沈 銘，楊 濤，趙新建

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

武漢市巖溶地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)探討

沈 銘，楊 濤，趙新建

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

武漢市內(nèi)碳酸鹽巖分布廣泛，隨著城區(qū)范圍不斷擴(kuò)展，人類工程活動(dòng)的加劇，武漢市巖溶塌陷時(shí)有發(fā)生，且發(fā)生頻率有逐年增高之勢(shì)，巖溶地質(zhì)環(huán)境問題對(duì)武漢市的城市建設(shè)造成的不利影響日漸突出。采用一定的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以有效地提前預(yù)報(bào)巖溶塌陷前兆，結(jié)合巖溶地質(zhì)環(huán)境分析，可以預(yù)防和減少巖溶地質(zhì)災(zāi)害的危害。

巖溶;地面塌陷;監(jiān)測(cè)

0 引言

近年來，隨著武漢市經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，人類工程活動(dòng)加劇，在武漢市巖溶分布帶上及周邊的城市建筑愈來愈多，抽排地下水、荷載等人為改變地質(zhì)環(huán)境的影響也更加劇烈，由此引發(fā)的巖溶地面塌陷災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重妨礙了城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性、隱蔽性，選擇有效的監(jiān)測(cè)方法，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，結(jié)合巖溶地質(zhì)環(huán)境綜合分析，提前預(yù)報(bào)巖溶塌陷前兆，對(duì)預(yù)防和減少巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的危害具有重要意義。

1 巖溶地面塌陷與危害

武漢市由隔江鼎立的武昌、漢口、漢陽三鎮(zhèn)組成，全市現(xiàn)轄13個(gè)區(qū)(7個(gè)中心城區(qū)、6個(gè)新城區(qū))、3個(gè)國家級(jí)開發(fā)區(qū)(武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)、吳家山臺(tái)商投資區(qū))，常住人口900多萬人。是湖北省省會(huì)和政治、經(jīng)濟(jì)及文化中心，是內(nèi)陸地區(qū)的金融、商業(yè)、貿(mào)易、物流、文化中心。武漢市內(nèi)的巖溶地質(zhì)條件十分復(fù)雜，總體呈近東西向分布，數(shù)條碳酸鹽巖條帶橫跨長(zhǎng)江，巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害常有發(fā)生，1931年8月即有明確記載，當(dāng)時(shí)塌陷導(dǎo)致江堤潰口，白沙洲淹沒，在該段形成倒口湖。經(jīng)過調(diào)查，近三十年來武漢市區(qū)先后發(fā)生過20余次(處)巖溶塌陷(圖1)。

從1977年9月到2011年12月，武漢地區(qū)先后發(fā)生漢陽區(qū)中南軋鋼廠、青菱鄉(xiāng)烽火村、武昌白沙洲長(zhǎng)江紫都花園、武漢市民政學(xué)校、武漢供電局南湖變電站等地面塌陷，造成民房倒塌，供電系統(tǒng)、道路破壞等經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦娜松碡?cái)產(chǎn)安全［1］。

圖1 武漢市巖溶地面塌陷分布圖Fig.1 Distribution map of karst surface collapse

照片1 武漢市青菱鄉(xiāng)烽火村1號(hào)塌陷坑Photo 1 No.1 collapse pit in Fenghuo Village

照片2 漢南區(qū)陡埠村巖溶塌陷1號(hào)坑Photo 2 No.1 collapse pit in Doubu Village

2 巖溶地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法

武漢市巖溶地面塌陷區(qū)位于長(zhǎng)江一級(jí)階地中、前緣，上覆土層為第四系全新統(tǒng)松散堆積層(Q4)，覆蓋層厚度5～25 m，土層中有土洞存在，覆蓋層下可溶性碳酸鹽巖淺部巖溶發(fā)育，頂界面上有開口巖溶洞室(半充填、無充填)，有搬運(yùn)、儲(chǔ)存大量潛蝕物所需的通道和空間，由于水動(dòng)力條件發(fā)生改變、附加荷載等原因，第四系松散沉積物形成土層塌陷或溶洞頂板陷落而形成巖溶地面塌陷。根據(jù)上述特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)主要從巖土體、建筑變形和地下水三方面考慮，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件分析進(jìn)行巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)。

