0 引言

全球碳酸盐岩分布十分广泛，喀斯特地区面积达 2000×10⁴ km²，约占全球陆地总面积的 12%。中国裸露的碳酸盐岩分布面积约为 91×10⁴ km²，加上覆盖与埋藏的碳酸盐岩，可溶岩分布面积达 340× 10⁴ km²（李海涛等，2015），约占国土面积的1/3，是世界上岩溶发育程度较高的国家之一。

大面积的碳酸盐岩分布为岩溶地面塌陷提供了必要的条件。中国岩溶地面塌陷以南方的桂、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区最为发育，北方的冀、鲁、辽等省也存在严重的岩溶塌陷灾害（雷明堂和蒋小珍，1998；江思义等，2021）。根据不完全统计，国内南方岩溶地面塌陷数量约占全国总塌陷数量的 88%，南北各省岩溶地面塌陷数量对比如图1 所示（贺可强等，2017）。

现代经济建设的快速发展，对岩溶分布地区的资源开发需求逐渐上升，随着自然条件的不断变化以及工程建设的增加，岩溶地面塌陷事故与日俱增。邓有平等（2005）通过对江西省井冈山市新城区岩溶地面塌陷的易发性进行研究，发现地面塌陷易发区占规划区面积的 20.6%。袁杰等（2010）研究了岩溶地下水位对岩溶塌陷产生的影响，阐述了枣庄市十里泉地段从 1981—2010 年发生了 136 次岩溶塌陷。吴孟杰等（2013）分析了在浙江省内岩溶地面塌陷分布的范围，主要以杭州环西湖山区较为严重，迄今为止大约有70处。骆荣等（2012）对广州赤坭镇的岩溶地面塌陷进行调查发现，赤坭镇岩溶地面塌陷超过350处，对各个村的房屋、农田造成了严重的破坏。陈亮晶等（2014）通过对湖南大成桥地区进行勘察，统计出该地区发生了484处塌陷； 高明等（2015）在研究岩溶地面塌陷的成因中提到贵港覃塘区的地面塌陷数量为 15 处。雷柱平 （2018）阐述了安徽省铜陵地区从 2001—2015 年大概有44处岩溶地面塌陷。2022年，广东省清城区发生约 5处岩溶塌陷，直径最大的约为 25 m（李明等， 2022）。多地区的岩溶地面塌陷对人民生命与财产安全造成了严重的威胁，减少或解决岩溶地面塌陷问题成为当务之急。因此，对岩溶地面塌陷成因、机理、预测、防治措施的研究也成为众多学者的重要课题之一。

从 20 世纪 70 年代中期至今，虽然国内学者对岩溶地面塌陷机理、预测、监测和防治的研究取得了丰富的成果，但由于岩溶发育地质条件的复杂性和诱发因素的多样性从而形成塌陷机理的异同性，对岩溶地面的塌陷研究存在一些不足之处。罗小杰和沈建（2018）对目前岩溶地面塌陷的机理、预测、监测和预防研究存在的问题进行了论述，如表1 所示。

针对以上不足与问题，本文结合近年来学者们的相关研究成果，对岩溶地面塌陷的成因及演化机制进行进一步分析及详细概述，为实践工程提供一定的参考价值。

1 岩溶地面塌陷的成因分析

岩溶塌陷是指碳酸盐岩中发育的岩溶洞穴上方的岩土体在人为因素或自然因素作用下发生变形破坏，在地面形成凹陷漏斗的一种地质灾害类型，受到区域地质构造、岩溶发育的实际情况、水文地质条件、地表排水和人为改变地下水动力条件等多种因素的影响（Gutiérrez et al.，2014； Zhou and Lei，2017；Luu et al.，2019；戴建玲等，2024）。在岩溶地区，岩溶地面塌陷产生的原因包括自然因素和人为因素，是在一定的地质和水文条件下的一种地质灾害。岩溶地面塌陷的基础条件必须有一定程度的岩溶发育、一定厚度的上覆松散岩土体盖层以及水动力条件。岩溶洞隙或裂隙的存在，基本代表了岩溶地面塌陷的分布区域，同时也是基本条件（图2）。

