房山区108国道宝水段地面塌陷成因分析

黄来源，李远强，李军辉，陈 伟，吴 彬，赵 越

（北京市地质研究所，北京 100120）

0 引言

北京西部山区地面塌陷的形成主要与长期以来的地下采煤活动密切相关，采空塌陷的形成主要是由于古代、近代和现代的地下采煤活动形成的地下采空区塌落，造成地面的沉降或者陷落，进一步造成地面建筑破坏，公路、铁路、管线等线状工程扭曲损毁，农田、林地损毁，甚至造成人员伤亡[1]。

近年来，北京市逐步关停了西山地区所有小窑及大部分乡镇煤矿，地面塌陷的灾害的发生有所缓解，但历史采煤遗留的地下采空仍然威胁着北京市西山地区的人民生命财产安全和产业经济发展，采空塌陷灾害的防治工作仍然任重而道远。

房山区蒲洼乡108国道宝水段曾发生过地面塌陷，采煤是该区主要的工程活动，煤炭开采历史较长，主要开采时期为20世纪80～90年代。由于地方小煤窑开采的煤层较浅，开采工艺、技术比较落后，80年代末该地区陆续出现了水源枯竭和地面塌陷、地裂缝等地质灾害，给当地人民生活带来了严重的影响，而且直接威胁到了108国道的安全。为了避免对环境造成进一步破坏，主管部门从1990年开始陆续关停了当地的小煤矿。

1 地面塌陷灾害特征

该区发育的地面塌陷灾害地表主要表现为路面塌陷、地裂缝和建筑物变形破坏[4]；地下主要表现为局部塌陷、隐伏裂缝、地层下沉等。

1.1 路面塌陷

2007年5月，108国道K121km＋330m处曾出现塌坑一个，直径约25cm，深约50cm。后对塌坑处开挖，开挖深度4m，在其下部未发现大的空洞。为了保证该路段尽快恢复通车，对该处进行了回填砂石料处理（图1）。

在108国道K122km+070m～K122km+200m处，路基北侧挡土墙明显错断，沉降35cm，为保证该路段通车，路面已重新铺油，较原来路面增厚15cm。（图2、图3）

1.2 地裂缝

108国道K121km+0～K122km+500m段路两侧地裂缝发育，顺公路方向地裂缝达9条，长度30~240m，宽度2~180cm，走向32°~124°。（表1、图4~图6）

图2 路面整体沉陷

图3 面层增厚

表1 地裂缝统计表

1.3 建筑物变形破坏

108国道宝水段附近堆金台村居民住房及108国道北侧挡土墙发现多处墙体断裂。(图7)

图4 108国道北侧山坡上地裂缝

图5 108国道北侧山坡上地裂缝

图6 裂缝引起危石下移

1.4 地面塌陷地下探测特征

地面塌陷地下特征的调查主要通过探地雷达（GPR）[5]探测方式进行，探测工作沿108国道K121km～125km段布置长测线1条，全线探测，测线长度为4km；根据初步探测结果，结合地面调查情况，在异常区域布置了加密测线，总长度为1.25km。通过对108国道K121km～125km段地下30m范围内的探地雷达探测，在地下埋深30m内，未发现地下采空区及大的空洞异常，仅发现局部塌陷1处、贯穿基岩由下至上的隐伏裂隙17处，地面下沉2处（表2）。

通过对野外采集的探地雷达数据进行处理，结合野外地质调查结果，对雷达图像中进行解译。雷达图像反映工作区发育局部塌陷、隐伏裂隙、地层下沉3种隐伏灾害形式[6]。

（1）局部塌陷

108国道K121km+330m雷达成果图中覆盖层反射波均匀稳定（图8a），该路段地下5m处雷达波同相轴发生错断，同时产生不均匀反射，判断为覆盖层下的局部塌陷。

（2）隐伏裂隙

图7 108国道K121km+230m北侧墙体开裂

108国道K121km+270m雷达成果图中覆盖层与基岩层分界明显（图8b），覆盖层表现为强反射波层，完整基岩表现为弱反射。图像中有两处雷达波同相轴错断，且穿透基岩，判断为隐伏裂隙的反射波形。

（3）地层下沉

108国道K121km+050～300m雷达成果图中K121km+210m～K121km+265m段雷达波反射界面呈下弧形（图8c），判断为局部地层下沉，下沉区3处反射波同相轴错断，反应出该区段地下裂隙发育。该段上部反射波均匀稳定，说明下沉尚未影响到上覆地层。

2 地面塌陷灾害成因分析

2.1 采空塌陷影响因素

（1）开采方式方法

该区内煤矿开采设备及技术均比较简单，开采方式为井下开采，放炮落煤，壁式工作面。巷道采用木支护，斜井单车提升方式向外运煤，顶板管理为自然垮落法。私建小窑开采随意性更大，难于规范管理，越界开采、不执行开采安全规程的私挖乱采时有发生，更加大了采空塌陷隐患的不确定性。

（2）覆岩破坏程度

表2 雷达探测异常表

该区采煤活动历史悠久，长期的采煤活动，极大的改变了该区地应力结构，打破了原有的应力平衡状态，使得山体遭到破坏，山体结构处于松散状态。由于区内小窑采空距离地表深度较小，导致顶板岩层松动、下沉，甚至塌落，进而使地表岩体沿御荷裂隙面或其他软弱面开裂错动，形成地裂缝或塌陷坑。

