王 偉

（河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)）

唐山市中心區(qū)坐落在淺埋石灰?guī)r區(qū)，巖溶裂隙發(fā)育，在自然與人為因素的共同作用下，曾多次發(fā)生巖溶塌陷，使城市建筑、交通、管線受到了極大破壞。巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害不僅破壞了自然環(huán)境，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也造成了較大的社會(huì)影響。

1 研究區(qū)條件

1.1 地形地貌

唐山市位于燕山南麓的山前沖、洪積平原，地勢(shì)北高南低，高程為15.0～40.0 m。市區(qū)內(nèi)分布剝蝕殘丘，由北向南依次為灣道山、賈家山、大城山、鳳凰山，最高點(diǎn)大城山高程為125.1 m。

1.2 氣 候

唐山市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，多年平均氣溫為11.1 ℃，最低氣溫為-22.7 ℃，最高氣溫為39.6 ℃，多年平均降水量為630 mm，60%以上的降水集中在6、7、8 這3 個(gè)月，多年平均水面蒸發(fā)量為1 840 mm。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

唐山市褶皺構(gòu)造由東到西依次為開平向斜、碑子院背斜，其中開平向斜規(guī)模最大，總體軸向?yàn)楸睎|40°，自開平北東向轉(zhuǎn)成東西方向，構(gòu)成1 條向北東方向凸出的弧形彎曲，長(zhǎng)約50 km，寬15～20 km。兩翼不對(duì)稱，西北翼構(gòu)造復(fù)雜，巖層傾角一般大于45°，局部直立或倒轉(zhuǎn)，并發(fā)育若干次一級(jí)構(gòu)造；東南翼構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層平緩。

唐山市斷裂構(gòu)造主要有陡河斷裂、唐山斷裂、大城山北麓斷裂。

（1）陡河斷裂位于市區(qū)西至西北部，由2 條平行排列的正斷層組成。斷裂北起陡河水庫，南至豐南縣城，長(zhǎng)約35 km，走向?yàn)楸睎|25°～30°，傾向?yàn)槟蠔|，為一高角度正斷層，斷層兩側(cè)第四系厚度相差70 m。

（2）唐山斷裂位于市區(qū)東南邊緣，北起古冶趙各莊，南到安機(jī)寨，長(zhǎng)約30 km，走向?yàn)楸睎|25°～30°，傾向南東，為一高角度斷裂，是唐山斷塊隆起帶東部邊界。

（3）大城山斷裂。據(jù)遙感的解釋和鉆孔資料，大城山北麓存在1條北西向斷裂，該斷層沿大城山北側(cè)穿過市區(qū)并向外延伸，長(zhǎng)度為60 km 以上，走向?yàn)楸蔽?0°。為一平移斷層，錯(cuò)距數(shù)百米，陡河斷裂、唐山斷裂被其錯(cuò)斷。

1.4 地層巖性

唐山市區(qū)的主要地層從老到新有中上元古界薊縣系、青白口系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系及第四系，基巖大部分被第四系覆蓋，僅在殘丘地帶出露。

1.5 地下水

研究區(qū)地下水呈雙層結(jié)構(gòu)，分別為第四系潛水與基巖裂隙水。

2 巖溶塌陷成因分析

巖溶塌陷的形成主要決定于以下3個(gè)方面因素。①巖溶發(fā)育程度。基巖為可溶巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，賦存地下水的洞隙連通性好，具有一定的空間和導(dǎo)水能力；尤其是奧陶系灰?guī)r，層厚、質(zhì)純、鈣質(zhì)含量高，巖溶發(fā)育［1］，具有管道流狀的導(dǎo)水通道和儲(chǔ)存空間。②雙層水位漏斗的存在。由于地下水的長(zhǎng)期嚴(yán)重超采［2］，第四系孔隙水與巖溶水形成巨大的水頭差，加大了地下水對(duì)上覆第四系土層的潛蝕作用。③上覆第四系土層厚度及巖性，特別是基巖頂面黏土層的厚度?；鶐r頂部普遍分布一層較厚的黏性土隔水層，具有良好的隔水作用，但在雙層水頭差和地震動(dòng)力的作用下，容易產(chǎn)生裂隙、滲透、潛蝕等，形成“漏水天窗”［3］，最終導(dǎo)致“漏水天窗”上部的土洞塌陷。

