什么是地面塌陷

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2020年1月13日，青海西宁市城中区一公交车站附近地面突然塌陷，一辆搭载乘客的公交车掉入坑中，致使9人遇难。

2019年12月12日，厦门吕厝路口地铁1号线和2号线外的配套物业开发项目施工现场发生约500平方米地面塌陷，造成埋设在道路中的自来水管、污水管破裂，水流涌入地铁1号线和2号线吕厝站。

2019年12月1日，广州地铁十一号线沙河地铁站施工区域出现路面塌陷，一辆清污车和一辆电动单车掉落其中，造成3人失踪。

地面塌陷对人类生命财产安全和交通出行造成了很大的威胁，今天由小编来带领大家认识一下地面塌陷。

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定义及危害

第①章節

地面塌陷指的是天然洞穴或人工洞室上覆岩土体失稳突然陷落，导致地面快速下沉、开裂的现象和过程。地面塌陷的危害主要有以下四点：

1、破坏地面建筑、造成人员伤亡。如黑龙江鹤岗煤矿，开采70多年来，已塌陷土地41.97km2。

2000年4月6日，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑18个，最大陷坑长63米、深约6～7米。有16栋民房出现不同程度的开裂、破损、倒塌。

2、损毁铁路、公路和水利设施。2008年11月15日杭州地铁一号线地面塌陷事故，造成75米的路面陷落了15米，正在行驶的十一辆汽车包括一辆公交车陷入坑内，致17人死亡，4人失踪。

3、破坏农田

4、引发矿井水患。如：2009年7月22日，黑龙江鸡西鑫永丰煤矿地面塌陷，引发矿井水灾。

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我国地面塌陷分布的特点

第②章節

岩溶地面塌陷分布

岩溶塌陷主要集中在扬子地台和华北地台的碳酸盐岩分布区，可分为南、北岩溶塌陷高发区。

1、北方岩溶地面塌陷区

长江以北，除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外，现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主。

岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带，如辽宁省的南部、山东的泰安、枣庄、莱芜、河北的唐山、秦皇岛柳江盆地、江苏的徐州、安徽的淮南、淮北等地。也分布有古代岩溶塌陷的痕迹——陷落柱。

2、南方岩溶塌陷区

位于长江以南的广大地区，是我国碳酸盐岩分布最集中、面积最大的区域，总面积约176.08×104km2。气候温热湿润，植被茂密，地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块，现代岩溶十分发育。

矿山采空区地面塌陷的分布

矿山采空区地面塌陷是我国地面塌陷中另一种重要形式。其中煤矿开采造成的地面塌陷比例最大。

目前我国采矿业造成的地面塌陷主要分布在全国20个省区市，塌陷点总数达17138个，占全国各种类型地面塌陷总点数44.4%，其中湖南省为12549个，再其次为内蒙古自治区2800个，再其次分别为山西、黑龙江、安徽、河南等省。

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地面塌陷的形成条件

第③章節

岩土体的内部条件

1、地下存在空洞

地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件，地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。天然洞穴是由自然地质作用形成的，包括岩溶洞穴、土洞（黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘融化形成的土洞）。人工洞室是人工采掘活动所形成的，包括人防工程、地铁、隧道、蚀洞和采矿形成的地下巷道系统。

2、洞穴围岩状况

地下洞穴的受力状况如同梁的受力，洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁，洞的两侧如同位于梁端的两个支点。是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。

一般而论，当洞穴埋藏深度与洞穴高度之比大于25：1时，洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带，即冒落带、裂隙带和弯曲带。

岩土体的外部条件

1、自然影响因素

（1）大气降水

降雨造成的渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大，自重加大；下渗水流会湿润裂隙面，降低岩石块体间的抗滑阻力，从而引起洞顶和洞壁的进一步变形而失稳。降雨强度大、历时较长时，入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙，形成较大的动水压力和冲刷作用。在岩溶地区，降水入渗对补给封闭岩溶洞穴，快速上升的岩溶水会压缩洞内，形成上挤的压力，导致气爆发生，引发洞顶塌陷。

（2）河、湖近岸地带的侧向倒灌作用

河、湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质。汛期洪水位急剧上升的情况下，河、湖水将向地下水产生侧向倒灌，地下水位随之上升。这时岩溶地下水对洞隙上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大。在洪水位迅速回落时，岩溶地下水位回落快于潜水位，对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减，通过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用，在盖层中形成土洞进而扩展形成塌陷。这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷，简称为洪水塌陷。

（3）地震

一是地震力可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大，引起岩层破裂、位移加剧；

二是洞隙上覆松散饱水细粒物质发生“液化”，而形成地面塌陷。

2、人为活动的影响

人为激发活动主要表现在地面施加荷载、人为爆破、车辆振动、水库蓄放水的人工调节等。对于岩溶地面塌陷，除上述人为活动外，地下水的抽排、回灌，尤其是快速、大降深的抽水活动往往是引发地面塌陷最普遍的原因。

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地面塌陷的发生机理

第④章節

矿山采空区地面塌陷的机理

第一阶段为掘进和回采的初期，存在冒落带、断裂带和弯曲带 ；

第二阶段为地裂缝发展阶段，仅存在冒落带和断裂带；

第三阶段为地面塌陷阶段，仅存在冒落带。

岩溶地面塌陷的机理

形成塌陷的原因很多。如潜蚀、真空吸蚀、振动、土体软化、建筑荷载。因当地条件不同，产生塌陷的原因而不同，也可能是以一种原因为主导，多种因素综合作用的结果。

1、 潜蚀作用

潜蚀论是1898年俄国学者巴浦洛夫提出。

在覆盖型岩溶区，下伏存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时，水力梯度增大)。在一定的水压力作用下，地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空。从而在洞体顶板处的土体开始形成土洞，随着土洞的不断扩大，最终引发动洞顶塌落。当土层较厚或有一定深度时，可以形成塌落拱而维持上伏土层的整体稳定。当土堆较薄时，土洞不能形成平衡。

