基于三維地質結構模型的北京東城區地面塌陷成因分析

李 瀟，何 靜

（北京市地質調查研究院，北京 100195）

0 引言

近年來，北京市地面塌陷事故的頻率和數量都呈上升趨勢，已引起社會各界的廣泛關注。導致城市地面塌陷的因素多而復雜，既有地質條件、氣候等自然因素，也有地下管線老化、地下施工等人為因素，而且往往是多種因素綜合作用的結果。目前對城市地面塌陷事故的形成機制大多數仍然認識不清，使得地面塌陷看似隨機出現，無規律可言，對其防控難以制定科學的對策，因此調查并分析地面塌陷的具體原因，對于保障城市安全非常重要。

1 東城區地面塌陷情況

本次研究通過調查和媒體新聞報道，對2007年-2012年以來發生的地面塌陷進行了統計。統計結果顯示，事故共有10例，最大達30m2，塌陷深度1～3m，最深可達7m（詳見表1）。

2 東城區三維地質結構結構的建立

產生地面塌陷的因素多而復雜，既有外在因素也有內在因素，很多事故無法單純歸因于某一種因素，往往是多種因素綜合作用的結果。但總體而言，地質條件本身是其產生的內在因素，是致災的重要前提條件。

北京城區第四系地層主要為沖洪積成因，土體類型多樣，涉及人工填土、粘性土、粉土、砂土和礫卵石等，并賦存上層滯水、潛水和承壓水三大類地下水，在這樣的地質體中進行地下空間的開發，會遇到空穴、水囊、粉細砂地層等不良地質條件，易引起塌方、涌泥、涌砂等災害。三維地質模型，可以逼真反映地下地質結構全貌，有助于分析地質災害問題成因。本次研究將借助三維建模技術，建立東城區三維地質結構模型，結合其它地質資料，分析本區地面塌陷問題產生的原因。

本次研究共搜集鉆孔161個，但部分鉆孔由于數據重復、編錄不詳、孔深過淺、高程異常等原因，經篩選后可用于三維地質建模的鉆孔有100個，鉆孔深度在25～50m之間。應用GMS7.1軟件進行建模最終生成研究區淺層第四系的三維地質結構模型和十字交叉型立體剖面（圖1、2）。

圖1 東城區三維地質結構概化模型（50m深度）

表1 東城區地面塌陷事故統計表

圖2 GMS生成的工程地質剖視圖

東城區地下50m深度內地層被劃分為8個大層，自上而下依次為：人工填土①層、粉土②層、粉細砂③層、圓礫④層、粘性土⑤層、砂礫石⑥層、粉質粘土⑦層、礫卵石⑧層。各層土的巖性、厚度及相關物理力學指標統計如表2所示。

從空間分布來看，人工填土①層厚度變化較大，北部交道口-安定門-雍和宮一帶，以及南部王府井-崇文門一帶厚度較大，其它地方相對較薄；粉土②層在本區西北部的鼓樓－安定門以北分布厚度最大，中部地安門東－張自忠路一帶較厚，南部崇文門、北京站以南厚度可達15m；粉細砂③層厚度一般在2.5～8.0m，在地安門東－張自忠路一帶較薄，天安門東粉細砂層很薄，而礫石層厚度相對較大；圓礫④層在本區北部普遍缺失，主要缺失地區在北新橋北東一帶，這與永定河向南遷移有關，本區古河道按形成時間順序可分為3期，上部第三期古河道形成時間最晚，主要分布在東城區南部，因此北部普遍缺失圓礫④層；粘性土⑤層在北新橋以北和以東一帶厚度大，一般在10～17m，最大可達20m，長安街分布很薄，一般僅有1～2m；砂礫石⑥層具有北部薄，南部厚的特點，天安門以東，王府井－東單－建國門一帶厚度一般在12～17m；粉質粘土⑦層在本區中部張自忠路和東四十條一帶厚度較大，可達17m；礫卵石⑧層不完全揭穿，50m深度最大揭露厚度26m，在北部鼓樓一帶。