1.1 岩溶洞隙的形成

岩溶洞隙发育在漫长的地质时期中，在工程活动（建设水库、矿洞开挖、修建交通等）的影响下，易溶岩（石膏、碳酸盐岩等）发生强烈的溶蚀作用，形成岩溶洞隙，为岩溶塌陷提供空间条件。岩溶洞隙的特征控制着岩溶塌陷的分布，是岩溶地面塌陷的基础。岩溶洞隙主要存在于地表岩溶发育的可溶岩或者是构造断裂带等地层，多分布在地表浅部，深度约 30~50 m，地表深部发育不明显。其形成过程是初期在易溶岩层逐渐发展成裂隙，然后日积月累被流水侵蚀和溶蚀的结果；由于地下水频繁的活动，水动力条件下就会发展很多洞隙以及裂隙，进一步为地面塌陷物质提供了一定的转运场所及存聚空间。

岩溶发育程度也决定着洞隙形成的速度与数量。一般来说，岩溶比较发育的地带，岩溶洞隙数量会比较多；岩溶发育不明显的地带，岩溶洞隙数量相比就会有一定的减少。资料显示，中国南方岩溶发育区产生的塌陷点三百多处，而发育不明显的区域则不到50处（康彦仁，1988）。

岩溶洞隙的开启程度是引起岩溶塌陷的重要因素之一。裂隙作为岩溶洞隙的发展前期形式，因水流运动，开口可能是垂直的，也可能是水平的，但当裂隙逐渐扩大发展成岩溶洞隙时，基本都是向上开口，方便接受地面塌陷物质，经过一系列的诱因或者直接因素就会导致岩溶地面塌陷。可见塌陷坑与溶洞在垂直方向上存在明显的对应关系。

1.2 地面塌陷的物质条件

岩溶地面塌陷的物质条件包括上覆盖层是松散的基岩或者土体，基岩为裂隙发育并具有破碎性，松散土体基本是第四系松散沉积物。基岩由地质构造的作用或者风化侵蚀可能会破碎，强度降低，在人为因素的作用下形成塌陷的可能性较大； 松散土体包括砂、砾、碎石及黏性土，土体塌陷的物质主要是黏性土掺杂碎石。在地表的一些低洼、河流地段，由于水的下渗，黏性土含水量从地表往下随着深度加深而逐渐增大，产生水流运动，分解土体结构，形成一定的搬运土颗粒的通道，导致土体流失，从而形成土洞，随着时间的推移，在各种外界条件的影响下就会出现地面塌陷现象。

岩溶上覆松散岩土体盖层的厚度对岩溶塌陷有着至关重要的影响。通常情况，岩溶地面塌陷的区域上覆盖层都是较薄弱的，超过100 m往下，岩溶地面塌陷的概率会越来越小。根据广东省地矿局对岩溶矿区的调查资料显示，随着地下层埋深的加深，岩溶率就会下降，呈负相关规律（图3）。

1.3 水动力条件

在洞隙与上覆较薄的松散岩土体盖层的基础上，加上地下水运动条件，最终才导致岩溶地面塌陷。土体随着地下水位的升降以及流动引起潜蚀作用，使土颗粒迁移，形成流土现象。岩土原始结构被破坏，土层强度降低。

大气降水和地表水入渗也是影响岩溶塌陷的重要水动力因素。大气降水到达地面形成地表径流，其中一部分蒸发，一部分通过岩土体的孔隙（裂隙）下渗补给地下水。持续性的强降雨使地表径流量变大，加强了雨水携带泥沙能力，且雨水入渗量增加，对岩土体的溶蚀作用更加剧烈。此外，大量的雨水入渗，使得土体的含水量以及容重增加，且颗粒间的摩擦力减小，容易引起岩土体的失稳，诱发岩溶塌陷。降雨入渗还会导致表层土体含水率增大，使其透气性变差，当地下水位上升时，地下水位与覆盖层土体之间空隙内的空气不能及时补充或排干净，会引起真空负压或气爆现象，进而导致岩溶塌陷的发生（马骁等，2019；毛洪亮等，2020）。

