雨增加了采空区上部的荷载，使得已经处于极限平衡状态的顶板岩土层破坏；其二是降雨产生的雨水通过渗流、浸润作用使得顶板岩土层吸水软化、强度降低，从而导致塌陷。

4.1.4 大量疏排水

人工抽取地下水强烈地改变了地下水的流态、流速及水力梯度，从而加速了塌陷产生的过程。在门头沟区军庄镇郝家房村，地下存在大量20世纪30～40年代的充水老窖采空区。20世纪80年代初，在进行深部煤层开采时，上部老窖采空区积水被抽干，造成地面不均匀沉降，数百间民房开裂。

图6 北京西山采空塌陷发生的时间分布图Fig.6 Time distribution of mining subsidences in West Mountain

4.2 工程塌陷致灾因子

随着近些年北京城市建设的飞速发展，城市各类设施的建设规模和范围不断扩大，城市的工程建设对地面塌陷安全造成了显著的影响。北京市区内与工程塌陷相关的致灾因子主要有：管线的渗漏与侵蚀；地层沉降；施工方法不当；人工堆载。

4.2.1 管线的渗漏与侵蚀

北京市城区第四系“二元结构”的地层岩性特点：最上面一层是杂填土、黄土层，属不透水层，局部有滞水；再向下是砂卵石透水层，承压水。地层二元结构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，常导致上方土体坍塌。地下供、排水管线漏水后会在地下形成一个大水囊，常增加塌陷的危险，发生地面塌陷灾害。

北京地区地下各类管线密集，据统计，到2006年北京地下自来水管线约9 981km，污水管道约2 909km［7］。这些管道中，有些管道年代较早，受当时施工技术的限制，管线的接头抗变形能力较差，加上年代久远（有些还是明清时期的旧砖沟式的排水管网），管道失修、锈蚀、老化现象严重，管道渗水现象难免。一方面管道的渗水会减弱管道周围土体的强度，在流沙地层，管线的渗漏还会产生地下空洞，加上城市建设的扰动必然会导致地面塌陷现象的发生。

4.2.2 地下水的过度开采

北京是一个严重缺水的城市，地下水是北京市的主要供水水源。据统计，2000年城近郊区地下水开发利用量占全市总供水量的40%［1］。由于长期过度开采地下水，目前已经形成了5个地面沉降区。过度开采地下水会使地下水位降低，土体中有效应力增大，土体发生压缩固结。由于地层的不均匀性，地层会发生不均匀沉降。另外，地下水下降过程中侵蚀作用会加剧。这些都有可能导致地下空洞的产生，甚至发生地面坍塌。未坍塌的地下空洞也为以后的地面塌陷埋下了隐患。

4.2.3 施工方法不当

工程建设的施工必然会引起地层的位移，如果施工方法不当，会导致地层位移过大从而导致地面坍塌的发生。例如，在地下水位较高的砂卵石地层中开挖地铁隧道则宜采用盾构法而不宜采用浅埋暗挖法。前者既保证了施工的安全还可以有效控制施工引起的地层位移，防止地面坍塌的发生。所以，施工方法在地下工程建设中至关重要。据不完全统计，由于地铁施工方法不当所造成的环境事故中，地面塌陷占58.57%（图7）。

图7 施工不当引发的各类环境事故Fig.7 Environmental accidents induced by improper construction methods

4.2.4 人工振动

由于施工震动使得饱和砂土液化，液化后的砂土呈流塑状态，砂土随液体流走，进而引发地面塌陷。2006年6月27日，海淀南路正在施工的地铁10号线三标段发生坍塌，其致灾原因是在施工区域因地面下的流沙引起坍塌，施工振动是引起流沙的一个重要因素，而并不是仅仅是由于地下管线的渗漏引起。

5 结语

通过本文的研究得到了以下几点认识：

（1）北京地区地面塌陷类型可分为采矿地面塌陷和工程地面塌陷两种，孕灾环境复杂、致灾因子多样。

（2）从空间分布特征看，北京市近几年地面塌陷呈波浪状上升态势，集中分布在市区内，尤以北四环、东四环附近居多；从年内分布看，地面塌陷多发生在旱季及雨季初期。

（3）采矿地面塌陷主要分布在北京西山门头沟地区，主要致灾因子有开采深度、矿体倾角、降雨、大量疏排水等；工程地面塌陷主要分布在北京城区，主要致灾因子有管线的渗漏与侵蚀、地下水的过度开采、施工方法不当、人工振动等。

［1］北京市地质矿产勘查开发局.北京城市地质［M］.北京：中国大地出版社，2008.

［2］北京市地质矿产勘查开发局.北京地质灾害［M］.北京：中国大地出版社，2008.

［3］罗文林，韩煊，刘赪炜.北京地区基坑支护技术现状研究［J］.岩土工程学报，2006，28（增刊）：1534－1537.

［4］杜涛，于秀治，韦京莲.北京市地质灾害状况及制定地质环境管理办法论证［J］.中国地质灾害与防治学报，2003，14（3）：39－42.

［5］杜国栋，李晓，丁恩保.矿体倾角对地表沉降的影响研究［J］.金色矿山，2006，356（2）：9－11.

［6］慎乃齐，张杰坤，连建发，等.京郊门城镇地面塌陷危险性研究［J］.现代地质，2000，14（4）：479－483.

［7］马延明.北京城建工程基坑和地面塌陷灾害研究［J］.城市地质，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，工程师，硕士，主要从事城市地质、环境地质方面的工作。