地质灾害之地面塌陷二

第九讲地面塌陷提纲一、概述二、我国地面塌陷分布的特点三、地面塌陷形成条件及发生机理四、岩溶塌陷稳定性评价五、地面塌陷的防治一、概述地面塌陷

定义: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。2010.4.2德国贝恩堡直径30m、深40m塌陷坑

2010.4.8广西贺州一水塘出现近20个塌陷坑

2010.5.3四川宜宾半月43个塌陷坑，最大直径60米

2010.5.26甘肃兰州高速路塌陷坑

2010.5.27湖南沅陵人行道突然塌陷

2010.5.28湖北武汉徐东大街路面塌陷

2010.5.30四川成都大邑新场镇、崇州怀远镇连续多个天坑

2010.5.31危地马拉地面塌陷形成大坑深60m、径30m

2010.6.3广西来宾地陷巨坑连成200m塌陷带

2010.6.4江西南昌昌南大道与迎宾北大道交叉口突然塌陷

2010.6.4浙江衢州高速公路巨坑直径8米、深10m......一、概述地面塌陷的危害一、概述（一）破坏地面建筑、造成人员伤亡（二）损毁铁路、公路和水利设施（三）破坏农田（四）引发矿井水患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。

黑龙江鹤岗煤矿，开采70多年来，已塌陷土地41.97km2，搬迁房屋总建筑面积39.7×104m2，

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6－7米。倒塌，有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。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，17人死亡，4人失踪。二、我国地面塌陷分布的特点（一）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。二、我国地面塌陷分布的特点1、北方岩溶地面塌陷区长江以北，由于华北地台大多为大型宽缓的褶皱和断块构造，气候较干旱，降水量少，岩溶发育程度不高，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。

分布有古代岩溶塌陷的痕迹——陷落柱。华北地台曾经历过多次构造运动，地下水的区域排泄基准面也多次变迁，致使碳酸盐岩地层形成大量的洞穴。古代岩溶塌陷主要分布在晋、冀、鲁、豫、陕等省，太原西山、汾河沿岸、河北太行山一带的煤田中较为常见。二、我国地面塌陷分布的特点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。裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的41.3%，主要分布于云南、贵州、四川、广西、湖南、江西、湖北等省。湖南省岩溶塌陷居全国之首，其次为广东省和广西壮族自治区，再其次为贵州、云南、四川。矿山排水、开采地下水、水库蓄水等人为干扰岩溶水流场的活动，是诱发岩溶地面塌陷的主导力量。二、我国地面塌陷分布的特点（二）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。三、地面塌陷的形成条件及发生机理地面塌陷的形成条件（一）岩土体的内部条件1、地下存在空洞具备一定规模的地下无岩土的空间，即空洞。地下空洞的存在有着两方面的意义：其一，它是洞体顶板、侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠落物的储容空间，在地下岩溶发育区，地下洞穴以及溶蚀裂隙还起着将洞穴暂时堆积物输移到远处或深处溶洞的通道作用。其二，地下空洞为具有多个临空面的空腔，空洞的顶、底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中，而处于稳定性很差的状态，一旦受到外力干扰，容易失稳而发生覆岩的冒落，甚至发生波及地表的塌陷。地下空洞的形成，可以是自然力，也可以是人工挖掘的结果。在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶洞、溶隙、管道等。一般而言，当可溶岩岩性较纯，岩层厚度较大，出露分布广，断层较发育、岩层较破碎时，岩溶较易发育。岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制，多发育于浅部，向深部逐渐减弱。浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁，交替强烈，一般连通性较好，成为塌陷物质的储集空间和运移通道。塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。洞穴愈大，塌陷规模也愈大；洞隙开口愈大，塌陷速度愈快。地下井巷系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室。三、地面塌陷的形成条件及发生机理（一）岩土体的内部条件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。

三、地面塌陷的形成条件及发生机理一般而论，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。（二）岩土体的外部条件1、自然影响因素（1）大气降水降雨入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。三、地面塌陷的形成条件及发生机理（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。三、地面塌陷的形成条件及发生机理（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、人为爆破和车辆振动、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。

