毛世雄

(湖南省水工環(huán)地質(zhì)工程勘察院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

近些年，我國(guó)各地地面塌陷事故頻發(fā)。根據(jù)慧科新聞數(shù)據(jù)庫(kù)查詢顯示，2017年1月1日至2019年12月1日標(biāo)題含“地面塌陷”或“地陷”的中國(guó)內(nèi)地新聞報(bào)道多達(dá)兩百多篇，經(jīng)去重分析后發(fā)現(xiàn)地面塌陷事故總數(shù)為55起，這意味著地面塌陷每個(gè)月會(huì)發(fā)生至少一次。地面塌陷的發(fā)生與區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)、降雨和人類活動(dòng)有密切關(guān)系，加強(qiáng)地面塌陷勘察，明確地面塌陷原因，從而采取針對(duì)性的治理措施，對(duì)保證區(qū)域安全穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

1 地面塌陷問題分析

地面塌陷往往在瞬間發(fā)生，地面迅速塌落形成塌陷坑，具有一定的突發(fā)性和災(zāi)難性，極易引發(fā)群眾恐慌，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。地面塌陷主要分為兩種：一是巖溶塌陷；二是松散碎屑沉積層塌陷。地面塌陷的發(fā)生通常都受到工程活動(dòng)等人為因素的影響，可以說“地質(zhì)因素”是基礎(chǔ)，“工程活動(dòng)”與“極端氣象”被列為誘發(fā)地面塌陷的兩大外部原因，如強(qiáng)降雨期后10 d為塌陷多發(fā)期；施工擾動(dòng)造成水力管線受損，水滲漏后導(dǎo)致土體變形形成空洞，進(jìn)而引發(fā)塌陷事故。

有效預(yù)測(cè)與防治地面塌陷十分關(guān)鍵。地面塌陷勘察原則上以鉆探資料最為可靠，但是受到鉆探成本、施工環(huán)境、勘察周期等因素的影響，使用鉆探方式進(jìn)行地面塌陷勘察并非最佳選擇，而使用物探技術(shù)進(jìn)行面積性普查，并通過鉆探方法進(jìn)行驗(yàn)證核實(shí)，可有效提高地面塌陷調(diào)查效率，減少相關(guān)成本。根據(jù)我國(guó)地面塌陷勘察實(shí)踐情況分析可知，隨著相關(guān)學(xué)科的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，各地勘察院已經(jīng)掌握了越來越多的勘探方法，不同勘探方法有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，在實(shí)際勘探作業(yè)中往往需要把幾種技術(shù)方法綜合應(yīng)用才能獲得最佳效果[1]。本文主要就綜合勘探方法在地面塌陷勘察中的應(yīng)用展開具體論述。

2 常見幾種地面塌陷勘探方法

地面塌陷勘察方法眾多，為取得全面且準(zhǔn)確的勘察結(jié)果，綜合勘探方法的應(yīng)用具有必要性。下文主要就工程測(cè)繪與調(diào)查法、物探法、鉆探法以及GPS變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行具體分析。

2.1 工程測(cè)繪與調(diào)查法

此方法主要是對(duì)區(qū)域地貌、地質(zhì)等進(jìn)行全面調(diào)查與測(cè)繪，從宏觀角度對(duì)區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行分析，并根據(jù)調(diào)查所得資料開展地質(zhì)勘察工作。此方法較為簡(jiǎn)單，可為地面塌陷勘察與治理工作提供基礎(chǔ)性資料。

2.2 物探法

基于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)探測(cè)、電磁法、CT技術(shù)等地球物理勘探方法在地面塌陷勘察中的應(yīng)用越來越多，具體介紹如下。

(1)瞬變電磁法：此方法屬于時(shí)間域人工源電磁法，通過導(dǎo)電地質(zhì)體在電磁場(chǎng)激勵(lì)作用下產(chǎn)生渦旋電流，渦流存在一種瞬變過程，由此形成瞬變磁場(chǎng)，脈沖電流關(guān)斷期間，通過觀測(cè)瞬變磁場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)地下異常地質(zhì)體。在塌陷區(qū)勘探時(shí)，不充水呈低電壓高電阻異常狀態(tài)，充水呈高電壓高電阻異常狀態(tài)。由此，通過瞬變電磁法可較好地尋找、識(shí)別塌陷區(qū)域，但是此方法在變形測(cè)量方面存在不足。

