第四节 地面塌陷
一、地面塌陷的定义及类型
地面塌陷是指地表岩土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种动力地质现象。地面塌陷的形成原因复杂，种类很多。根据发育的地质条件和作用因素的不同，可分为不同的类型。常见的地面塌陷分类如下。
（1）根据形成塌陷的主要原因，分为自然塌陷和人为塌陷两大类。前者是地表岩土体由于自然因素作用，如地震、降雨、自重等，向下陷落而成；后者是由于人为作用导致的地面塌落。在这两大类中，又可根据具体因素分为许多类型，如地震塌陷、矿山采空塌陷等。
（2）根据塌陷区是否有岩溶发育，分为岩溶地面塌陷和非岩溶地面塌陷。
岩溶地面塌陷主要发育在隐伏岩溶地区，是由于隐伏岩溶洞隙上方岩土体在自然或人为因素作用下，产生陷落而形成的地面塌陷（图2－19）。在可溶岩上有松散土层覆盖的覆盖岩溶区，塌陷主要产生在土层中，称为土层塌陷，其发育数量最多、分布最广；当组成洞隙顶板的各类岩石较破碎时，也可发生顶板陷落的基岩塌陷。我国岩溶地面塌陷分布广泛，以广西、湖南、贵州、湖北、江西、广东、云南、四川、河北、辽宁等省（自治区、直辖市）最为发育。据统计，全国岩溶地面塌陷总数达2 841处，塌陷坑33 192个，塌陷面积约332km2，造成年经济损失达1．2亿元以上。
非岩溶地面塌陷是由于非岩溶洞穴产生的塌陷，如采空塌陷、黄土地区黄土陷穴引起的塌陷、玄武岩地区其通道顶板产生的塌陷等许多类型。采空塌陷指煤矿及金属矿山的地下采空区顶板产生的塌陷，在我国分布较广泛，其中黑龙江、山西、安徽、江苏、山东等省发育严重，据不完全统计，在全国共发生采空塌陷182处以上，塌坑超过1 592个，塌陷面积大于1 150km2，年经济损失达3．17亿元。
我国地面塌陷灾害主要为岩溶地面塌陷和采空塌陷。岩溶地面塌陷分布最广、数量最多、发生频率高、诱发因素最多，且具有较强的隐蔽性和突发性，严重地威协到人民群众的生命财产安全。矿山采空区地面塌陷在许多矿区都有发育，尤以北方煤田区最为严重。其他各类地面塌陷分布零散，发育规模和危害性相对较小。
图2－19 岩溶地面塌陷形成原因
二、岩溶地面塌陷
1．岩溶地面塌陷的定义
覆盖在溶蚀洞穴之上的松散土体，在外动力或人为因素作用下产生突发性地面变形破坏，其结果多形成圆锥形塌陷坑。
岩溶地面塌陷是地面变形破坏的主要类型，多发生于碳酸盐岩、钙质碎屑岩和盐岩等可溶性岩石分布地区。激发塌陷活动直接诱发因素除降雨、洪水、干旱、地震等自然因素外，往往与抽水、排水、蓄水和其他工程活动等人为因素密切相关。在各种类型塌陷中，以碳酸盐岩塌陷最为常见，因抽水而引发人为塌陷的几率最大。自然条件下产生的岩溶地面塌陷一般规模小、发展速度慢，不会给人类生活带来太大的影响。但在人类工程活动中产生的岩溶地面塌陷不仅规模大、突发性强，且常出现在人口聚集地区，对地面建筑物和人身安全构成严重威胁。
岩溶地面塌陷会造成局部地表破坏，是岩溶发育到一定阶段的产物。因此，岩溶地面塌陷也是一种岩溶发育过程中的自然现象，可出现于岩溶发展历史的不同时期，既有古岩溶地面塌陷，也有现代岩溶地面塌陷。岩溶地面塌陷也是一种特殊的水土流失现象，水土通过塌陷向地下流失，影响着地表环境的演变和改造，形成具有鲜明特色的岩溶景观。
2．岩溶地面塌陷的形态特征与规模
岩溶地面塌陷的平面形态具有圆形、椭圆形、长条形及不规则形等，主要和下伏岩溶洞隙的开口形状及其上覆岩土体的性质与在平面上分布的均一性有关。其剖面形态有坛状、井状、漏斗状、碟状及不规则状等，主要与塌层的性质有关，黏性土层塌陷多呈坛状或井状，砂土层塌陷多具漏斗状，松散土层塌陷常呈碟状，基岩塌陷剖面常呈不规则的梯状。
岩溶地面塌陷的规模以个体塌陷坑的大小来表征，主要取决于岩溶发育程度，洞隙开口大小及其上覆盖层厚度等因素。据统计，土层塌陷坑直径一般不超过30m，其中以小于5m的占大多数，达63%～71%，5～10m的占10%～20%，个别大的可达60～80m。塌陷坑可见深度绝大多数小于5m，占总数的84%～97%。基岩塌陷规模一般较大，如四川兴文县小岩湾塌陷，长650m、宽490m、深208m。
3．岩溶地面塌陷的类型