三、地面塌陷的形成条件及发生机理三、樱地面弯塌陷岔的形雾成条敞件及线发生控机理二、也地面班塌陷暂发生纳的机半理（一）路矿山采算空区地亿面塌陷隙的机理第一土阶段托为掘桃进和蓝回采头的初今期，性存在摩冒落殿带、悟断裂菌带和卫弯曲揪带捷；第二阶篮段为地搅裂缝发锡展阶段致，仅存错在冒落闸带和断栗裂带；第三阶核段为地雹面塌陷枝阶段，佩仅存在深冒落带恨。形成摇塌陷岛的原曾因很甩多。走如潜碍蚀、管真空动吸蚀帆、振堂动、遇土体欧软化蒙、建诉筑荷悉载。诱因当五地条富件不沫同，支产生议塌陷索的原杰因而港不同歇，也闷可能哀是以尊一种悼原因终为主校导，轿多种饮因素意综合够作用桌的结鬼果。1、潜螺蚀作要用潜蚀论规是189析8年俄国向学者巴脱浦洛夫亚提出。在覆均盖型认岩溶脆区，禾下伏停存在来溶蚀静空洞湖，地会下水信经覆炕盖层亡向空零洞渗陷流(或地下法水位下望降时，阳水力梯恋度增大)。在孟一定川的水民压力惠作用本下，地下水柴对土体笔或空隙输中的充唤填物进柄行冲蚀势、掏空。从而碍在洞体爷顶板处楼的土体逆开始形剃成土洞,随着土馅洞的不仇断扩大孙，最终赞引发动职洞顶塌洪落。当肠土层较铺厚或有崖一定深克度时，味可以形新成塌落奥拱而维土持上伏疼土层的傲整体稳涝定。当锤土堆较扒薄时，躁土洞不羽能形成板平衡。三、地蜂面塌陷咸的形成府条件及贡发生机偿理（二）介岩溶地扔面塌陷烦的机理三、蛛地面炊塌陷唱的形特成条我件及颂发生饶机理2、真仍空吸松蚀效坟应我国徐竭卫国等箭于197窃9年提疯出的吵，国宝内也甚普遍妻接受并这一荒论点真。岩溶鸦网络丽的封循闭空未腔（梁溶洞裤或土饭洞）乎中，爸当地下水属位大幅冒度下降到空制腔盖走层底蜂面下趟时，地下水世由承压厅转为无部压,空腔妄上部浩便形芽成低气压挪状态的培真空，产生文抽吸断力,吸蚀顶押板的土辽颗粒.同时内疮外压作鄙用，覆施盖层表易面出现尽一种“门冲压”崖作用，川从而加晕速土体笼破坏。3、压强洪差效应压强差剖是指岩售溶空腔区与松散雨介质（播或土洞冬）接触历面上下奶侧水、选气流体拘，因岩彻溶管道波水位变父化而产筛生相应丽的压强铺差值.4、自养重效浩应雨水入佛渗后，夏盖层饱蜻和容重贴比干容添重一般跃增加30趴%-肠40魔%。使劲土拱属承受斜更大絮的重罪量，肺导致材塌陷堆。5、浮力拐效应岩土体拌位于地段下水位毅之中，愈当地下船水位下浑降时，砖除产生既压强差灶效应外对，土体额的浮托道力也随照之减小散，产生析塌陷。6、土硬体强限度效违应土体初吸水遇饱和依后，铜土体船抗剪屯强度弟降低桥，土膀拱抗棚塌力执减小报，产敞生塌柿陷。7、其缴他效败应振动效宿应、风荷载效夺应、酸刺液效应三、们地面帽塌陷卵的形符成条晋件及陪发生丹机理岩溶防塌陷旋稳定唯性的浴评价补包括逝：塌陷另堆积近体（恼简称穴塌陷坦体）例、土妇洞及功浅埋挎岩溶捷洞隙等三个买方面的打稳定性怜评价。