3 技術(shù)路線

在廣泛搜集、分析和研究區(qū)域地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)以及前期勘察資料的基礎(chǔ)上，有目的地確定勘察工作內(nèi)容。按照由面到點(diǎn)，點(diǎn)面結(jié)合的原則，以物探為先導(dǎo)，鉆探進(jìn)行驗(yàn)證的技術(shù)路線。首先用多道瞬態(tài)面波、高密度地震映像物探方法［4］對(duì)整個(gè)勘察區(qū)進(jìn)行普查，對(duì)物探異常區(qū)再進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，并根據(jù)物探成果來適當(dāng)調(diào)整鉆孔的位置。當(dāng)鉆探發(fā)現(xiàn)大體積溶洞及溶蝕異常時(shí)，再采用井下電視方法，進(jìn)一步查明溶洞的發(fā)育程度、規(guī)模和形態(tài)。做到有的放矢，講究實(shí)效，以最少的工作量和資金投入達(dá)到最佳的勘察效果。

對(duì)上覆第四系土層，通過標(biāo)貫、土樣實(shí)驗(yàn)等的異常變化，來判斷第四系土層是否受到擾動(dòng)，特別是通過基巖頂面的紅黏土的缺失與否判斷是否存在“漏水天窗”。鉆探過程中，加強(qiáng)第四系水位的觀測(cè)，以判斷工作區(qū)流場(chǎng)的變化，可間接判明工作區(qū)內(nèi)巖溶塌陷區(qū)的存在。

4 工程布置原則

（1）勘探手段的選擇及施工方法，以不破壞現(xiàn)有建筑物，不影響工作區(qū)的正常秩序?yàn)樵瓌t。

（2）采用先物探后鉆探的工作方法，用鉆探驗(yàn)證物探，并在工作過程中根據(jù)物探成果適當(dāng)調(diào)整鉆孔的位置。

（3）工程布置以已有建筑物為重點(diǎn)，兼顧整個(gè)工作區(qū)。

（4）工程布置能夠查明工作區(qū)內(nèi)第四系的物理力學(xué)性質(zhì)及其異常區(qū)的分布規(guī)律，突出查明工作區(qū)內(nèi)的第四系土洞和巖溶發(fā)育程度。

5 工作方法

在物探測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過鉆探，詳細(xì)查明第四系厚度和類型，巖性結(jié)構(gòu)，基巖巖性和結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育程度，同時(shí)查明工作區(qū)地段的各種巖溶洞隙和土洞的位置、規(guī)模、埋深、巖溶堆填物性狀。

5.1 物 探

采用多道瞬態(tài)瑞雷波法、高密度地震映像法及鉆孔井下電視的方法對(duì)整個(gè)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行了勘探測(cè)試。

（1）多道瞬態(tài)瑞雷波法。多道瞬態(tài)瑞雷波法［5］是利用瑞雷波的頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性進(jìn)行地質(zhì)解譯，查明第四系松散體，地下隱伏巖溶，確定基巖埋深。其優(yōu)點(diǎn)是能夠定量分析、成果直觀準(zhǔn)確、工作效率高。

（2）高密度地震映像法?；竟ぷ髟頌榉瓷洳ǚǎ捎昧闫凭?，對(duì)激發(fā)源產(chǎn)生的反射波進(jìn)行連續(xù)單道接收，形成剖面文件。通過對(duì)文件采用不同頻率范圍進(jìn)行帶通濾波處理，對(duì)圖像進(jìn)行解析，從而達(dá)到探測(cè)目的。該方法操作簡(jiǎn)便，適用于場(chǎng)地狹窄的地方施工，能夠?qū)鄬?、巖溶發(fā)育帶、地下水富水段及地下水垂向滲漏帶進(jìn)行較準(zhǔn)確地劃分。