2.1 變形監(jiān)測(cè)

2.1.1 上部覆蓋層土體擾動(dòng)性和土洞探測(cè)

武漢市巖溶塌陷地區(qū)在塌陷之前，上覆土層會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)和形成土洞現(xiàn)象，土洞的發(fā)展可通過砂層擾動(dòng)、土體的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)，同時(shí)土層中孔隙水會(huì)發(fā)生一定變化。監(jiān)測(cè)方法可采用地質(zhì)雷達(dá)固定剖面掃描、埋設(shè)土體壓力盒、孔隙水壓力計(jì)來進(jìn)行。

(1)地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè) 地質(zhì)雷達(dá)屬于電磁波物理探測(cè)技術(shù)，通過天線將高頻電磁波呈寬帶脈沖形式向發(fā)射至地層中，通過另一天線進(jìn)行回收放大、記錄、處理，通過地質(zhì)雷達(dá)定期、定線路探測(cè)掃描對(duì)比，結(jié)合所掌握的地質(zhì)資料綜合分析，可以推斷地下土體的變化，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)土洞的形成發(fā)展過程，可以預(yù)測(cè)巖溶塌陷(圖2)［2］。地質(zhì)雷達(dá)相對(duì)于其他遙感探測(cè)方法而言優(yōu)點(diǎn)是在一定深度范圍內(nèi)對(duì)水異常敏感，武漢市巖溶地區(qū)上覆土層主要為粉質(zhì)黏土和沙，土體中孔隙水含量高，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)土洞判斷較準(zhǔn)確，不足是探測(cè)線路一定范圍內(nèi)不能有干擾體，特別是高磁物體對(duì)地質(zhì)雷達(dá)效果影響很大，由于雷達(dá)頻譜的關(guān)系，對(duì)于15 m以下土洞探測(cè)有一定的缺陷。

(2)土體壓力及孔隙水變化監(jiān)測(cè) 通過對(duì)武漢市巖溶地面塌陷區(qū)域內(nèi)土層和孔隙水監(jiān)測(cè)分析，頻繁的地下水壓力變化會(huì)造成第四系土層變形破壞，當(dāng)水(氣)壓力作用于第四系土層底部達(dá)到其極限破壞值時(shí)，第四系土層就會(huì)發(fā)生破壞從而產(chǎn)生地面塌陷，地下水(氣)作用于第四系土層的壓力可以通過監(jiān)測(cè)土體壓力盒、孔隙水的變化實(shí)現(xiàn)，從而監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)巖溶地面塌陷的發(fā)生。缺點(diǎn)是監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)土體上荷載不均勻的變化，會(huì)帶來土層中壓力和孔隙水壓力的不均勻、不規(guī)律變化，從而影響監(jiān)測(cè)效果。

2.1.2 巖土層變形監(jiān)測(cè)

多年實(shí)踐表明，對(duì)于巖溶塌陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，要抓住兩個(gè)方面，一是塌陷成災(zāi)機(jī)理和巖溶塌陷的前兆現(xiàn)象，二是取得這些前兆現(xiàn)象變化過程的資料，分析判斷其發(fā)展趨勢(shì)，為及時(shí)采取應(yīng)急處置措施提供依據(jù)，巖土層變形監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)土洞發(fā)育對(duì)比圖Fig.2 Contrast diagram of soil cave development