（一）狠塌陷体速的稳定摆性评价塌陷体台的稳定驱性主要棉根据塌租陷的微满地貌特士征、堆嘱积物的燥性状及悟地下水般埋藏与领活动情塌况等因史素进行异定性评秤价见表忠。四、岩朵溶塌陷买稳定性状评价（二）曲土洞稳酸定性的样评价休止状妙态的土划洞其稳筹定性主反要取决荡于土洞惨顶板埋顽深或其铸与安全纸临界厚叼度之比权。1．成拱作分析法跨（普罗匠特尼可穿夫塌落叠拱理论听）当洞隙绢顶板岩需体被密绪集裂隙站切割呈升块状或伯碎块状霸时，或倒处于松阅散层中春的土洞锦，可认宽为顶板果将成拱浴形塌落貌，而其秃上荷载刑及岩、盆土体则绑由拱自凡身承担戴。此时谷破裂拱识高h为：式中才，h—准—破裂拱糕高（安魔全临界磁高度，m）；h0饮—匪—洞隙浆高度泽（m）；b—馅—洞隙丛宽度垮之半成（m）；Φ—须—内摩陵擦角迟（度叶）；f—孕—坚固系盯数（普煤氏系数香）；R钓——岩石单额轴饱和饥抗压强载度（M幻玉Pa）；σn——粘性土彻剪切面减上的正供压力；c—挨—土的纷粘聚杜力。四、斜岩溶淡塌陷葱稳定闪性评义价2．坍塌邻平衡法土洞顶视板土体饲的平衡欠条件（耗见图）血是：式中呼，G务——层—A进B我D咳C土体自积重；F魂——教—侧壁炭摩擦绸阻力钩；H0通——垄—极限平组衡时的精顶板厚绒度（安榴全临界支厚度）校；D菠——皆—土洞养跨度拢；γ——荡—土体灿密度直；λ—亭——侧压力额系数；φ——那—内摩擦掘角。四、等岩溶层塌陷殖稳定立性评备价3．顶板乓坍塌堵寸塞法对于顶景板较破扮碎的洞叉隙或土爷洞顶板芬，在洞喂内无水轮流搬运峡迁移的微情况下敌，坍落默后其体览积松胀延，当坍昌塌到一么定高度房诚时，洞议体将被熊完全堵周塞，此希时可认陡为洞体酿空间已副被支撑池，不再迟向上扩箩展。其昌所需的四坍塌高画度（即柳安全临申界高度束）h1可估僻算如焦下：四、岩野溶塌陷蔬稳定性骆评价（三）刘浅埋岩污溶洞隙陪的稳定疑性评价1、帜浅埋阀岩溶横洞隙贪稳定奏评价蜻的原杏则当岩溶娃洞隙基瞎岩顶板谣厚度过她薄或软化弱破碎纤时，将脾会丧失番稳定而年垮塌。辩对浅埋悼的岩溶滑洞隙，祥除主要累受洞隙展规模影响外低，还受基岩埋尿深、覆城土的岩婆性结构长与性状子及地下谊水位埋盼深等因素薯的影壤响。洞隙雁稳定漆性的宅评价妇一般轰采用口定性缺评价哨与半饲定量愿评价衔相结伙合的胁方法各。定纽奉性评伤价是北洞隙庸稳定刘条件诸的地赶质分票析，茶是评岔价的椒基础害；半饼定量陪评价讨尽管桨计算银方法旁比较蹄严密快，但横限于笼条件迷的概霜化难采以完市全符混合实暗际，耽其边卡界和驱参数种的确袭定也些难以匹达到浅足够绪的精改度，夺因此筋只能灯起到白补充钥和核酸对的宝作用接。四、岩讯溶塌陷表稳定性尿评价2、辛洞隙音稳定档性的辣定性平评价根据金洞隙左的稳基定条兴件和哥影响凑稳定贩的各贯种因占素，崖综合惧分析妥评价因其稳忙定性仓见表冲。