（3）鉆孔井下電視法。采用鉆孔井下電視錄像儀對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行錄像，能夠較直觀地了解鉆孔內(nèi)溶洞、破碎帶的分布及形狀等特征。

5.2 鉆 探

通過鉆探查明工作區(qū)第四系土層覆蓋層厚度、類型、巖性、結(jié)構(gòu)分布，通過采取土樣、原位測(cè)試查明土體的工程特性。

通過鉆探重點(diǎn)探查第四系覆蓋層，特別是巖層頂部紅黏土的厚度及連續(xù)性，探查第四系是否存在土洞，查明第四系水位變化和標(biāo)貫擊數(shù)的變化情況。

通過鉆探查明基巖巖性、結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育程度、溶洞大小及充填情況。

鉆探采用全孔取芯，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖性描述，對(duì)第四系進(jìn)行取原狀土樣和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，以查明其物理力學(xué)性質(zhì)。第四系鉆進(jìn)回次進(jìn)尺不大于2.0 m，取樣孔取樣間隔不大于2.0 m；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔標(biāo)貫試驗(yàn)間隔不大于2.0 m，遇異常帶地層加密或連續(xù)貫入；基巖回次進(jìn)尺不大于2.0 m。

對(duì)第四系中取得的原狀土樣，以常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)為主，兼做部分快剪試驗(yàn)、室內(nèi)滲透試驗(yàn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果，按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行修正。

為了解地下水的埋藏條件，所有鉆孔均觀測(cè)穩(wěn)定水位，采取套管止水措施，分層測(cè)量地下水位。

穩(wěn)定水位的觀測(cè)方法：

（1）水位以上采用無水鉆進(jìn)，至水位后，停鉆觀測(cè)穩(wěn)定水位。

（2）采用套管止水或下入觀測(cè)管觀測(cè)穩(wěn)定水位。

6 工程實(shí)例

唐山市某小區(qū)現(xiàn)有建筑主要為5～6層磚混住宅，附近有學(xué)校、稅務(wù)局等單位的多層辦公樓及公共建筑。采用多道瞬態(tài)面波法及高密度地震映像對(duì)該小區(qū)進(jìn)行普查。

多道瞬態(tài)面波法是利用面波在地層中傳播的頻散特性和不同地層中面波傳播速度的差異對(duì)不同彈性參數(shù)的地層進(jìn)行劃分，從而達(dá)到地質(zhì)勘探的目的。

高密度地震映像法與常規(guī)地震反射波法的原理相同，其基本原理是利用不同地質(zhì)體之間波阻抗界面對(duì)地震波的反射原理，研究人工激發(fā)的彈性波在地層中的傳播規(guī)律而達(dá)到地質(zhì)勘探的目的。

連續(xù)穩(wěn)定的第四系面波速度一般在160～400 m/s；土洞及被擾動(dòng)的土體面波速度及密度會(huì)明顯降低，在面波等速度剖面圖中表現(xiàn)為低速異常；基巖因裂隙或巖溶等發(fā)育程度不同，其面波速度也不同，但基巖的面波速度一般大于450 m/s，在面波等速度剖面圖中表現(xiàn)為穩(wěn)定的高波速區(qū)。

在起伏較小、連續(xù)穩(wěn)定展布的地層中，高密度地震映像圖中表現(xiàn)為波形同相軸平緩、連續(xù)展布；當(dāng)連續(xù)穩(wěn)定的地層中存在被擾動(dòng)的土體、基巖中存在破碎帶或溶洞時(shí)，映像圖中的波形同相軸會(huì)出現(xiàn)中斷、扭曲而形成繞射弧等異常；在基巖界面附近，由于基巖風(fēng)化、破碎程度不同，其波阻抗變化較大，映象圖中的波形變化劇烈，同相軸難以追蹤和辨認(rèn)。

