房山區108國道寶水段地面塌陷成因分析

黃來源，李遠強，李軍輝，陳 偉，吳 彬，趙 越

（北京市地質研究所，北京 100120）

0 引言

北京西部山區地面塌陷的形成主要與長期以來的地下采煤活動密切相關，采空塌陷的形成主要是由于古代、近代和現代的地下采煤活動形成的地下采空區塌落，造成地面的沉降或者陷落，進一步造成地面建筑破壞，公路、鐵路、管線等線狀工程扭曲損毀，農田、林地損毀，甚至造成人員傷亡[1]。

近年來，北京市逐步關停了西山地區所有小窯及大部分鄉鎮煤礦，地面塌陷的災害的發生有所緩解，但歷史采煤遺留的地下采空仍然威脅著北京市西山地區的人民生命財產安全和產業經濟發展，采空塌陷災害的防治工作仍然任重而道遠。

房山區蒲洼鄉108國道寶水段曾發生過地面塌陷，采煤是該區主要的工程活動，煤炭開采歷史較長，主要開采時期為20世紀80～90年代。由于地方小煤窯開采的煤層較淺，開采工藝、技術比較落后，80年代末該地區陸續出現了水源枯竭和地面塌陷、地裂縫等地質災害，給當地人民生活帶來了嚴重的影響，而且直接威脅到了108國道的安全。為了避免對環境造成進一步破壞，主管部門從1990年開始陸續關停了當地的小煤礦。

1 地面塌陷災害特征

該區發育的地面塌陷災害地表主要表現為路面塌陷、地裂縫和建筑物變形破壞[4]；地下主要表現為局部塌陷、隱伏裂縫、地層下沉等。

1.1 路面塌陷

2007年5月，108國道K121km＋330m處曾出現塌坑一個，直徑約25cm，深約50cm。后對塌坑處開挖，開挖深度4m，在其下部未發現大的空洞。為了保證該路段盡快恢復通車，對該處進行了回填砂石料處理（圖1）。

在108國道K122km+070m～K122km+200m處，路基北側擋土墻明顯錯斷，沉降35cm，為保證該路段通車，路面已重新鋪油，較原來路面增厚15cm。（圖2、圖3）

1.2 地裂縫

108國道K121km+0～K122km+500m段路兩側地裂縫發育，順公路方向地裂縫達9條，長度30~240m，寬度2~180cm，走向32°~124°。（表1、圖4~圖6）

圖2 路面整體沉陷

圖3 面層增厚

表1 地裂縫統計表

1.3 建筑物變形破壞

108國道寶水段附近堆金臺村居民住房及108國道北側擋土墻發現多處墻體斷裂。(圖7)

圖4 108國道北側山坡上地裂縫

圖5 108國道北側山坡上地裂縫

圖6 裂縫引起危石下移

1.4 地面塌陷地下探測特征

地面塌陷地下特征的調查主要通過探地雷達（GPR）[5]探測方式進行，探測工作沿108國道K121km～125km段布置長測線1條，全線探測，測線長度為4km；根據初步探測結果，結合地面調查情況，在異常區域布置了加密測線，總長度為1.25km。通過對108國道K121km～125km段地下30m范圍內的探地雷達探測，在地下埋深30m內，未發現地下采空區及大的空洞異常，僅發現局部塌陷1處、貫穿基巖由下至上的隱伏裂隙17處，地面下沉2處（表2）。

通過對野外采集的探地雷達數據進行處理，結合野外地質調查結果，對雷達圖像中進行解譯。雷達圖像反映工作區發育局部塌陷、隱伏裂隙、地層下沉3種隱伏災害形式[6]。

（1）局部塌陷

108國道K121km+330m雷達成果圖中覆蓋層反射波均勻穩定（圖8a），該路段地下5m處雷達波同相軸發生錯斷，同時產生不均勻反射，判斷為覆蓋層下的局部塌陷。

（2）隱伏裂隙

圖7 108國道K121km+230m北側墻體開裂

108國道K121km+270m雷達成果圖中覆蓋層與基巖層分界明顯（圖8b），覆蓋層表現為強反射波層，完整基巖表現為弱反射。圖像中有兩處雷達波同相軸錯斷，且穿透基巖，判斷為隱伏裂隙的反射波形。

（3）地層下沉

108國道K121km+050～300m雷達成果圖中K121km+210m～K121km+265m段雷達波反射界面呈下弧形（圖8c），判斷為局部地層下沉，下沉區3處反射波同相軸錯斷，反應出該區段地下裂隙發育。該段上部反射波均勻穩定，說明下沉尚未影響到上覆地層。

2 地面塌陷災害成因分析

2.1 采空塌陷影響因素

（1）開采方式方法

該區內煤礦開采設備及技術均比較簡單，開采方式為井下開采，放炮落煤，壁式工作面。巷道采用木支護，斜井單車提升方式向外運煤，頂板管理為自然垮落法。私建小窯開采隨意性更大，難于規范管理，越界開采、不執行開采安全規程的私挖亂采時有發生，更加大了采空塌陷隱患的不確定性。

（2）覆巖破壞程度

表2 雷達探測異常表

該區采煤活動歷史悠久，長期的采煤活動，極大的改變了該區地應力結構，打破了原有的應力平衡狀態，使得山體遭到破壞，山體結構處于松散狀態。由于區內小窯采空距離地表深度較小，導致頂板巖層松動、下沉，甚至塌落，進而使地表巖體沿御荷裂隙面或其他軟弱面開裂錯動，形成地裂縫或塌陷坑。