洞隙爷稳定岂性定限性评值价四、岩妈溶塌陷早稳定性已评价3、避洞隙稻稳定饶性的手半定透量评唇价（1）洞隙狗顶板的职安全厚跳度评价对于旁比较末完整何的微抄风化盐坚硬笨岩石概组成悦的洞容隙顶鼠板，殿根据摔大量羊的洞谱隙地丸基工虽程实兴例调虎查统梯计，职其安银全厚指度主泪要与黎洞跨姐有关革，一梯般洞舍隙厚虎跨比芦，楼即执为稳转定安驻全。（2）结构椒力学近船似分析童法①数按洞隙全顶板抗郑弯厚度艺计算按板梁叹受力情症况，其械受力弯昆矩按下庸列情况咸计算：A．当顶乒板跨中递有裂缝制，顶板刃两端支姻座岩石醉坚固完吸整时，龙按悬臂份梁计逄野：B．当撑裂隙深位于获支座需处，箩而顶尸板较它完整疾时，雨按简弊支梁擦计算珍：C．若矮支座垃和顶夺板岩薯石均化较完版整、榴裂隙小胶结疑良好留时，暴按两杆端因满定梁倘计算什：四、岩罢溶塌陷禾稳定性东评价抗弯压验算彼：瓦（纹对于骗矩形店梁：指）故式中，M真——裤—弯矩（kN序·m）；q归——笛—顶板所盆受总荷蛛载，q＝q1＋q2＋q3；q1镇—矛——顶板值厚为h的岩石雀自重（kN／m）；q2末———顶板咬覆土委层自恶重（kN／m）；q3坡———顶板上宗附加荷廉载（kN／m）；l—纷——洞隙限跨度贼（m）；σ——钟—弯曲应絮力（kP岛a）；［σ］——膊—抗弯强产度（kPa），相对灰引岩一纽奉般取侧抗压竭强度丢的1．10～0．125；b—窑——梁板因的宽握度（m）；h—历——顶板岩筑层厚度揭（m）。四、乎岩溶傲塌陷系稳定谊性评滑价（2）杀按洞年隙顶潜板抗残剪的耽安全蓝厚度谨验算武：由下扁列极疏限平菠衡条纳件计港算顶抢板厚研度h：式中，F——疮—上部荷黄载传至朵顶板的吸竖向力咱（kN）；G——陪—顶板套岩土抹自重昏（kN）；U——轻—洞体顶电板处平斯面周长甘（m）；frv———顶板老岩体将的抗得剪强他度，苗对灰快岩一臭般取晶抗压接强度视的0.标06～0.1疗3（kPa）。除上尽述计脊算公宰式外童，应扛用于朴土洞雅稳定遮性评含价的留成拱认分析食法，释坍塌朝平衡娱法及乡丰坍塌某堵塞凭法等阁计算找公式搜，也腹可利奴用。四、岩际溶塌陷送稳定性音评价五、地架面塌陷震的防治“以惰防为叨主、精及时打治理窝”一、们岩溶逐地面尽塌陷误的防兽治（一）积岩溶地懒面塌陷格灾害预黄防1、查明浓洞穴分蠢布：调请查工作朽应在查到明区域喊地质、校水文地边质背景狼的基础谨上，运碰用钻探粮和物探服手段确竭定浅表叙洞穴的滚分布情任况，并泥从危险弄性的角贡度进行觉分区。魂对松散旱堆积物够厚度不即大，且蒙直接覆引盖在溶泳洞和隙甩宽较大劫溶隙开把口处的挽那些地纲段，要咏予以高挤度重视样，不应不布设任嫌何建筑厨物。2、对已叶出现地改面变形嚷，但尚哑未塌陷飞的地点客，要圈于围出警差戒区，锐及时撤届离人员粗。3、拟竖建的乎以岩贱溶水忠为开绑采对兔象的乎供水赢源地叫布设畜地点尊，场信地选咳择时庆，应及事先垮进行邀致塌颂危险可性的先充分劫论证由，并钓尽可养能远睡离村岸镇和盟人口务密集仍区。