(1)合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱干涉雷達(dá)測(cè)量) 它是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)。Massonnet(1993)等人利用ERS1/2 SAR數(shù)據(jù)采集了Landers地震(M=7.2，1992)的形變場(chǎng)，并將 DINSAR的測(cè)量結(jié)果與其它類型的測(cè)量數(shù)據(jù)以及彈性形變模型進(jìn)行比較，結(jié)果相當(dāng)?shù)匚呛希珼INSAR從此發(fā)展成為一種專門監(jiān)測(cè)地表形變的新技術(shù)，可高精度地監(jiān)測(cè)大面積的微小地面形變(圖3)。其特點(diǎn)是遙感方式為全天候、全天時(shí)作業(yè)，測(cè)量結(jié)果具有連續(xù)的空間覆蓋優(yōu)勢(shì)，可對(duì)地殼變形進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量與檢測(cè)，是地殼構(gòu)造變形(板塊動(dòng)力學(xué)理論、地震、造山等)研究的一個(gè)新的強(qiáng)有力工具。其缺點(diǎn)是無法對(duì)細(xì)小目標(biāo)(如某個(gè)建筑物)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，大氣效應(yīng)對(duì)成像、研判影響較大。

(2)GPS監(jiān)測(cè)技術(shù) GPS監(jiān)測(cè)手段以其精度高、快捷、可靠等優(yōu)點(diǎn)，在變形監(jiān)測(cè)方面有著極大的優(yōu)勢(shì)。巖溶地面塌陷災(zāi)害是一種持續(xù)變形而引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，在其形成過程中，由于巖石內(nèi)部及上覆土層水環(huán)境的變化，必然引起巖石及覆蓋層的蠕動(dòng)變形，引起地表位移和沉降，通過對(duì)變形的監(jiān)測(cè)，能有效反應(yīng)變形過程和特性。為了適應(yīng)巖溶地面塌陷的研究需要，GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置于前期研究有塌陷趨勢(shì)的地帶，在邊緣地帶布置少量的對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)。塌陷中心地帶GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)經(jīng)濟(jì)狀況可以選定部分點(diǎn)布置分層監(jiān)測(cè)點(diǎn)、即部分點(diǎn)監(jiān)測(cè)地下基巖頂面的變形情況，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)地面變形情況，兩種監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以采用分層標(biāo)墩，以更好地反應(yīng)巖石及上覆蓋層的變化和相互作用。在經(jīng)濟(jì)條件容許的情況下，可以進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采用光纖自動(dòng)傳輸。采用雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，平面精度和高程精度測(cè)量精度可以達(dá)到mm，但是進(jìn)行高差比較時(shí)，由于橢球、信噪比、電離層對(duì)流層延遲、鐘差等因素在不同時(shí)段的影響不同，很難通過人為方式干預(yù)，故一般高程只能達(dá)到cm精度。所以采用GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)平面位置位移可以滿足監(jiān)測(cè)要求，垂直位置位移僅能作為先兆預(yù)判參考。

圖3 INSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地下采礦引起地面變形Fig.3 Ground deformation monitored by INSAR

(3)精密水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù) 精密水準(zhǔn)測(cè)量是指一、二等水準(zhǔn)測(cè)量，具有精度高、方法簡(jiǎn)便、反應(yīng)直觀簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，是垂直位移監(jiān)測(cè)常用的方法。根據(jù)武漢市巖溶地面塌陷區(qū)的特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)方法，本文所指精密水準(zhǔn)測(cè)量是指二等水準(zhǔn)測(cè)量。由于武漢市的巖溶塌陷區(qū)域分布較廣，呈點(diǎn)狀，組成統(tǒng)一的二等水準(zhǔn)網(wǎng)單次觀測(cè)周期較長(zhǎng)，不利于體現(xiàn)各地域沉降特征，故采用同一規(guī)劃、分級(jí)布設(shè)的原則。將各監(jiān)測(cè)區(qū)域的基準(zhǔn)點(diǎn)選在監(jiān)測(cè)塌陷區(qū)域外圍、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，采用二等水準(zhǔn)觀測(cè)，每半年或一年觀測(cè)一次，采用統(tǒng)一平差后的結(jié)果作為各監(jiān)測(cè)區(qū)域的起算點(diǎn)和校核點(diǎn);各監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)按規(guī)范布設(shè)一定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用二等水準(zhǔn)方法每月觀測(cè)一次，遇到雨季、旱季和變形大時(shí)加密監(jiān)測(cè)，這樣就形成了監(jiān)測(cè)區(qū)域統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映不同地質(zhì)環(huán)境下巖溶塌陷區(qū)域地面沉降的特性，從而預(yù)報(bào)塌陷發(fā)生的可能性。