我国岩溶地面塌陷主要发育于华南的连片岩溶区，岩溶地面塌陷类型繁多。
1）自然塌陷
在天然作用下产生的塌陷，约占总数的33%（不包括陷落柱），是各类塌陷中最多的一种。
（1）古塌陷。指形成于第四纪以前的塌陷，如陷落柱。
（2）老塌陷。指形成于第四纪期间的塌陷，具残留形态，往往为后期堆积物充填或掩盖。
（3）新塌陷。指新近时期产生或形成时期不明的塌陷，但形态保持较好。它们多发育于地下水变化迅猛的岩溶山地的洼地、槽谷中，塌陷范围小，强度弱，往往呈单个坑零星分布，塌陷规模随结构不同而差异很大。按其成因，又可分为如下几种。
a．暴雨引起的塌陷。暴雨可导致土体迅速充水和地表水的强烈渗透，并在一定条件下引起岩溶地下水位的急剧上升而产生正压冲爆作用，易于产生塌陷。
b．洪水引起的塌陷。在近岸地带第四系冲积层中潜水位和岩溶地下水位均随洪水位而波动，由于两者渗透性的差异，在波动过程中不但可产生有利于渗透潜蚀作用的附加水头，而且还产生正负压力的作用，这些作用都可导致塌陷的产生。
c．重力引起的塌陷。指在岩溶发育过程中，地下洞穴、管道在崩塌作用下不断扩展，最后导致顶板盖层在重力作用下失稳陷落的现象。在岩溶山区并不罕见。岩溶漏斗、地下河天窗岩溶障谷、天生桥等地岩溶形态有许多就是塌陷的遗迹，这些基岩塌陷规模一般较大，形成之后一般不再复活。
d．地震引起的塌陷。在构造地震作用下，在覆盖层比较薄弱的地段也可产生一系列的塌陷，如1853年2月在湖南新宁关于5级地震的记载“有声如雷，陷成七潭，大小不一，皆有水涌出”。此外，近几十年来地震塌陷也常有，如1976年唐山地震引起数十处塌陷等。
2）人为塌陷
人为塌陷是由于人类的工程经济活动，改变了岩溶洞穴及其上覆盖层的稳定平衡状态而引起的塌陷，约占总数的60%，可见人为作用已成为现代塌陷的重要动力。人为塌陷按成因又可分为坑道排水或突水、抽汲岩溶地下水、水库蓄引水、振动加载及表水、污水下渗引起等类型塌陷，前三者共占人为塌陷的92%。
（1）坑道排水或突水引起的塌陷。是指由于矿坑、隧道、人防及其他地下工程排水或突水引起的塌陷，其中以矿坑排、突水塌陷为主，占人为塌陷的17%。
岩溶地区由于矿产资源的开发，矿坑排水或突水引起的塌陷较为频繁。凡处于覆盖岩溶区的矿区，在其排水疏干过程中，几乎都不可避免地产生塌陷，主要分布于湘中、鄂东南、赣中—赣东北及安徽的沿江地带。由于矿坑排水降深达数十米至上百米，疏干影响范围达数千米以上。因此在所有塌陷中，这类塌陷范围最广，达数至数十平方千米；塌陷坑数量最多，达数百至数千个；持续时间最长，有的20年尚在继续；影响也最严重，多属大、中型塌陷；以土层塌陷为主，见有基岩塌陷，除碳酸盐岩类塌陷外，还有少量红层岩溶地面塌陷。
人为塌陷中的基岩塌陷都与矿坑排水或突水有关。基岩塌陷的盖层可以是碳酸盐岩，各种碎屑岩甚至火成岩（如大广山铁矿见于岩体边缘的强风化带中）。基岩塌陷一般具备两个条件：一是有较大的隐伏洞穴，二是盖层岩层（体）受构造破碎或风化而较软弱。基岩塌陷的特征是：①其规模不等，大者居多，塌陷直径为数米至数百米，塌陷坑深度和塌陷盖层厚度可达数十米以上；②其分布明显地受断裂构造控制，一般多发育于构造交汇破碎带。
（2）抽汲岩溶地下水引起的塌陷。主要由于水井抽水引起，分布较为普遍，约占人为塌陷的49%，均为土层塌陷。当覆盖层厚度较薄（一般小于10m），抽水降深达到5～10m时，多有塌陷产生。由于抽水降深有限，其影响范围为数百米至两千米；塌陷坑数量较少，一般为数个至数十个，仅在集中供水水源地有较大规模的塌陷产生，如贵州水城水钢供水水源地，16口抽水井中有14口井周围出现塌陷1000多个，范围达4km2；河北秦皇岛柳江供水水源地自1987年抽水以来，不到一年的时间产生塌陷286个，范围达3．7km2。
（3）水库蓄水或引水引起的塌陷。岩溶山区、洼地、谷地的小型水库及少量中型水库，多在水体增荷、渗漏潜蚀及雨季地下水位迅猛变化产生的正负压力和冲爆等多种作用下而在库内产生塌陷，成为废库或病库。这类塌陷约占人为塌陷的26%，主要分布于广西、贵州、四川、湖南、云南等省。一般规模较小，塌陷坑数量少，强度较弱，但往往多次复活而不易稳定。