本區(qū)域測(cè)試的瑞雷波等速度剖面圖及高密度映像圖如圖1、圖2所示。

在瑞雷波等速度剖面圖中，上部波速較低且水平方向變化范圍不大；底部波速較高，起伏較明顯；上部低速帶與底部高速帶之間存在波速過度帶而沒有明顯的突變界面。高密度地震映像圖在上部第四系中同相軸可連續(xù)追蹤，而其下部波形同相軸不易辨別，但沒有明顯的同相軸中斷、扭曲而形成繞射弧異常等。

綜合分析上述物探資料推斷：整個(gè)測(cè)區(qū)第四系較為均勻穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯的土洞；其下伏基巖頂部較破碎，較完整的基巖中未發(fā)現(xiàn)明顯的溶洞反映。在面波等速度剖面圖中，基巖由于破碎及溶蝕程度不同，基巖頂面對(duì)應(yīng)的波速值略有不同，一般在480 m/s左右。

根據(jù)鉆探資料，該區(qū)域內(nèi)場(chǎng)地土共分為10層，簡(jiǎn)述如下。

第①層為雜填土，雜色，松散，稍濕，以灰渣、碎磚塊為主，含黏土成分，該層全場(chǎng)分布。

第②層為粉砂，棕黃色，稍濕，稍密—中密，以石英、長(zhǎng)石為主，長(zhǎng)石已風(fēng)化，磨圓度差，分選差，巖性不均，含土質(zhì)成份，該層壓縮模量16.0 MPa，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為14.0～33.0，平均值為20.8，變異系數(shù)為0.25，該層全區(qū)分布。

第②1層為黏土，褐黃色，可塑，切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，可見鐵錳斑點(diǎn)，含砂粒。該層壓縮系數(shù)為0.32 MPa-1，壓縮模量為7.60 MPa，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為11.0～16.0，平均值為13.5，局部區(qū)域內(nèi)有分布。

第③層為粉質(zhì)黏土，褐黃色，可塑，切面稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，可見鐵錳斑點(diǎn)，該層壓縮系數(shù)為0.21～0.43 MPa-1，平均值為0.28 MPa-1，變異系數(shù)為0.26，壓縮模量為5.1～10.3 MPa，平均值為7.6 MPa，變異系數(shù)為0.22，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為13.0～25.0，平均值為19.1，變異系數(shù)為0.20，該層分布在局部區(qū)域。

第④層為細(xì)砂，黃色，稍濕—濕，密實(shí)，以石英、長(zhǎng)石為主，磨圓度一般，分選一般，具錳染，含暗色礦物，該層壓縮模量為26.0 MPa，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為41.0～82.0，平均值為62.7，變異系數(shù)為0.21，該層在某區(qū)域內(nèi)缺失。

第⑤層為黏土，褐黃色，飽和，可塑—硬塑，切面光滑，韌性高，干強(qiáng)度高，具銹染，巖性不均，夾粉土，含砂粒，可見鐵錳斑點(diǎn)，該層壓縮系數(shù)為0.09～0.30 MPa-1，平均值為0.22 MPa-1，變異系數(shù)為0.36，壓縮模量為5.80～18.52 MPa，平均值為9.84 MPa，變異系數(shù)為0.41，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為17.0～51.0，平均值為23.3，變異系數(shù)為0.33，該層全場(chǎng)分布。

第⑥層為細(xì)砂，灰黃色，濕，密實(shí)，以石英、長(zhǎng)石為主，含暗色礦物，磨圓度一般，分選一般，含礫石，巖性不均，夾粉土及粉砂薄層，該層壓縮模量為30.0 MPa，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)100.0～166.7，平均值為119.0，變異系數(shù)為0.14，該層全場(chǎng)分布。