4、对分霞散开采挎的农村拐井机，邪应强调帐小流量溪小降深蒸逐渐过堂渡到预纪定开采炕量的操育作方法闪，以避但免洞穴零负压的导形成。5、在可轿能出现谣塌陷的筛地段，挺要防止脸地表水饰的进入半，对严捎重漏水论的河溪飘、库塘秘进行铺穿底防漏抱或人工品改道。6、加强狂对岩溶删水位，桃尤其是膏地面变蔬形的监坑测，要镇注意宣效传，加卡强群测邀群报的筐工作。五、颂地面咳塌陷饰的防袜治五、幸地面池塌陷宽的防级治（二污）岩扮溶地铃面塌翼陷的制治理（1）清除轨填堵法常用于可相对较制浅的塌侍坑或埋如藏浅的呢土洞。畏清除其往中的松久土，填信入块石现、碎石事形成反嗓滤层，袋其上覆海盖以粘镇土并夯魂实。广西桂或林榕城丝式回填堵云塞法治遇理岩溶丘地面塌车陷（2）跨越驶法用于海较深漠大的制塌陷帅坑或纤土洞钩。对拒建筑娘物地征基而歌言，绝可采过用梁烟式基沈础、陕拱形胳结构食，或航以刚煮性大发的平政板基宜础跨陷越、扬遮盖丽溶洞崭，避命免塌旷陷危昏害。虑对道滑路路岩基而叙言，袖可选郊择塌紫陷坑历直径抄较小何的部提位，有采用添整体狱网格现垫层雷的措钱施进肆行整妖治。铁道部宅门用扣畜轨梁跨跃越岩溶价塌陷（4）钻朽孔充样气法随着雪地下跌水位任的升存降，狸溶洞门空腔梨中的扔水气融压力丝式产生停变化扑，经掉常出猛现气参爆或岔冲爆斤塌陷物，设奔置各屋种岩伐溶管望道的闹通气顽调压旁装置秆，破存坏真挤空腔章的岩甲溶封氧闭条以件，泼平衡慎其水败、气卫压力婶，减点少发蛇生冲帽爆塌姜陷的礼机会迁。湖南私白洋欺湾水你库用镇卧管伴和烟肚筒通妈气法磁防治相岩溶回塌陷（3）强夯巷法在土体岂厚度较折小、地远形平坦捆的情况催下，采耗用强夯姜砸实覆纺盖层的钥方法消喂除土洞关，提高悟土层的题强度。五、地共面塌陷肥的防治五、地考面塌陷宗的防治（5）灌注击填充法在溶买洞埋丢藏较瘦深时底，通胶过钻阅孔灌薪注水糠泥砂哗浆，皇填充悼岩溶鞋孔洞址或缝既隙、岔隔断到地下贤水流衫通道量，达暴到加括固建封筑物游地基贤的目进的。蓬灌注探材料稳主要阅是水递泥、曾碎料庸（砂脊、矿遣渣等魔）翅和速妈凝剂童（水均玻璃们、、仅氧化不钙）观等归。山东泰供安车站泳用灌浆尾堵塞岩崭溶裂隙初防治地选面塌陷（6）深基捐础法对于愈一些逮深度脸较大决，跨醉越结匙构无笛能为平力的桨土洞障、塌惩陷，它通常押采用既桩基旗工程朗，将骗荷载众传递争到基勒岩上壁。五、塔地面辩塌陷牧的防钟治（7）旋喷幸加固法在浅言部用料旋喷估桩形摇成一商“硬损壳层衣”，宅在其帆上再宣设置付筏板觉基础翼。“梯硬壳设层”拣厚巷度根插据具诞体地制质条靠件和谅建筑芳物的拦设计况而定茎，一基般10～20倘m即可。铁道郑部门脸用旋爽喷桩都加固庸软土迁地基蚕防治康岩溶填塌陷五、地谣面塌陷纱的防治二、矿岗山采空闹区地面悦塌陷的抬防治