蓄水和坑道抽水、排水还往往引起红层岩溶的塌陷，它们产生于洞隙型岩溶发育的红色钙质胶结灰质砾岩、砂砾岩（湘、赣）及泥灰岩夹层（四川）中，一般规模小，零星分布。
（4）振动或加载引起的塌陷。振动或加载是使覆盖岩溶区处于接近极限平衡状态的隐伏土洞产生塌陷的导因，它们往往与其他因素联合作用。该类塌陷占人为塌陷的6%。如武汉中南轧钢厂堆料场的塌陷，就是在抽水的潜蚀作用形成隐伏土洞的基础上，经钢锭和煤堆的加载作用而塌陷的。振动引起的塌陷在铁路路基附近较为常见，贵昆线K586—K612一段长26km，多漏斗状洼地，覆盖层为厚度不足10m的残坡积红色黏性土，地下水位在基岩顶板以下，1974—1980年沿路基塌陷4段共38个塌陷坑，单个塌坑规模小，多发生于雨季。其成因除了表水下渗潜蚀作用外，主要是火车通过时的振动。以上这些塌陷都发生于隐伏土洞发育的地区。
（5）表水或污水下渗引起的塌陷。在厂矿建筑区，由于场地排水不良造成表水下渗或化学污水下渗溶滤也能导致塌陷的产生，如云南镇雄板桥氮肥厂厂址，覆盖层为亚黏土、含卵砾石黏土层，厚5m左右，最厚的有19m，发育有土洞数十个，基岩为石灰岩，地下水位为7．6～15．7m，位于基岩顶板以下，1972年产生塌陷15个，使工厂设备陷落。其中13个塌陷分布于流水池和污水池一带，显示与表水和污水下渗作用有关。
造成塌陷的原因：一是地基土层中有隐伏土洞；二是含酸废水和地表雨水集中渗漏，既对混凝土强烈腐蚀，又造成了土体中可溶盐的化学溶滤，使土体结构被散解，并促进机械潜蚀作用的发展，从而造成了地面塌陷，这是造成塌陷的主要原因。
4．岩溶地面塌陷的发育规律
1）岩溶地面塌陷的分布规律
岩溶地面塌陷主要分布于岩溶强烈到中等发育的覆盖型碳酸盐岩地区。全球有16个国家存在严重的岩溶地面塌陷问题。我国可溶岩分布面积约为363×104km2，是世界上岩溶地面塌陷范围最广、危害最严重的国家之一。全国共发生岩溶地面塌陷2 841处，塌陷坑33 192个，塌陷面积合计332．28km2。其中以南方的桂、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省（自治区、直辖市）最为发育，北方的冀、鲁、辽等省区也发生过严重的岩溶地面塌陷灾害（段永侯等，1993）。岩溶地面塌陷的分布规律与表现主要有以下几个方面的特征。
（1）多产生在岩溶强烈发育区。我国南方许多岩溶区的资料说明，浅部岩溶愈发育，富水性愈强，地面塌陷愈多，规模愈大。岩溶地面塌陷与岩溶率具有较好的正相关关系（表2－5）。
表2－5 广东省凡口矿区岩溶率与地面塌陷的相关关系
（2）主要分布在第四系松散盖层较簿地段。在其他条件相同的情况下，第四系盖层的厚度愈大，成岩程度愈高，塌陷愈不易产生。相反，盖层薄且结构松散的地区，则易形成地面塌陷。如广东沙洋矿区疏干漏斗中心部位，盖层厚度为40～130m，地面塌陷少而稀；而在漏斗中心的东南部和东部边缘地段，因盖层厚度较小（8～23m），地面塌陷多而密。
（3）多分布在河床两侧及地形低洼地段。在这些地区，地表水和地下水的水力联系密切，两者之间的相互转化比较频繁，在自然条件下就可能发生潜蚀作用，形成土洞，进而产生地面塌陷。
（4）常分布在降落漏斗中心附近。由采、排地下水而引起的地面塌陷，绝大部分发生在地下水降落漏斗影响半径范围以内，特别是在近降落漏斗中心的附近地区。另外，在地下水的主要径流方向上也极易形成岩溶地面塌陷。
2）岩溶地面塌陷的发育过程及其动态特征
对于绝大多数常见的土层塌陷来说，都具有由岩溶洞隙→土洞→塌陷的发育过程，土洞是塌陷的孕育阶段，也是潜在的塌陷，土层塌陷的动态规律受土洞发育过程的控制，后者又因土层岩性结构和厚度、岩溶地下水的状态及引起塌陷的作用因素不同而异。
根据我国的实际情况，按土洞发育的时期可将其分为老土洞和新土洞两类：老土洞是在以往地质历史时期中在自然因素的作用下形成的；新土洞形成于现代，绝大多数是在人为因素作用下形成的，其发展速度一般较老土洞要快得多，其经历的时间短至数小时，长的数日至数月，可称之为速塌型，新土洞的特征是土洞充填物较新，结构很疏松，含水量高，一般处于流动状态，其上部往往有空洞存在。
3）岩溶地面塌陷的伴生与共生现象
（1）岩溶地面塌陷的伴生现象。主要有地面下沉、地面开裂和塌陷地震，它们随塌陷而产生，有时成为塌陷的前兆现象。