2、真空吸蚀效应

真空吸蚀效应是我国徐卫国等在1979年提出，且国内也普遍接受的论点。

岩溶网络的封闭空腔（溶洞或土洞）中，当地下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时，地下水由承压转为无压，空腔上部便形成低气压状态的真空，产生抽吸力，吸蚀顶板的土颗粒，同时内外压作用，覆盖层表面出现一种“冲压”作用，从而加速土体破坏。

3 、压强差效应

压强差是指岩溶空腔与松散介质（或土洞）接触面上下侧水、气流体，因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值。

4、自重效应

雨水入渗后，盖层饱和容重比干容重一般增加30%-40%。使土拱承受更大的重量，导致塌陷。

5、浮力效应

岩土体位于地下水位之中，当地下水位下降时，除产生压强差效应外，土体的浮托力也随之减小，产生塌陷。

6、土体强度效应

土体吸水饱和后，土体抗剪强度降低，土拱抗塌力减小，产生塌陷。

7、其他效应

振动效应、 荷载效应、酸液效应。

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地面塌陷的预防

第⑤章節

岩溶地面塌陷灾害预防

1、查明洞穴分布

调查工作应在查明区域地质、水文地质背景的基础上，运用钻探和物探手段确定浅表洞穴的分布情况，并从危险性的角度进行分区。对松散堆积物厚度不大，且直接覆盖在溶洞和隙宽较大溶隙开口处的那些地段，要予以高度重视，不应布设任何建筑物。

2、对已出现地面变形，但尚未塌陷的地点，要圈围出警戒区，及时撤离人员。

3、拟建的以岩溶水为开采对象的供水源地布设地点，场地选择时，应事先进行致塌危险性的充分论证，并尽可能远离村镇和人口密集区。

4、对分散开采的农村井机，应强调小流量小降深逐渐过渡到预定开采量的操作方法，以避免洞穴负压的形成。

5、在可能出现塌陷的地段，要防止地表水的进入，对严重漏水的河溪、库塘进行铺底防漏或人工改道。

6、加强对岩溶水位，尤其是地面变形的监测，要注意宣传，加强群测群报的工作。

采空区地面塌陷危害的预防

1、矿山开采前应结合开采方式、开采进度，运用采动理论估算不同开采期，地面变形的范围和程度，做出风险评估，必要时修改原有开采方式和流程。

2、要明确禁采区和限采区，对地表重要建筑物、水库和城镇所在地要结合采深采厚和地质条件分析，拿出危害后果最小的开采方案。

3、开采过程中要对不同区块的地面变形进行监测预报，及时撤离人员。

4、矿坑排水设计必须考虑地面塌陷的可能地点、规模，避免单纯追求疏干工期的做法。

5、改进井巷顶板管理方法，在条件允许的情况下，尽可能采用充填法。在一般情况下，为减少地面变形造成的损失，应留有足够数量的矿柱，而且禁止对矿柱的回采。

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地面塌陷的治理

第⑥章節

岩溶地面塌陷的治理

1、清除填堵法

常用于相对较浅的塌坑或埋藏浅的土洞。清除其中的松土，填入块石、碎石形成反滤层，其上覆盖以粘土并夯实。

2、跨越法

用于较深大的塌陷坑或土洞。对建筑物地基而言，可采用梁式基础、拱形结构，或以刚性大的平板基础跨越、遮盖溶洞，避免塌陷危害。对道路路基而言，可选择塌陷坑直径较小的部位，采用整体网格垫层的措施进行整治。

3、强夯法

在土体厚度较小、地形平坦的情况下，采用强夯砸实覆盖层的方法消除土洞，提高土层的强度。

4、钻孔充气法

随着地下水位的升降，溶洞空腔中的水气压力产生变化，经常出现气爆或冲爆塌陷，设置各种岩溶管道的通气调压装置，破坏真空腔的岩溶封闭条件，平衡其水、气压力，减少发生冲爆塌陷的机会。

（湖南白洋湾水库用卧管和烟筒通气法防治岩溶塌陷）

5、灌注填充法

在溶洞埋藏较深时，通过钻孔灌注水泥砂浆，填充岩溶孔洞或缝隙、隔断地下水流通道，达到加固建筑物地基的目的。灌注材料主要是水泥、碎料（砂、矿渣等）和速凝剂（水玻璃、氧化钙）等。

（山东泰安车站用灌浆堵塞岩溶裂隙

防治地面塌陷）

6、深基础法

对于一些深度较大，跨越结构无能为力的土洞、塌陷，通常采用桩基工程，将荷载传递到基岩上。

7、旋喷加固法

在浅部用旋喷桩形成一“硬壳层”，其上再设置筏板基础。“硬壳层” 厚度根据具体地质条件和建筑物的设计而定，一般10～20 m 即可。

（铁道部门用旋喷桩加固软土地基

防治岩溶塌陷）

采空区地面塌陷的治理

1、对破坏的土地应进行整理、平复，以防滑坡、崩塌的出现。

2、危房改造必须到位，严重损毁的房屋必须拆除。

3、对进入充分采动阶段（冒落带发育到地表）的地段，土地整理工作至少应在塌陷后两年进行，由于残余变形将持续很长时间，这些地段短期内一般不宜建造永久性建筑物。对仍处于非充分采动阶段的地段，不宜开展正规的土地整理，以免前功尽弃，或采用钻孔灌注法，填充地下空腔，使之达到稳定状态。

校对：黄志伟

美编：罗钰钦