(2)地質(zhì)雷達(dá)法：此方法主要是向地下發(fā)射高頻電磁脈沖，通過對(duì)反射波波形、振幅、時(shí)間變化的分析，獲取地下介質(zhì)空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、埋藏深度，具有效率高、結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)[2]。根據(jù)實(shí)踐分析可知，探地雷達(dá)可用于塌陷區(qū)的識(shí)別，但未涉及地面塌陷程度測(cè)量。

(3)電磁波CT法：此方法是對(duì)物體進(jìn)行逐層剖析成像，主要利用地下電磁波儀，兩個(gè)鉆孔中分別發(fā)射、接收電磁波。此方法可較好地探查地下空洞分布、形態(tài)，定位準(zhǔn)確、精度高。

2.3 鉆探法

在進(jìn)行地面塌陷勘察時(shí)，對(duì)于物探顯示明確異常區(qū)域，建議鉆孔驗(yàn)證，一方面物探法可指導(dǎo)實(shí)際鉆探位置，避免盲目鉆探；另一方面鉆探法更為直觀、精確，可與物探互為印證，提高結(jié)果可靠性。鉆探法屬于破損檢測(cè)方法，必須由專門的技術(shù)負(fù)責(zé)人編制鉆探施工方案，規(guī)范操作，現(xiàn)場(chǎng)做好監(jiān)督管理，避免出現(xiàn)地面二次塌陷事故。

2.4 GPS變形監(jiān)測(cè)方法

GPS技術(shù)應(yīng)用于地表變形監(jiān)測(cè)，具有現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單、不易受外界因素影響的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作開展中，需在地面塌陷區(qū)域內(nèi)、外分別設(shè)置GPS觀測(cè)站，通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，獲取活動(dòng)體三維變形情況，并建立變化模型，對(duì)塌陷作出預(yù)報(bào)，減少災(zāi)害損失。

3 實(shí)例分析綜合勘探方法在地面塌陷勘察與治理中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

2018年7月5日晚11點(diǎn)洞口縣竹市鎮(zhèn)合團(tuán)村新建組張千云和楊早連兩棟民房中間發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害。湖南省水工環(huán)地質(zhì)工程勘察院組織開展應(yīng)急調(diào)查工作，主要目的是查明區(qū)內(nèi)房屋及村道附近的土洞發(fā)育情況，初步分析地面塌陷災(zāi)害成因機(jī)制及其主控因素，為下一步應(yīng)急處置提供科學(xué)決策依據(jù)。本次重點(diǎn)調(diào)查區(qū)包括主要道路及居民區(qū)范圍，面積約4 460 m2，一般調(diào)查區(qū)范圍適當(dāng)擴(kuò)大，面積約10 000 m2。

3.2 綜合勘探方法

本次調(diào)查采用測(cè)量、地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、物探、鉆探、地面變形監(jiān)測(cè)、地下水水位監(jiān)測(cè)等綜合方法，分述如下。

3.2.1 測(cè)量

調(diào)查區(qū)無高精度地形圖，為便于開展調(diào)查工作，準(zhǔn)確確定巖溶地面塌陷威脅對(duì)象及位置，為下一步工作開展提供基礎(chǔ)工作底圖，對(duì)調(diào)查區(qū)進(jìn)行地形測(cè)量，首級(jí)控制網(wǎng)起算采用RTK從國(guó)家三角點(diǎn)引出。

(1)平面坐標(biāo)系統(tǒng)：北京80坐標(biāo)系。

(2)高程系統(tǒng)：1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

(3)成圖比例尺：1∶1000。

(4)成圖方法：全解析法數(shù)字化成圖。

(5)成圖軟件：CASS7.0。

(6)基本等高距：1.0 m。

3.2.2 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

調(diào)查內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)受損房屋調(diào)查：包括戶主姓名、常住人口、建筑面積、房屋結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)型式、修建年代、房屋受損現(xiàn)狀、受損原因、受損時(shí)間等內(nèi)容。