第⑦層為粉土，褐黃色，濕，密實(shí)，搖震反應(yīng)迅速，干強(qiáng)度低，韌性低，砂質(zhì)含量較高，巖性不均，夾粉砂薄層，該層壓縮系數(shù)為0.07～0.17 MPa-1，平均值為0.12 MPa-1，變異系數(shù)為0.32，壓縮模量為8.89～19.40 MPa，平均值為14.17 MPa，變異系數(shù)為0.29，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為41.0～73.0，平均值為63.9，變異系數(shù)為0.12，該層全場(chǎng)分布。

第⑦1層為粉質(zhì)黏土，褐黃色，飽和，可塑—硬塑，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，具銹染，該層壓縮系數(shù)為0.20～0.28 MPa-1，平均值為0.23 MPa-1，變異系數(shù)為0.16，壓縮模量為6.10～8.90 MPa，平均值為8.00 MPa，變異系數(shù)為0.16，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為22.0～33.0，平均值為27.5，變異系數(shù)為0.23，該層分布在局部區(qū)域的鉆孔內(nèi)。

第⑧層為粉質(zhì)黏土，棕黃色，飽和，可塑—硬塑，稍有光滑，韌性中等，干強(qiáng)度中等，具銹染，局部含鐵錳結(jié)核及小石塊，巖性不均，夾粉土，該層壓縮系數(shù)為0.09～0.21 MPa-1，平均值為0.15 MPa-1，變異系數(shù)為0.23，壓縮模量為8.37～18.52 MPa，平均值為12.00 MPa，變異系數(shù)為0.25，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為17.0～66.0，平均值為36.3，變異系數(shù)為0.36，該層全場(chǎng)分布。厚度變化較大，最大厚度為10.6 m，最小厚度為7.0 m。

第⑨層為黏土，棕紅色，飽和，硬塑，光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，含錳核及碎石，該層壓縮系數(shù)為0.08～0.26 MPa-1，平均值為0.16 MPa-1，變異系數(shù)為0.29，壓縮模量為8.10～21.48 MPa，平均值為12.07 MPa，變異系數(shù)為0.31，標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)為23.0～83.0，平均值為38.4，變異系數(shù)為0.35。該層全場(chǎng)分布。

第⑩層為灰?guī)r，灰色，堅(jiān)硬，中等風(fēng)化，基巖中軸夾角為40°～45°，裂隙發(fā)育，方解石充填，頂部巖芯較破碎，黏性土充填。

用鉆探資料進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：該區(qū)域內(nèi)第四系覆蓋層厚度較大，壓縮性較小，標(biāo)貫擊數(shù)正常，覆蓋層巖性為粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂互層，基巖頂面分布有厚層棕黃色粉質(zhì)黏土及棕紅色黏土隔水層，且分布連續(xù)；未發(fā)現(xiàn)土洞及擾動(dòng)土體。下伏基巖主要以灰?guī)r為主，基巖地層上部較為破碎，裂隙發(fā)育，局部有溶洞，溶洞內(nèi)黏土充填。完整巖石的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，其具有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度。

采用鉆孔井下電視錄像儀對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行錄像可發(fā)現(xiàn)，上部基巖地層較為破碎，裂隙發(fā)育，局部有溶洞，溶洞內(nèi)黏性土充填。

7 結(jié) 論

勘察區(qū)第四系地層層序正常，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，未發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)土體及土洞。第四系底部較厚的黏性土隔水層阻斷了場(chǎng)區(qū)內(nèi)第四系地下水與巖溶水的水力聯(lián)系。第四系下伏基巖溶洞、裂隙中等發(fā)育，頂部溶洞、裂隙被黏土填充，巖溶相對(duì)穩(wěn)定，短期內(nèi)不會(huì)對(duì)建筑物安全造成威脅。建議嚴(yán)禁在勘察區(qū)及其附近抽取地下水，對(duì)第四系及基巖地下水水位變化情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。