从某种程度上来讲，水动力条件的变化是一种致塌力。这种力主要来自地下水位的升降、岩土体的自重以及地下水流过程中带来的作用力。在中国北方，岩溶洞穴容纳塌陷体时表现为重力作用下产生自然冒落，形成岩溶塌陷。在南方，土洞容纳塌陷体为岩溶上部岩土体中薄弱部位在垂直入渗水动力和分界面水平运动水动力综合作用下产生。

现代岩溶塌陷大部分为人为因素，占总塌陷的 67%，其中因水动力条件产生的塌陷占总塌陷的 56%（表2；康彦仁，1988）。

地下水活动包括自然因素水活动和人为因素水活动。自然因素水活动主要由降雨、地表渗水及地下水组成。地下水由降雨与地表水的不断补给形成地下水活动的循环系统，对地层的土体进行侵蚀和搬运，裂隙相互贯通，逐渐扩展形成的洞隙，引发岩溶地面塌陷（图4）。

根据颜李冰青（2022）对桂林岩溶塌陷成因研究，自然因素塌陷所占比例约为 40%；人为因素所占比例约为 50%，其中因抽排水原因塌陷占比约为 35%，其他荷载、震动等原因占比约 15%；不明因素塌陷所占比例约为5%（图5）。

人为因素水活动主要由抽排水工程或者水库的大量蓄水工程组成。在进行抽排水或蓄水工程时，地下水位急剧下降，会强烈影响地下水活动的状态，土体结构被迅速破坏，裂隙加速扩展成洞隙，从而导致岩溶地面塌陷（图6）。

1.4 成因机制分析

岩溶地面塌陷物质基础是岩溶的发育程度，这里指的都是岩性是可溶的，一般在岩溶地面塌陷区域中主要是石灰岩，属于碳酸岩类，主要成分是碳酸钙，其与空气中的二氧化碳以及水进行化学反应产生可溶岩，其化学方程式如下：

CaCO₃+CO₂+H₂O=Ca（HCO₃）₂（可溶岩）

经过地下水活动，岩土体中的裂隙作为地下水进行搬运和侵蚀的通道，会逐渐扩展成洞隙，而可溶岩在这样的环境中又一次被分解，化学方程式如下：

Ca（HCO₃）₂（可溶岩）=CaCO₃↓+H₂O+CO₂↑

可溶岩的发育程度由物理作用和化学作用共同决定。除了岩溶和地质构造（裂隙）发育情况，上覆盖层、岩土体结构以及厚度也是岩溶地面塌陷产生的其他内在因素。地壳的抬升为水动力条件提供了有利的地层结构形式，加上人为因素增加的荷载或者地下水运动状态的改变是造成岩溶地面塌陷的外在因素。不同的岩溶地面塌陷在不同的地质环境中受力的状态不同，产生的力学效应有所差别，呈现出来的成因机制也不一样，因此岩溶地面塌陷的形成是多机制。

根据李卫民（2010）进行的抽水量对岩溶塌陷影响的研究，自然条件下，地下水位在土层中的波动幅度较小，上覆岩土体层状态不会因水作用而改变，岩溶地面内部保持平衡状态。当外部大量抽排地下水时，水位快速下降，水流速度加快，水力坡度加大，使得溶洞和洞隙中的土层被搬运，冲刷、潜蚀作用增强，形成一定规模的潜蚀通道。随着地下水位持续下降，土层自重力逐渐增加，潜蚀通道扩大变成土洞，当土体达到极限平衡状态时，土洞扩大，当土层自重力达到最大值时，洞穴中会产生真空，引起负压吸蚀，土层开始逐渐塌落，当超过土层极限抗塌力时产生地面塌陷。试验证明，随着抽水量的增加，岩溶地面塌陷点也会不断扩大（图7）。

广清高速公路改扩建工程中天坑坍塌的原因为强降雨加之地下水位埋藏较浅，桩孔施工时溶洞顶板被打通，导致孔内水流向溶洞或岩溶通道，水位急剧下降，在一定范围内使得地下水垂直渗流程度加剧，从而产生渗透潜蚀、失托增荷以及真空负压等效应，最终引发塌陷（Gu et al.，2016）。