2.1.3 巖溶帶線狀重點(diǎn)工程土體垂直變形監(jiān)測(cè)

隨著發(fā)展，城市建設(shè)項(xiàng)目不可避免要通過巖溶區(qū)域，特別是公路、管線等線狀地物，垂直位移監(jiān)測(cè)采用GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)或精密水準(zhǔn)測(cè)量涉及選點(diǎn)、網(wǎng)形、經(jīng)濟(jì)、維護(hù)等方面問題，這時(shí)可以采用光導(dǎo)纖維監(jiān)測(cè)技術(shù)。光導(dǎo)纖維監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)最大測(cè)量距離為80 km，應(yīng)變量測(cè)范圍為 －1.5% ～1.5%，應(yīng)變測(cè)量精度達(dá)±0.003%。目前該監(jiān)測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國防軍事、航空航天、地質(zhì)工程、水利工程、醫(yī)療、電力能源、環(huán)保等諸多領(lǐng)域，特別是在變形監(jiān)測(cè)方面。它既能對(duì)早期的土層小變形作出反應(yīng)，又能對(duì)中后期土層的大變形(如垮塌)作出反應(yīng)。在公路、重要管線(如天然氣管道)等重要線狀工程施工時(shí)，在巖溶區(qū)將光纖按照一定深度間隔與線狀工程同時(shí)設(shè)計(jì)、鋪設(shè)，為了取得對(duì)比效果，根據(jù)需要在非塌陷區(qū)域也布設(shè)一定對(duì)比光纖，當(dāng)線狀工程投入使用后，即可不斷獲得路基不同位置的土層垂直變形情況，從而判斷可能發(fā)生塌陷的時(shí)間和位置。光導(dǎo)纖維監(jiān)測(cè)技術(shù)具有多路復(fù)用分布式、抗電磁干擾、工作頻帶寬、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)性、精度高和長(zhǎng)期耐久等特點(diǎn)，通過合理的布設(shè)，可以方便地對(duì)目標(biāo)體的各個(gè)部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可以包裹式對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1.4 建筑物變形監(jiān)測(cè)

巖溶地面塌陷發(fā)育過程中，由于塌陷區(qū)內(nèi)及邊緣建筑物基礎(chǔ)會(huì)隨著塌陷的發(fā)育應(yīng)力發(fā)生改變，建筑物會(huì)產(chǎn)生變形，表現(xiàn)出沉降、開裂、位移等變形現(xiàn)象，通過對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合其他監(jiān)測(cè)方法，能對(duì)塌陷災(zāi)害進(jìn)行有效分析、預(yù)防，同時(shí)能對(duì)塌陷區(qū)內(nèi)變形建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)建筑物沉降監(jiān)測(cè) 采用精密水準(zhǔn)方法，也可用液體靜力水準(zhǔn)儀、氣泡傾斜儀、電子水準(zhǔn)器等進(jìn)行測(cè)量。定期對(duì)埋設(shè)在建筑物上的標(biāo)志進(jìn)行觀測(cè)，計(jì)算出沉降量，繪制沉降曲線，判斷沉降產(chǎn)生的原因及危害性。

(2)裂縫監(jiān)測(cè) 對(duì)于建筑物受外力產(chǎn)生的裂縫，在裂縫兩側(cè)及中間設(shè)置觀測(cè)標(biāo)志，定期觀測(cè)其位置變化，以取得裂縫的大小和走向等資料。通過對(duì)裂縫的張裂程度進(jìn)行分析，判斷應(yīng)力產(chǎn)生的原因及危害情況。