a．地面下沉。在岩溶洞隙上覆盖层与厚度较大但由松软的土层组成时，土洞的扩展将引起地面的局部下沉，其发展的结果最终将形成缓发性塌陷。位于建筑物下方的土洞，在其扩展过程中将引起建筑物的不均匀沉降，地面亦将出现局部下沉。
b．地面开裂。在土洞扩展到一定程度而尚未塌陷前，往往首先在地面出现裂缝，这些裂缝大都是弧形断续展布，具拉张特征，有时有多条裂缝呈平行交错分布。裂缝进一步发展形成环状裂缝，且宽度加大，有时内侧下错形成小的错台，但一般不具有水平的相对位移。这些环状裂缝往往是塌陷坑口位置的表征。此外，在塌陷坑外侧周边还可出现弧形的牵引裂缝。在塌陷坑形成后引起坑壁的坍塌。
c．塌陷地震。大规模的塌陷可引起地震效应，由于其产生地震的能量有限，震源深度很浅，因此强度低，震级小，但烈度偏高。贵州开阳县城东南，1957—1958年在石灰岩、白云岩中出现过塌陷地震，震级为3级。1975年1月27日湖北恩施沐抚区大山顶一带，当地群众听到地下有闷雷声，地面见有裂缝，宽1～2cm，长数十至数百米，裂缝附近常见有漏斗或新近塌陷的坑洞，多属基岩塌陷，塌陷地震震级为0．5～0．7级，影响范围南北长15～20km，东西宽2～10km。
（2）岩溶地面塌陷的共生现象。岩溶地区在自然和人为因素作用下除产生塌陷外，还可由于自身所具有的条件出现与之共生的地面变形现象，如沉陷和地裂。它们与塌陷没有必然的成因联系，而是与塌陷不同的另一类变形现象，认识它对于区别塌陷现象有着重要的意义。
a．地裂。岩溶地区可出现不同类型的地裂，除新构造运动形成的地裂可偶见外，较常见的是岩溶地区的红黏土中因具有胀缩性（遇水膨胀、失水收缩）而产生的地裂，并常使建筑物开裂损坏。另一类地裂是由于地面沉降而引起的，伴随地面沉降而出现和分布，沉降愈强烈，地裂也愈密集，其延伸长度由数十米至百余米不等，如江西乐平花亭锰矿在放水试验时伴随沉降出现地裂150多条，最大长度为160m，可见深度为2m。
b．地面沉降。岩溶地区可出现不同类型的地面沉降，常见的一种类型是脱水压密沉降，如昆明翠湖公园附近因通山人防工程排水，岩溶地下水位有较大下降，该处上覆的疏松饱水土层中除有39个塌陷产生外，公园内还普遍见到桥墩下沉、房屋开裂、湖堤外侧开裂等一些明显的下沉开裂现象，这是土层脱水压密的结果。
5．岩溶地面塌陷的形成条件与动力因素
1）岩溶地面塌陷的形成条件
岩溶地面塌陷发育的基本条件是：岩溶洞隙的存在，一定厚度的松散盖层和水动力条件易于改变的岩溶地下水（图2－20）。
（1）岩溶洞隙是岩溶地面塌陷产生的基础。岩溶发育愈强烈，岩溶洞隙数量愈多，其规模也愈大，愈有利于岩溶地面塌陷的形成。岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排浊基准面的控制，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。岩溶洞隙的开口程度是影响岩溶地面塌陷形成的重要因素，岩溶地下水的活动、塌陷物质的运移都是通过洞隙开口处进行的，因此，塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系。实践表明，洞隙规模愈大，塌陷也愈大；洞隙开口愈大，塌陷速度愈快。
图2－20 岩溶地面塌陷形成过程示意图
（2）一定厚度的松散盖层。目前已知塌陷中土层塌陷占96．7%，可见土层是塌陷的主要组成部分。土层可由黏土、砂、砾等各种组分组成，形成单层、双层或多层结构。岩性结构对塌陷的形成有着明显的影响：均一的砂土由于其颗粒间无黏结力，在一定水头的水流渗透作用下，其细小颗粒易于被潜蚀搬运进而淘空破坏，抗塌陷能力最差，塌陷数量相对较多；双层或多层结构的土层，由于有黏性土的缓冲作用，其抗塌陷能力要稍好一些；均一黏性土或底部为黏性土的多层结构土层，由于黏性土具有一定的凝聚力，抗塌陷能力较强，塌陷数量相对较少，塌陷的速度也要缓慢一些。
土层的厚度对塌陷的产生也有明显的影响，据统计，土层厚度小于10m的塌陷占绝大多数；厚10～30m的塌陷数量要少得多；厚度大于30m的仅零星出现。目前所知土层最厚的见于安徽铜陵新桥矿塌陷，其土层厚度达到60m。