浙江省江山市局部地区灰岩分布较广，是岩溶塌陷形成的有利自然条件。当石灰岩、向斜构造、断裂构造等不同结构地质交叉并叠加时，由于地下水丰富，且频繁的水交替作用，岩溶落水洞、漏斗、暗沟或暗河等岩溶形态发育，地质结构较脆弱。当有砂性土层覆盖时，强降雨或暴雨、地震等自然因素的影响而发生岩溶地面塌陷（刘林清等，2005）。

山东省岩溶地区存在很多重要的地下水源地，不合理的开发和利用使地下水位大幅下降是导致塌陷的主要因素，矿区排水和运输线路震动荷载在个别地区影响也较为明显；大气降水和地表水入渗是诱发岩溶地面塌陷的主要自然因素（吴亚楠等， 2023）。

综上所述，总结岩溶地面塌陷主要成因机制 （刘传正，1997），如表3所示。

（1）重力作用致塌是指溶洞顶板因受到岩土体自身重力的作用，导致顶板破坏而产生岩溶地面塌陷的过程和现象。在浅部岩溶土洞较为发育的岩溶地区，其地下水位较低，易发生重力式塌陷。重力式塌陷力学效应表达式为$\frac{G}{F}>1$，G—岩土体单元自重应力（Pa），F—岩土体间粘聚力（kPa）。其形成流程图如图8所示。

（2）潜蚀作用致塌是指在岩溶区，因地下水的渗流作用使土层产生流土等作用，土层结构被破坏形成洞隙，经过不断的扩展，最后导致岩溶地面塌陷的过程。因潜蚀作用引发的岩溶地面塌陷除了受到渗流潜蚀和重力等作用，当有水位波动的影响时还会加速岩溶地面塌陷的形成，常出现在平原和岩溶洼地、谷地，在抽水井的中心地带或水库的渗水点附近也有可能出现。其可能受一次潜蚀作用或受多次潜蚀作用形成。潜蚀式塌陷的力学效应可表示为：$\frac{G+J+R}{W+F}>1$，J—岩土体单元受到竖向渗透力、自重应力，自重应力随地下水位的不断下降而增大，F—岩土体间粘聚力（kPa），W—地下水上浮托力（Pa），R—水位波动应力（Pa）。引发岩溶地面塌陷的过程如图9所示。

（3）冲爆致塌是指溶洞中储存的高压气团或强大的承压水头，冲破岩溶空间顶板并导致地面产生塌陷过程。其核心是冲爆作用，在塌陷过程还受到重力和水流冲刷作用影响。在封闭落水洞或地下河的中下游等地段较易出现冲爆式塌陷，发生时常伴随爆破声和呼哨声。冲爆式塌陷的力学效应可表示为$\frac{Z+W}{G+F}>1$，G—岩土体单元受到自重应力 （Pa），F—岩土体间粘聚力（kPa），Z—冲暴力（Pa）， W—竖向水压力（Pa）。其引发岩溶地面塌陷的过程如图10所示。

（4）真空吸蚀致塌是指因地下水的重力作用，在封闭的岩溶空腔中形成真空负压状态，这种负压力对土体产生吸蚀破坏并最终导致岩溶地面塌陷的过程。真空吸蚀式塌陷的力学效应可以表示为$\frac{G+P_0}{F}>1$，G—岩土体单元受到自重应力（Pa），F— 岩土体间粘聚力（kPa），P₀—岩溶空腔负压力（Pa）。其引发岩溶地面塌陷的过程如图11所示。

（5）荷载致塌是指当溶洞上部荷载产生的附加应力超过其顶板的强度时，溶洞土洞顶板被压坏并导致塌陷的过程。大多数因荷载而导致的岩溶地面塌陷是人为因素造成的，例如建设实施工程，荷载致塌力学效应可表示为$\frac{P+G}{F+W}>1$，G—岩土体单元受到自重应力（Pa），F—岩土体间粘聚力（kPa），W —竖向水压力（Pa），P—外附加荷载（kN/m²）。其引发岩溶地面塌陷的过程如图12所示。