(2)塌陷坑調(diào)查：利用RTK測(cè)出重點(diǎn)調(diào)查區(qū)塌陷坑位置，按1∶500比例尺繪至平面圖上，用鋼卷尺測(cè)量大小。

(3)土地資源受損調(diào)查：調(diào)查訪問塌陷坑、裂縫所在位置、土地類型及其受損情況。

(4)水資源受損調(diào)查：調(diào)查地表水體干枯、泉干枯對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活的影響及造成的損失。

3.2.3 物探

物探主要目的是快速探測(cè)淺部土洞發(fā)育情況，同時(shí)分析其對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)房屋的威脅情況。本次工作位于居民密集區(qū)，受場(chǎng)地大小限制，決定采用地質(zhì)雷達(dá)物探方法+高密度電法進(jìn)行快速調(diào)查[3]。

(1)地質(zhì)雷達(dá)法：采用RAMAC/GPR型地質(zhì)雷達(dá)，選用100 MHz shielded模式，采樣頻率897.5 MHz，時(shí)窗521.5 ms，采用間隔0.1 m。

(2)高密度電法：采用FlashRES-UNIVERSAL64-2全通道超高密度電法儀器，選用溫施排列剖面觀測(cè)系統(tǒng)，測(cè)點(diǎn)距離1.5～2 m，觀測(cè)18層數(shù)據(jù)。

3.2.4 鉆探

鉆探孔布設(shè)在調(diào)查區(qū)物探異常處，主要為驗(yàn)證物探成果的準(zhǔn)確性，用于指導(dǎo)物探解譯工作，同時(shí)初步查明鉆孔深度內(nèi)場(chǎng)地巖土層分布情況。

3.3 實(shí)物工作量

本次勘探實(shí)物工作量如表1所示。

表1 實(shí)物工作量統(tǒng)計(jì)表

3.4 勘探結(jié)果與治理建議

3.4.1 勘探結(jié)果

(1)勘查區(qū)廣泛分布于泥盆系上統(tǒng)佘田橋組灰?guī)r、泥灰?guī)r這類碳酸鹽巖，巖溶普遍發(fā)育，覆蓋層厚度中等；大氣降水季節(jié)性變化較大，地下水間水力聯(lián)系密切，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境脆弱。

(2)本次地質(zhì)雷達(dá)僅對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)房屋周邊、村道淺部土層中的土洞發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè)，共探測(cè)到14處異常點(diǎn)，進(jìn)行鉆探驗(yàn)證9處，其中驗(yàn)證結(jié)果為基本吻合和部分吻合的有6處，綜合準(zhǔn)確率66.7%。根據(jù)雷達(dá)探測(cè)成果，探明的土洞主要分布在地質(zhì)雷達(dá)R1-1、R2-1、R3-1、R6-1線，不密實(shí)土體或軟土在區(qū)內(nèi)分布較為廣泛。

(3)調(diào)查區(qū)已發(fā)生地面塌陷坑1處，目前已造成1棟3層民房開裂受損。地下水動(dòng)力條件的改變是巖溶塌陷主要誘因，次要原因是人為抽排地下水。

3.4.2 應(yīng)急防治措施

(1)重點(diǎn)調(diào)查區(qū)內(nèi)14棟房屋實(shí)施監(jiān)測(cè)性居住，特別是對(duì)位于土洞發(fā)育區(qū)旁邊的張千云和楊早連兩家進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

(2)加強(qiáng)群測(cè)群防及防災(zāi)宣傳工作。

(3)嚴(yán)格控制地下水的抽排。

4 結(jié)語

綜上所述，地面塌陷災(zāi)害成因復(fù)雜，采用單一勘探方法查明其規(guī)模、形態(tài)、分布與發(fā)展規(guī)律具有較大難度。地面塌陷實(shí)際勘察工作中，多采用綜合手段，包括地面工程地質(zhì)調(diào)繪、工程測(cè)量、鉆探、地質(zhì)雷達(dá)物探等，保證勘探結(jié)果精確、可靠，為災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。