（3）易于改变的岩溶地下水动力条件。岩溶地下水一般具有赋存状态复杂（集中管道状或分散网络状）、动态变化迅猛、径流通畅、流态多变的特点，这些特征在不同地段由于其补给、径流、排泄条件的不同而又有明显的差异。影响补、径、排条件的因素除了地质构造外，主要受地形地貌即碳酸盐岩的出露条件、地形切割程度及水文网配置格局所控制，不同地貌类型具有不同的岩溶地下水特征。据此可在宏观上将岩溶地下水概括为三种类型：岩溶山地（裸露型岩溶）的岩溶地下水，岩溶平原、盆地、谷地（覆盖型岩溶）的岩溶地下水和河湖近岸地带的岩溶地下水。
地下水的动力条件是指地下水的赋存（含水介质类型）和水力条件（承压、非承压）及其以水位（水头）、流速、水力坡降等要素表征的条件。在岩溶地下水埋藏较浅、循环交替强烈的地段，岩溶地下水动力条件易于改变，地下水活动变化强烈，有利于塌陷的形成。这些地段有：水位埋藏较浅，多具承压性，变化幅度较大，或在基岩面附近波动的地段；径流较通畅的集中径流带或主径流带；地下水的排泄带；具有潜水（包括土层水）和岩溶水双层含水层结构分布地段；与潜水或地表水体联系密切、交替强烈地段；降落漏斗影响范围内。
2）岩溶地面塌陷形成的动力因素
岩溶地面塌陷是在具备上述三个基本条件的基础上，受到各种自然或人为动力因素的作用而产生的。
（1）岩溶地下水的作用。岩溶地下水的活动在岩溶地面塌陷的形成中具有多种作用，是一种十分重要的动力因素，可以在自然条件下由于气候季节的干、湿变化引起，也可以由于人工抽水、矿坑排水、水库蓄水、引水、灌溉和给排水工程的渗漏引起。主要作用形式包括：溶蚀作用，改变土体的状态，地下水的浮托作用，地下水的渗透潜蚀作用，岩溶地下水位变化引起岩溶洞隙空间的正负压力作用，岩溶地下水的水击作用，地下水的侵蚀和搬运作用等。
（2）降雨及表水（库水、灌溉水、渠运管道渗漏水、建筑物地面排水等）的入渗作用。入渗水流对塌陷的形成有以下几个方面的作用：洞隙盖层岩土体充水增重和软化作用；垂直渗透潜蚀作用；地下水位上升使岩溶洞隙空间气团受压产生正压力；水库蓄水库水对库盘的静水压力形成附加荷载。
（3）河、湖近岸地带的侧向倒灌作用。河、湖近岸地带多有阶地发育，普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质。一般情况下，地下水向河、湖排泄，其水位随河、湖水位的起落而波动。但在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，岩溶地下水位由于其径流较通畅亦随之很快下降，对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减，而潜水位因渗透性相对较弱下降较缓慢，使潜水位与岩溶水位之间的双层水位差增大，从而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塌陷，这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷，简称洪水塌陷，一般在自然条件下即可形成，如有人为因素的叠加，可加快塌陷的发展速度。
（4）地震与振动作用。我国属多地震国家，近年来的唐山、海城等地震都有产生塌陷的实例。地震对塌陷的形成主要有两个方面的作用：地震力使洞隙盖层岩土体产生破裂、位移形成塌陷；洞隙上覆浅埋的松散饱水细粒砂层“液化”而形成塌陷，砂土液化是指饱水松散砂、土在振动作用下有变得紧密的趋势，导致其孔隙水压力骤然升高，砂粒间接触点上传递的压力减小甚至消失，这时砂粒之间就会脱离接触而完全悬浮于水中，像液体一样流动，其特点是伴随有喷水冒砂现象。
除了构造地震外，岩溶区的塌陷地震和大型水库蓄水诱发的塌陷地震时有发生，一般其强度较低，为1～2级，影响范围较小，不致于引起塌陷，但在特殊情况下也可产生塌陷。如桂林柘木镇漓江岸边的地下河出口处管道顶板基岩中产生一直径约35m的塌陷，并出现地震效应，受地震力的冲击并因管道堵塞水流突然受阻产生的水击效应，使柘木镇阶地地面出现喷水冒砂及数十个塌陷，塌陷的散布范围达350m。
人为的爆破和车辆振动，也可造成洞隙顶板的塌落而形成塌陷，主要见于隐伏土洞发育地区，这些土洞顶板已接近极限平衡状态，在强度不大的振动力作用下产生附加荷载效应而导致塌陷。