（6）振动致塌是指岩土体在振动波的作用下产生振动液化和破裂位移等破坏现象，引发岩溶地面塌陷。振动致塌力学效应可表示为$\frac{S+G}{F+W}>1$，G— 岩土体单元受到自重应力（Pa），F—岩土体间粘聚力（kPa），W—竖向水压力（Pa），S—水平振动力 （Pa）。其过程如图13所示。

2 岩溶塌陷的时空分布规律研究

2.1 空间分布规律

岩溶地面塌陷常沿构造线（带）分布，在空间分布上的规律与地质构造有着密切的关系，具有成带性和成群性。岩溶比较发育时，构造断裂带、向斜及背斜轴部的岩石破碎，易产生地面塌陷，岩溶地面塌陷带的延伸方向与构造断裂带、向斜及背斜轴方向基本是一致的（韩淑明和严新泺，2012）。断裂和裂隙为流水的侵蚀和溶蚀提供了有利条件，是溶洞形成的空间基础，控制着溶洞的形态特征、类型组合和展布规律。

（1）塌陷分布在岩溶强烈发育区域。地面下隐伏的溶洞、溶沟是产生地面塌陷的前提条件，岩溶发育程度越强烈，塌陷产生的概率就越大。

（2）塌陷多沿断裂构造带分布。断裂带中岩石破碎，岩溶裂隙发育，成为地下水补给、流动以及搬运的通道。当存在抽排水工程时，地下水突然产生强烈的活动，水位急剧降低，裂隙不断发展至洞隙或者土洞，增加岩溶地面塌陷的概率。若产生地面塌陷，其延伸方向与构造线方向是一致的。

（3）塌陷分布在溶蚀洼地及河床两侧。岩溶发育较强烈时，溶蚀洼地及河床两侧往往易产生地面塌陷，因洼地易积水，河床两侧地下水活动频繁，为土体的潜蚀搬运作用创造了条件，由于洼地积水的渗透加强了这种作用，再加上人为进行抽排水行为，因此时常发生岩溶地面塌陷。

（4）塌陷分布在第四系土地层较薄弱的区域。第四系岩性为结构松散的冲积层，作为上覆岩土体盖层，是产生岩溶地面塌陷的基础条件之一。无论地下水活动是频繁还是缓慢，由于水流的潜蚀搬运作用，上覆结构松散的盖层都易失去原本的平衡状态，因自重而逐渐塌落，引起岩溶地面塌陷（尹若钧和盛智勇，2005）。

2.2 随时间的变化规律研究

（1）随着时间的变化，岩溶地面塌陷主要受地下水活动的影响。无论地下水活动变化是自然因素还是人为因素，随着水位波动的大小，在岩溶裂隙中流动就会增强其潜蚀作用，加速带走土层中的土颗粒，使裂隙逐渐扩大，变成洞隙、土洞，从而引发岩溶地面塌陷。通常情况下，自然塌陷多发生在强降雨期或者洪涝期间，随着时间的增加，引起地下水强烈变动，因为雨水或者洪涝期间的积水都会迅速下渗到土层中，增加土层的含水量，降低土层的结构强度，在岩层中存在土洞的前提下，极易发生岩溶地面塌陷；人为因素的塌陷，多发生在进行抽排水工程，地下水位突然大幅度降低，使土层的土颗粒大量流失，自身浮力降低，结构强度减小，在既有的空间内形成负气压，导致岩溶地面塌陷。

（2）随着时间的变化，岩溶地面塌陷主要受外部荷载变化的影响。外部荷载包括地壳抬升、地震以及人为施加的荷载。地壳发生抬升时会造成内部或地表土层结构迅速破坏，内部土层结构破坏会加速岩溶洞隙的扩展，缩短引发塌陷的时间，外部土层结构破坏会直接造成地面塌陷。发生地震时，在岩溶地面上覆盖层土体结构和内部土体结构都会迅速破坏产生塌陷，相对于地壳抬升造成的地面塌陷规模较大；人为施加是指在有溶洞或者土洞附近区域建设工程中进行钻探和桩基施工时所施加的荷载会引起土层内部应力增加，破坏原有平衡状态，导致内部岩土层结构的承载力减小，难以承担外部施加的荷载，从而引发岩溶地面塌陷。