2.2 自然地质因素

（1）地层及矿体

根据钻孔资料及以往小窑开采资料显示，该区内共赋存煤层5层。受后期构造作用及火成岩侵入影响，煤层结构复杂，呈鸡窝状分布，厚度不稳定，通常为0.7～3.0m，个别富集地段煤层厚度达18m，部分地段煤层尖灭或被火成岩侵入而取代其层位。煤层倾向340°～352°，倾角20°～27°。区内松散覆盖层厚度分布不均，厚度从0～25m不等，主要为残坡积物堆积。钻孔处松散覆盖层厚度7.5m，乃为修筑公路人工堆积形成，主要为人工填土和碎石土，碎屑粒径60～80mm，以碎石为主，含块石和少量粘土。区内煤层的埋藏条件决定了采空区南部距地表较浅，而往北迅速加深的特点，从而也决定了塌陷坑等破坏情况多出现在108国道南侧石炭系地层中。

（2）地质构造

该区构造条件比较简单，整体呈单斜构造，地层走向北东，倾向北西，倾角20°～30°。已查明的采空区分布范围内断裂构造不发育，但其地层内部发育一系列小型褶皱，加之火成岩侵入影响，使煤层结构复杂，厚度极不稳定。

（3）上覆岩层物理性质

工作区内含煤地层岩性主要为泥岩、炭质页岩、粉砂岩、细砂岩和砂岩。泥岩和炭质页岩密度小、含水率高、空隙率高、抗压强度小；粉砂岩、细砂岩和砂岩密度较大、含水率低、空隙率低、抗压强度大[8]。浅部岩层破碎，风化程度从全风化至弱风化不等，深部岩石则完整、新鲜。附近地区岩石的物理力学性质见表3、表4[9]。

（4）降雨

降雨是本区地面塌陷的主要促发因素，区内绝大部分塌陷坑、地裂缝，以及108国道1992、2002年两次塌陷均发生在汛期降雨过程中。降雨对隐伏裂隙长时间的冲刷和溶蚀会使108国道下松散层的空隙逐步扩大，造成地下空洞。地下空洞在沥青路面的支撑下不易被发现，一旦发生塌陷，将会对公路造成突发性的破坏；而且地面塌陷分布范围内出露岩层主要为炭质泥岩、粉砂岩、页岩等，这类岩石含有粘土矿物，遇水后易软化，抗压抗剪强度降低。在下部己被采空，上覆岩层已接近极限平衡状态的情况下，降水不仅增加了上部岩层的荷载，而且降低了岩石的抗压抗剪强度，从而引发地面塌陷灾害。

2.3 其它因素

108国道作为重要的国家级交通干线，平时过往车辆众多，大部分是大型货运载重车辆，其频繁行经本路段时，碾压公路产生地表震动影响也加速了108国道宝水段的下沉、龟裂及侧向滑移。

3 结论

（1）108国道宝水段地面塌陷灾害主要表现为地上、地下两方面的发育特点，地上表现为路面塌陷、地裂缝和建筑物变形破坏；地下表现为局部塌陷、隐伏裂隙、地层下沉等。

（2）108国道宝水段地面塌陷灾害产生的主要原因是由于本地区历史上大规模、高强度的煤矿开采形成的采空，进而导致地面塌陷灾害，另外自然条件中的地层、构造因素、降雨因素等也是本地区地面塌陷灾害发育的原因之一。

（3）由于勘查目的要求及探测方法限制，探地雷达探测深度在地下30m内，区内主要开采煤层在地表70m以下，地表灾害主要由地下深部采空塌陷引发，因此勘查工作对深部地下煤层开采情况及采空塌陷区情况掌握程度不够。

表3 岩石物理力学性质试验汇总表（1）

表4 岩石物理力学性质试验汇总表（2）

（4）地表降水对危险区段有持续性影响，地表降水对隐伏裂隙长时间的冲刷和溶蚀会使108国道下松散层的空隙逐步扩大，造成地下空洞。地下空洞在沥青路面的支撑下不易被发现，一旦发生塌陷，将会对公路造成突发性的破坏，且是非常严重的；同时采空塌陷对地表的影响是持续性的，时间延续很长，建议对该区域地面塌陷进行监测，及时掌握该区域地裂缝、地面沉降、隐伏裂隙、地下局部塌陷等灾害变化情况。

[1] 刘连刚，韦京莲，等.《北京地质灾害》[M].北京：中国大地出版社，2008.

[2] 黄来源，北京西山地区采空塌陷特征及监测方法探讨[J]．岩土工程技术，2011，25(6)：289~292.

[3] 黄来源，安立伟.延庆县玉海路崩塌灾害的危险性评价及防治对策浅议[J]．城市地质，2011,6(4)：7~9.

[4] 陈国浒，刘云华，单新建. PS-InSAR技术在北京采空塌陷区地表形变测量中的应用探析[J]．《中国地质灾害与防治学报》2010, 2l(2):59~63.

[5] 王兴泰. 工程与环境物探新方法新技术[M]. 北京：地质出版社，2003.

[6] 黄来源.浅析城市地下管线现状及基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统的构想[J]．北京地质工作信息化服务论坛论文集，2010.

[7] 马海涛，贺红生，王云海.采空塌陷影响因素分析及颗粒元数值模拟研究[J]．矿冶工程，2010(1):1~4,8.

[8] 黄来源，季 为.四川什邡青牛沱崩塌群特征及其形成的堰塞坝体稳定性评价[J]．中国地质灾害与防治学报，2012，23(1)：39~42．

[9] 北京市地质研究所. 北京西山采空区重点区段塌陷灾害勘查工作报告[R]，2006年.