（5）重力和荷载作用。重力是在塌陷形成过程中自始至终起作用的一种内力，自然条件下的基岩塌陷都是以重力作用为主导而产生的。隐伏土洞的突然塌陷，大多也是土洞在多种因素作用下不断向上扩展，直到土洞顶板在重力作用下其强度难以支承而失稳塌落产生的。
荷载产生附加压力，其作用与重力作用类似。荷载压穿洞隙或土洞顶板引起塌陷主要见于顶板接近于极限平衡状态的隐伏土洞地区。
（6）酸碱液的化学潜蚀作用。在现代人类经济工程活动中，废酸碱液的排放日益增多，它对岩溶地区的岩土体产生强烈的溶蚀和潜蚀破坏作用，大量溶解带走可溶性物质，改变岩土结构，降低强度，导致塌陷。
6．岩溶地面塌陷的危害
岩溶地面塌陷的产生，一方面使岩溶区的工程设施，如工业与民用建筑、城镇设施、道路路基、矿山及水利水电设施等遭到破坏；另一方面造成岩溶区严重的水土流失、自然环境恶化、同时影响各种资源的开发利用（图2－21）。
图2－21 岩溶地面塌陷的危害
7．岩溶地面塌陷发生的前兆特征
岩溶地面塌陷有很长一段变形过程发展于地面以下，一旦地面以上出现前兆，离塌陷时间已近而短促，往往因未及时引起警惕而造成重大损失。然而这些前兆作为塌陷即将发生的序幕，只要仔细观察还是可以发现并作出预警预报的，这对减轻灾害损失具有重要的意义。其主要的前兆如下。
（1）井、泉的异常变化。井、泉水位的骤然升、降，水色突然浑浊或翻砂、冒气。这些现象反映了岩溶地下水动力条件自然发生急剧改变，从而为塌陷作用的发展提供了动力。这些变化的产生或者与附近地表水体（河、湖、坑矿）突然发生集中渗漏有关，或者与地下通道因土洞扩展坍塌造成的堵塞或冲决有关。无论如何它们都将促进土洞的快速扩展，预示着存在塌陷的险情，作为塌陷的前兆有着重要的意义。
（2）地面变形。如地面出现环状裂缝并不断扩展，产生局部的地鼓或下沉现象。它们一般是土洞扩展达到一定规模后其顶板已接近极限平衡状态的现象，这时地面已处于临近塌陷的危险状态。
8．岩溶地面塌陷的简易监测
（1）监测的目的。通过简易监测，一方面是要抓住岩溶地面塌陷的前兆现象；另一方面是取得这些前兆现象变化过程的资料，以便于分析判断其发展趋势，为及时采取应急措施提供依据。
（2）监测点的选择。一般是选择有异常变化现象的点如井、泉水位，地面和建筑物的裂缝等进行监测，对于地面和建筑物的变化，应在变形的不同部位布点；形成监测点网，以全面掌握其变形的系统情况。
（3）监测方法和工具。监测方法和工具可根据具体条件确定，可因陋就简，以能取得观测数据资料为原则。如井、泉水位观测，可在其旁设标尺（最小刻度为1mm）；地面裂缝观测可在不同部位（如裂缝两头、中部等）于裂缝两侧钉上小木桩，其上划出十字作为观测基点，同样用最小刻度为1mm的钢卷尺或木尺量测桩间距离的变化；对墙上的裂缝可在墙上直接划线量测。
（4）监测时间。从发现异常的时候起开始定时观测，时间间隔每日一次，如异常变化剧烈时应增加观测次数，每日可增至两三次。
（5）监测记录。对观测结果应列表记录，力求系统、完整。观测中如遇降雨，应记录降雨的起止时间并估计其降雨强度（小雨、中雨、大雨、暴雨）。位于地表水体附近的监测点应同时观测并记录地表水位的变化。随观测进程可绘制观测曲线，以时间为横坐标，以观测数据为纵坐标，绘出水位变化、裂缝变化等曲线，为分析判断提供基础。
（6）险情警报。当有异常出现，判定其确为险情时，应及时向险情警报系统上报。在未建立险情警报系统的地方，地方政府可根据本地的具体条件建立相应的组织，以利防灾抗灾工作的顺利开展。在观测过程中如发现异常骤然加剧，判定险情已到紧急时刻，应立即上报并果断采取应急措施。
9．岩溶地面塌陷灾害的防治措施
1）控水措施
要避免或减少地面塌陷的产生，根本的办法是减少岩溶充填物和第四系松散土层地下水侵蚀、搬运。
（1）地表水防水措施。在潜在的塌陷区周围修建排水沟，防止地表水进入塌陷区，减少向地下的渗入量。在地势低洼、洪水严重的地区围堤筑坝，防止洪水灌入岩溶孔洞。
对塌陷区内严重淤塞的河道进行清理疏通，加速泄流，减少对岩溶水的渗漏补给。对严重漏水的河溪、库塘进行铺底防漏或者人工改道，以减少地表水的渗入。对严重漏水的塌陷洞隙采用黏土或水泥灌注填实，采用混凝土、石灰土、水泥土、氯丁橡胶、玻璃纤维涂料等封闭地面，增强地表土层抗蚀强度，均可有效防止地表水冲刷入渗。