(3)位移監(jiān)測(cè) 使用邊角法、測(cè)角前方交會(huì)法、經(jīng)緯儀投影法、觀測(cè)水平角法、激光準(zhǔn)直法和垂線觀測(cè)法等，按一定周期來測(cè)定建筑物上觀測(cè)點(diǎn)的位置變化。

對(duì)于測(cè)定建筑物沉降、裂縫、位移，還可以采用近景攝影測(cè)量方法，使用攝影經(jīng)緯儀、普通攝影機(jī)或高速攝影機(jī)，按正直、等偏、交向等攝影方式，在一定時(shí)間段或瞬間連續(xù)記錄建筑物和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罅奎c(diǎn)位變形信息，按最小二乘法與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的原理求得回歸方程，從而找出變形的規(guī)律性，以推算、預(yù)報(bào)今后的變形情況，研究應(yīng)采取的措施。

2.2 地下水動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)水位的變化和水流方向(照片3)。巖溶區(qū)內(nèi)地下水類型可分為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水，地下水對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的影響主要表現(xiàn)在水位下降和水位波動(dòng)，由于水位變化而引起區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件發(fā)生改變。頻繁的地下水位變化會(huì)造成第四系土層的變化破壞，當(dāng)水(氣)壓力變化或作用于第四系底部土層的水壓力達(dá)到該地層土體的承受臨界值，第四系土層就會(huì)發(fā)生破壞，進(jìn)而產(chǎn)生地面塌陷。地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要查明區(qū)內(nèi)各地下水的動(dòng)態(tài)變化情況，分析與相鄰含水層之間的水力聯(lián)系等，通過地下水動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，可以對(duì)巖溶塌陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

照片3 地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Photo 3 Dynamic monitoring points of groundwater

3 結(jié)語

單一采用某種監(jiān)測(cè)方法不利于系統(tǒng)研究巖溶塌陷形成機(jī)理，在實(shí)際工作中，可以預(yù)防與治理相結(jié)合，通過勘查進(jìn)行巖溶塌陷危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)。對(duì)于巖溶塌陷災(zāi)害嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域，采用控制地下水開采、灌漿封固等技術(shù)手段進(jìn)行塌陷治理;對(duì)于潛在危險(xiǎn)區(qū)域，采用GPS、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量、精密水準(zhǔn)測(cè)量、建筑物變形監(jiān)測(cè)和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來監(jiān)測(cè)塌陷變形前兆，同時(shí)輔以地質(zhì)雷達(dá)和孔隙水壓力監(jiān)測(cè)判斷發(fā)展趨勢(shì)，采取合理的預(yù)防措施;對(duì)于條帶狀重點(diǎn)工程，埋設(shè)光導(dǎo)纖維對(duì)土層進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，發(fā)揮各種監(jiān)測(cè)方法優(yōu)勢(shì)，形成系統(tǒng)的巖溶地面塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)報(bào)、預(yù)防巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，可以減少災(zāi)害對(duì)人民群眾和社會(huì)的危害。

［1］ 趙德君，等.武漢市地面塌陷災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)預(yù)警［R］.武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2009.

［2］ 李瑜，朱平，等.巖溶地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法［J］.中國巖溶，2005(2):104.

(責(zé)任編輯:陳文寶)

Discussion on Monitoring Technology of Karst Surface Collapse

SHEN Ming，YANG Tao，ZHAO Xinjian
(Hubei Geological Environment Station，Wuhan，Hubei435000)

Carbonate rocks are widely distributed in Wuhan city.With the expansion of urban field and intensity human engineering activities，karst collapse in Wuhan has occurred，and the frequency has increased year by year.The use of certain monitoring technologies that can effectively advance prediction of karst collapse precursor.Combined with analysis of karst geological environment can prevent and reduce harm of karst geological disasters.

karst;surface collapse;monitoring

P642.26

A

1671－1211(2014)02－0177－04

2013－08－16;改回日期:2014－02－21

沈銘 (1970－)，男，高級(jí)工程師，測(cè)繪工程專業(yè)，從事測(cè)量工作。E－mail:shengming1988@163.com