3 岩溶地面塌陷的探测方法研究

岩溶地面塌陷对人民生命财产安全以及经济建设造成了严重的影响和危险，在岩溶地区开发建设之前对岩溶地面进行探测具有重要意义，以保证工程实施过程安全。探测岩溶地面塌陷的方法包括高密度电法、地质雷达测量、浅层地震发射法等，其中比较常见的是高密度电法和地质雷达测量法。

3.1 高密度电法

高密度电法是对地质之间电阻率进行供电与测量，然后将收录的地电数据体进行计算分析，从而预测出地下介质的空间分布及变化特征。采用高密度电法对岩溶地面塌陷进行探测，主要用于分析地下空间的分布和变化特征来预测岩溶地面是否存在塌陷风险，收集到野外数据后并进行全自动计算，用于地质解释（严加永等，2012；吴浩等， 2022）。高密度电法的优点在于能够获得丰富的地电结构状态地质信息，同时由于全自动数据采集大大减少了人工操作所产生的误差。

3.2 地质雷达测量

地质雷达测量法是利用高频电磁波，以脉冲形式通过发射天线被定向送入地下，是一种无损的探测方式，同时也是非常重要的岩溶塌陷探测方法。地质雷达测量法是根据不同地层电性差异，利用专业软件分析雷达主机接收的反射波的信号强度、波形、双程旅时的变化，推断出地下目标体的空间特征，例如位置、深度等（阮娟等，2022）。地质雷达法在探测岩溶地面塌陷方面有着方便快捷、探测精度高等优点。

3.3 岩溶塌陷的监测预报

岩溶地面塌陷监测主要以塌陷机理为基础，结合地质情况和不同诱因来确定监测点。监测点主要包括地表、土体内部结构变形、地下水位变化、降雨量等情况。

一般地表变形监测指地面沉降等引起的变形监测，监测方法包括水准及坐标测量法、裂缝监测法等；土体内部变形监测一般指地层中隐伏土洞或土层扰动区域向上发展的演化过程的变形监测，监测方法包括地质雷达监测法、光纤应变监测等；地下水位情况的监测一般包括岩溶裂隙的水气压力、孔隙承压水位等，监测方法一般包括地下水压力传感器、水位计监测等（涂婧等，2022）。

在岩溶地面塌陷的隐伏灰岩区，应建立岩溶水监测网络，对岩溶水位进行监测。当岩溶水位下降至第四系土层底部时，需增加监测点，并及时结合监测资料，明确等水位线的平面图，了解岩溶水的运动方向；当岩溶水位快速下降时，根据监测资料得到的结果划定土洞以及岩溶地面可能塌陷区的范围。

4 结论

（1）影响因素与成因机制：影响岩溶地面塌陷的主要因素有可溶性发育岩、较薄的覆盖层以及水动力条件；岩溶地面塌陷的成因机制根据不同地质结构情况、不同诱因而各不相同，但成因机制核心是岩溶地面下伏岩溶存在的裂隙或者洞隙，无论何种致塌形式，都需通过地下水动力条件的不断改变施加侵蚀作用，土层中的土颗粒流失，使得土层自重增加，土洞扩大，逐渐塌落，产生地面塌陷。

（2）岩溶地面塌陷主要分布在岩溶强烈发育区域、断裂构造带、溶蚀洼地及河床两侧，还有一部分分布在第四系土地层较薄弱的区域，塌陷分布区域普遍存在岩溶较发育，在基础条件及空间条件相辅相成的情况下，地面岩溶产生塌陷。

（3）探测及监测方法：常用的岩溶地面塌陷探测方法包括高密度电法和地质雷达测量法等，岩溶地面塌陷具有突发性，根据成因机制可采用地表沉降监测、土体内部结构监测，地下水位变化监测，以便能够更好地及时发现潜在塌陷，减少岩溶地面塌陷的发生次数。

（4）岩溶地面塌陷的发生具有突发性、隐蔽性、成因机制多样性，带来的危害是巨大的，本文通过进一步深化分析岩溶地面塌陷的成因与演化机制，为岩溶地面塌陷的监测、预防及其他方面的研究提供一定的参考依据。

参考文献