（2）地下水控水措施。根据水资源条件规划地下水开采层位、开采强度和开采时间，合理开采地下水。在浅部岩溶发育并有洞口或裂隙与覆盖层相连通的地区开采地下水时，应主要开采深层地下水，将浅层水封住，这样可以避免地面塌陷的产生。在矿山疏干排水时，于预测可能出现塌陷的地段，对地下岩溶通道进行局部注浆或帐幕灌浆处理，减小矿井外围地段地下水位下降幅度，这样既可避免塌陷的产生，也可减小矿坑涌水量。
开采地下水时，要加强动态观测工作，以此用来指导合理开采地下水，避免产生岩溶地面塌陷。必要时进行人工回灌，控制地下水水位的频繁升降，保持岩溶水的承压状态。在地下水主要径流带修建堵水帷幕，减少区域地下水补给。在矿区修建井下防水闸门，建立有效的排水系统，对水量较大的突水点进行注浆封闭，控制矿井突水、溃泥。
2）工程加固措施
（1）清除填堵法。常用于相对较浅的塌坑或埋藏浅的土洞。首先清除其中的松土，填入块石、碎石形成反滤层，其上覆盖以黏土并夯实。对于重要建筑物，一般需要将坑底与基岩面的通道堵塞，可先开挖然后回填混凝土或设置钢筋混凝土板，也可灌浆处理。
（2）跨越法。用于比较深、大的塌陷坑或土洞。对于大的塌陷坑，当开挖回填有困难时，一般采用梁板跨越，将两端支撑在坚固岩土体上的方法。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。若覆盖层塌陷的周围基岩稳定性良好，也可采用桩基栈桥方式使道路通过。
（3）强夯法。在土体厚度较小、地势平坦的情况下，采用强夯砸实覆盖层的方法消除土洞，提高土层的强度。通常利用10～12t的夯锤对土体进行强力夯实，可压密塌陷后松软的上层或洞内的回填土，提高土体强度，同时消除隐伏土洞和松软带，是一种预防与治理相结合的措施。
（4）钻孔充气法。随着地下水位的下降，溶洞空腔小的水气压力产生变化，经常出现气爆或冲爆塌陷，因此，在查明地下岩溶通道的情况下，将钻孔深入到基岩面下溶洞的适当深度，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。
（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，从而隔断地下水流通道，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。
（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“硬壳层”，在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，—般10～20m即可。
3）非工程性的防治措施
（1）开展岩溶地面塌陷风险评价。当前岩溶地面塌陷评价只局限于根据其主要影响因素和由模型试验获得的临界条件进行潜在塌陷危险性分区，这对岩溶地面塌陷防治决策而言是远远不够的。因此，在岩溶地面塌陷评价中，需开展环境地质学、土木工程学、地理学、城市规划与社会经济学等多领域、多学科协作，对潜在塌陷的危险性、生态系统的敏感性、经济与社会结构的脆弱性进行综合分析，才能达到对岩溶地面塌陷进行风险评价的目的。
（2）开展岩溶地面塌陷试验研究。开展室内模拟试验，确定在不同条件下岩溶地面塌陷发育的机理、主要影响因素以及塌陷发育的临界条件，进—步揭示岩溶地面塌陷发育的内在规律，为岩溶地面塌陷防治提供理论依据。
（3）增强防灾意识，建立防灾体系。广泛宣传岩溶地面塌陷灾害给人民生命财产带来的危害和损失，加强岩溶地面塌陷成因和发展趋势的科普宣传。在国土规划、城市建设和资源开发之前，要充分论证工程环境效应，预防人为地质灾害的发生。
建立防治岩溶地面塌陷灾害的信息系统和决策系统。在此基础上，按轻重缓急对岩溶地面塌陷灾害开展分级、分期的整治计划。同时，充分运用现代科学技术手段，积极推广岩溶地面塌陷灾害综合勘查、评价、预测预报和防治的新技术与新方法，逐步建立岩溶地面塌陷灾害的评估体系及监测预报网络。
三、采矿塌陷
1．采矿塌陷的定义