表2 東城區地層條件巖性及物理力學特性概化統計表

3 地面塌陷原因分析

根據已有研究成果，導致城市地面塌陷的原因主要有：不良地質體結構破壞、地下管線老化滲漏或破壞、地下工程施工擾動。張成平等對我國城市隧道施工過程中發生的典型地面塌陷事故進行統計，結果表明，大部分與地下管線滲漏或破壞以及不良地質體破壞有關。其中，由地下管線滲漏或破壞誘發的地面塌陷事故所占比例為38%，由地層中不良地質體引發的地面塌陷事故占31%。

從本次統計的東城區地面塌陷事故資料來看，地面塌陷往往是由多種因素共同作用引起的，既有內在的地質因素，也有諸如施工擾動、管線滲漏、降雨等外部因素。統計的10起塌陷事故中，除了3起事故因資料不詳無法分析原因外，其余7起事故均與外部因素有關。

其中，施工擾動誘因有4起事故。由于地下工程施工（如基坑或隧道開挖）會改變原有巖土體的應力狀態，可能會引起上覆地層位移和地面沉降，甚至地面塌陷。不同的施工方式對巖土體的擾動程度差異較大，如淺埋暗挖法施工對地層的擾動較大，而且重復擾動；而盾構法施工機械化程度較高，掘進速度快，對地層的擾動相對較小。就東城區而言，地面塌陷多發生在路面，塌陷深度也普遍較淺，初步推斷可能與路面施工開挖后回填土不實有較大的聯系。

地下管線滲漏或破壞誘因有5起事故。據了解，東城區存在部分地下管線老化滲漏問題。管線老化后發生滲漏水，可造成附近疏松土層不同程度的密實，土沉降產生的壓力會使老化的管線進一步破裂，導致滲水更嚴重，形成局部的滲流場。若地下管線所在位置存在一層砂質粉土或粉細砂，就可能形成流砂、流土，造成地下空洞，為路面塌陷埋下隱患。另外，降雨誘因有2起事故，由于連續強降雨導致局部入滲量明顯增加，沖刷松散土層而引發塌陷事故。

這些塌陷事故，究其實質，內在的地質因素對地面塌陷的產生起重要作用。根據地面塌陷的深度，從塌陷點的地層條件來分析，人工填土、砂質粉土層往往是塌陷發生所在的層位（表1）。選取塌陷事故較多的6-6’地質剖面（圖3），可直觀地看出地面塌陷多分布在人工填土層中。由于人工填土結構松散，均勻性差，孔隙大，遇水具有濕陷性，土體易產生不均勻沉降甚至塌陷。砂質粉土粘粒含量較少，在飽和狀態下，受施工或交通工具的振動影響易發生液化甚至流砂。以王府井大街北口路面塌陷事故為例，塌陷原因雖然與污水管線滲漏沖刷土層有關，但對照其地層條件（圖4），不難發現，在該塌陷坑7m深度范圍內，上部是2.8m厚的房渣土，其下是4.7m厚的砂質粉土，天然條件下就存在回填土欠壓實和流砂的地質風險，而污水管線滲漏這個外部因素則直接觸發了此次塌陷事故。由此可見，地質條件變化是導致地面塌陷事故的主要原因之一。

圖3 6-6’地質剖面（東西向）

圖4 王府井塌陷點地層柱狀圖

4 結論

通過以上論述，可以看出東城區地面塌陷事故是由多種因素共同作用引起的，既有內在的地質因素，也有諸如施工擾動、管線滲漏、降雨等外部因素。其中，人工填土層不均勻沉降、砂質粉土層發生流砂是塌陷發生的主要地質因素。

三維地質模型是分析巖土體條件與地下空間開發的相互作用關系的有效手段，應將其推廣應用于地下空間的規劃、設計和施工中。

[1]北京市地質礦產局.《北京市區域地質志》[M].1991.

[2]北京市地質礦產勘查開發局，北京市地質調查研究院.北京城市地質[M].中國大地出版社.2008.

[3]北京市地質礦產勘查開發局，北京市水文地質工程地質大隊.北京地下水[M].中國大地出版社.2008.

[4]北京市地質礦產勘查開發局，北京市地質研究所.北京地地質災害[M].中國大地出版社.2008.

[5]鮑亦岡,劉振鋒,王世發等.北京地質百年研究[M].北京：地質出版社,2001.100

[6]張成平, 張頂立, 王夢恕等.城市隧道施工誘發的地面塌陷災變機制及其控制[J].巖石力學，2010，31(z1):303～309.

[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.

[8]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.