2.2 自然地質因素

（1）地層及礦體

根據鉆孔資料及以往小窯開采資料顯示，該區內共賦存煤層5層。受后期構造作用及火成巖侵入影響，煤層結構復雜，呈雞窩狀分布，厚度不穩定，通常為0.7～3.0m，個別富集地段煤層厚度達18m，部分地段煤層尖滅或被火成巖侵入而取代其層位。煤層傾向340°～352°，傾角20°～27°。區內松散覆蓋層厚度分布不均，厚度從0～25m不等，主要為殘坡積物堆積。鉆孔處松散覆蓋層厚度7.5m，乃為修筑公路人工堆積形成，主要為人工填土和碎石土，碎屑粒徑60～80mm，以碎石為主，含塊石和少量粘土。區內煤層的埋藏條件決定了采空區南部距地表較淺，而往北迅速加深的特點，從而也決定了塌陷坑等破壞情況多出現在108國道南側石炭系地層中。

（2）地質構造

該區構造條件比較簡單，整體呈單斜構造，地層走向北東，傾向北西，傾角20°～30°。已查明的采空區分布范圍內斷裂構造不發育，但其地層內部發育一系列小型褶皺，加之火成巖侵入影響，使煤層結構復雜，厚度極不穩定。

（3）上覆巖層物理性質

工作區內含煤地層巖性主要為泥巖、炭質頁巖、粉砂巖、細砂巖和砂巖。泥巖和炭質頁巖密度小、含水率高、空隙率高、抗壓強度小；粉砂巖、細砂巖和砂巖密度較大、含水率低、空隙率低、抗壓強度大[8]。淺部巖層破碎，風化程度從全風化至弱風化不等，深部巖石則完整、新鮮。附近地區巖石的物理力學性質見表3、表4[9]。

（4）降雨

降雨是本區地面塌陷的主要促發因素，區內絕大部分塌陷坑、地裂縫，以及108國道1992、2002年兩次塌陷均發生在汛期降雨過程中。降雨對隱伏裂隙長時間的沖刷和溶蝕會使108國道下松散層的空隙逐步擴大，造成地下空洞。地下空洞在瀝青路面的支撐下不易被發現，一旦發生塌陷，將會對公路造成突發性的破壞；而且地面塌陷分布范圍內出露巖層主要為炭質泥巖、粉砂巖、頁巖等，這類巖石含有粘土礦物，遇水后易軟化，抗壓抗剪強度降低。在下部己被采空，上覆巖層已接近極限平衡狀態的情況下，降水不僅增加了上部巖層的荷載，而且降低了巖石的抗壓抗剪強度，從而引發地面塌陷災害。

2.3 其它因素

108國道作為重要的國家級交通干線，平時過往車輛眾多，大部分是大型貨運載重車輛，其頻繁行經本路段時，碾壓公路產生地表震動影響也加速了108國道寶水段的下沉、龜裂及側向滑移。

3 結論

（1）108國道寶水段地面塌陷災害主要表現為地上、地下兩方面的發育特點，地上表現為路面塌陷、地裂縫和建筑物變形破壞；地下表現為局部塌陷、隱伏裂隙、地層下沉等。

（2）108國道寶水段地面塌陷災害產生的主要原因是由于本地區歷史上大規模、高強度的煤礦開采形成的采空，進而導致地面塌陷災害，另外自然條件中的地層、構造因素、降雨因素等也是本地區地面塌陷災害發育的原因之一。

（3）由于勘查目的要求及探測方法限制，探地雷達探測深度在地下30m內，區內主要開采煤層在地表70m以下，地表災害主要由地下深部采空塌陷引發，因此勘查工作對深部地下煤層開采情況及采空塌陷區情況掌握程度不夠。

表3 巖石物理力學性質試驗匯總表（1）

表4 巖石物理力學性質試驗匯總表（2）

（4）地表降水對危險區段有持續性影響，地表降水對隱伏裂隙長時間的沖刷和溶蝕會使108國道下松散層的空隙逐步擴大，造成地下空洞。地下空洞在瀝青路面的支撐下不易被發現，一旦發生塌陷，將會對公路造成突發性的破壞，且是非常嚴重的；同時采空塌陷對地表的影響是持續性的，時間延續很長，建議對該區域地面塌陷進行監測，及時掌握該區域地裂縫、地面沉降、隱伏裂隙、地下局部塌陷等災害變化情況。

[1] 劉連剛，韋京蓮，等.《北京地質災害》[M].北京：中國大地出版社，2008.

[2] 黃來源，北京西山地區采空塌陷特征及監測方法探討[J]．巖土工程技術，2011，25(6)：289~292.

[3] 黃來源，安立偉.延慶縣玉海路崩塌災害的危險性評價及防治對策淺議[J]．城市地質，2011,6(4)：7~9.

[4] 陳國滸，劉云華，單新建. PS-InSAR技術在北京采空塌陷區地表形變測量中的應用探析[J]．《中國地質災害與防治學報》2010, 2l(2):59~63.

[5] 王興泰. 工程與環境物探新方法新技術[M]. 北京：地質出版社，2003.

[6] 黃來源.淺析城市地下管線現狀及基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統的構想[J]．北京地質工作信息化服務論壇論文集，2010.

[7] 馬海濤，賀紅生，王云海.采空塌陷影響因素分析及顆粒元數值模擬研究[J]．礦冶工程，2010(1):1~4,8.

[8] 黃來源，季 為.四川什邡青牛沱崩塌群特征及其形成的堰塞壩體穩定性評價[J]．中國地質災害與防治學報，2012，23(1)：39~42．

[9] 北京市地質研究所. 北京西山采空區重點區段塌陷災害勘查工作報告[R]，2006年.