采矿塌陷又称采空塌陷灾害、矿区塌陷灾害。采矿塌陷是由于人类采矿使地下大面积被采空后，顶部岩层失去支撑，在自重作用下发生弯曲、张裂、冒落，并在地表形成塌陷坑或塌陷洼地而造成的灾害。
采矿活动中各种人为地质作用，改变了地壳表面的形态和结构，破坏了地质结构在地质作用下的平衡关系，从而引发一系列灾害。
2．采矿塌陷的危害
采矿塌陷的基本特点是分布广、规模大、危害重。在各类矿区中，以煤矿最为突出。中国多采用长壁工作面开采倾角小于45°的煤层，当采区的长度和宽度均超过采深一倍时，普遍发生地面塌陷或下沉。塌陷坑或塌陷洼地多呈椭圆形，塌陷中心与采空区基本对应，边缘常有密集的张裂隙。例如唐山开平煤田分布面积达670km2，开采深度为800m左右，最大采深近千米，形成地下采空区60多km2。所属的十几个矿区普遍发生塌陷，塌陷坑深度从几十厘米到十几米不等，房屋、道路、管线等设施受到严重破坏。1949年以来，共有170个村庄和企事业单位搬迁，耗用搬迁费8亿元，大片农田被毁或严重减产，赔偿费达数亿元。
采矿塌陷严重破坏各种建筑设施和土地资源，是影响矿产开采和矿区环境的重要灾害。采矿塌陷主要危害方式如下。
（1）破坏土地资源。采煤塌陷使大量土地资源被破坏，改变土体结构和土壤成分，导致土地贫瘠、良田废弃。据统计，我国每采万吨煤造成的塌陷面积为2 000～3 000m2。
（2）破坏水资源。采矿塌陷会破坏水系和地下水的自然循环，使地下水结构、水位和水质都发生变化，导致井泉干枯、水库污染，使地下水疏干，造成饮用水源减少，使原本就水资源贫乏的矿城雪上加霜。据统计，我国平均开采吨煤排放的地下水量为2～2．5t。
（3）破坏地形地貌。采矿塌陷改变原有的地形地貌，突出地表现在以下几个方面：一是造成地表塌陷坑、地裂缝，破坏原有的地形地貌；二是对地表植被造成严重的破坏，导致水土流失；三是名胜古迹受到损坏，城市不能正常地规划和建设，直接影响景观建设和旅游业的发展。
（4）破坏生态环境。采矿塌陷会导致生态系统中的生物失去生存条件，造成植物不生长，生态平衡受到破坏。生态系统一旦破坏，恢复治理非常困难，投资巨大，历时又长。
采矿塌陷导致水土流失加剧，土壤肥力降低，严重破坏农业生态环境，使农作物减产、绝产，影响农业发展，不但使农民无地可种，危及粮食安全，而且会引发许多社会问题。
（5）破坏城市基础设施。采煤塌陷会使城市给水、排水、道路、桥梁、通讯、电力、堤防等城市基础设施破坏严重，给塌陷区群众的生活带来不良的影响，造成吃水难、行路难、排水难、住房难、就医难、上学难、购物难、就业难、如厕难、呼吸新鲜空气难这“十难”问题，严重影响煤城（矿区）人民正常的生产、生活。
（6）制约城市经济发展。采煤塌陷会导致采空区建筑物毁坏严重，土地废弃，城市基础设施损毁，造成工厂停工，商店关业，楼房开裂，民房倒塌，塌陷区内满目疮痍，造成许多社会问题。政府每年要投入大量资金用在设施修复方面，据不完全统计，20世纪80年代至今因采矿塌陷造成的经济损失累计已超过500亿元。
3．采矿塌陷的防治
（1）矸石返巷注入防塌法。采煤时在井下对矸石进行利用，将矸石运到采空区的上巷，借助上下巷的坡度，使矸石自然下滑，堆放采空区，以减少地面塌陷的程度（图2－22）。
（2）点式支护防塌法。对采矿区域的地面有重要构筑物的部分，进行井上下对照，计算好下沉的面积，将预制好的材料运至井下采空区，做好安全防护，按特殊抗塌陷设计进行施工，并安装好监测装置（图2－23）。
图2－22 矸石返巷注入防塌法
（3）介入充填防塌法。在地面通过钻孔或管道将粉状或液体物质输送到井下，再进行充填，以达到填实防塌的目的（图2－24）。
图2－23 点式支护防塌法
图2－24 介入充填防塌法
（4）扩张支撑防塌法。对地面已出现的塌陷坑随时都可能发生滑塌的部分，利用扩张支撑的设备与器械进行处理，达到防倒滑塌的目的，进而保证救援和救灾工作的开展。
（5）介质膨胀应力防塌法。用易膨胀材料若干制成球状的特殊抗压易膨胀充气袋进行充气使之膨胀，在膨胀应力作用下防止急剧塌陷的构筑物倾斜倒塌，解决人与机械很难靠近地区的抢险救援难题。
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