武漢市巖溶地面塌陷監測技術探討

沈 銘，楊 濤，趙新建

(湖北省地質環境總站，湖北武漢 430034)

武漢市巖溶地面塌陷監測技術探討

沈 銘，楊 濤，趙新建

(湖北省地質環境總站，湖北武漢 430034)

武漢市內碳酸鹽巖分布廣泛，隨著城區范圍不斷擴展，人類工程活動的加劇，武漢市巖溶塌陷時有發生，且發生頻率有逐年增高之勢，巖溶地質環境問題對武漢市的城市建設造成的不利影響日漸突出。采用一定的監測技術，可以有效地提前預報巖溶塌陷前兆，結合巖溶地質環境分析，可以預防和減少巖溶地質災害的危害。

巖溶;地面塌陷;監測

0 引言

近年來，隨著武漢市經濟飛速發展，城區范圍不斷擴大，人類工程活動加劇，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環境的影響也更加劇烈，由此引發的巖溶地面塌陷災害時有發生，嚴重妨礙了城市經濟建設的發展。巖溶地面塌陷地質災害具有突發性、隱蔽性，選擇有效的監測方法，利用現代科學技術手段，結合巖溶地質環境綜合分析，提前預報巖溶塌陷前兆，對預防和減少巖溶塌陷地質災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、漢陽三鎮組成，全市現轄13個區(7個中心城區、6個新城區)、3個國家級開發區(武漢經濟技術開發區、東湖新技術開發區、吳家山臺商投資區)，常住人口900多萬人。是湖北省省會和政治、經濟及文化中心，是內陸地區的金融、商業、貿易、物流、文化中心。武漢市內的巖溶地質條件十分復雜，總體呈近東西向分布，數條碳酸鹽巖條帶橫跨長江，巖溶地面塌陷地質災害常有發生，1931年8月即有明確記載，當時塌陷導致江堤潰口，白沙洲淹沒，在該段形成倒口湖。經過調查，近三十年來武漢市區先后發生過20余次(處)巖溶塌陷(圖1)。

從1977年9月到2011年12月，武漢地區先后發生漢陽區中南軋鋼廠、青菱鄉烽火村、武昌白沙洲長江紫都花園、武漢市民政學校、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、道路破壞等經濟損失，嚴重威脅當地居民的人身財產安全［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 武漢市青菱鄉烽火村1號塌陷坑Photo 1 No.1 collapse pit in Fenghuo Village

照片2 漢南區陡埠村巖溶塌陷1號坑Photo 2 No.1 collapse pit in Doubu Village

2 巖溶地面塌陷監測技術與方法

武漢市巖溶地面塌陷區位于長江一級階地中、前緣，上覆土層為第四系全新統松散堆積層(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育，頂界面上有開口巖溶洞室(半充填、無充填)，有搬運、儲存大量潛蝕物所需的通道和空間，由于水動力條件發生改變、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。根據上述特點，監測預警技術主要從巖土體、建筑變形和地下水三方面考慮，結合地質環境條件分析進行巖溶塌陷地質災害預報。

2.1 變形監測

2.1.1 上部覆蓋層土體擾動性和土洞探測

武漢市巖溶塌陷地區在塌陷之前，上覆土層會出現擾動和形成土洞現象，土洞的發展可通過砂層擾動、土體的應力應變反應，同時土層中孔隙水會發生一定變化。監測方法可采用地質雷達固定剖面掃描、埋設土體壓力盒、孔隙水壓力計來進行。

(1)地質雷達監測 地質雷達屬于電磁波物理探測技術，通過天線將高頻電磁波呈寬帶脈沖形式向發射至地層中，通過另一天線進行回收放大、記錄、處理，通過地質雷達定期、定線路探測掃描對比，結合所掌握的地質資料綜合分析，可以推斷地下土體的變化，從而達到監測土洞的形成發展過程，可以預測巖溶塌陷(圖2)［2］。地質雷達相對于其他遙感探測方法而言優點是在一定深度范圍內對水異常敏感，武漢市巖溶地區上覆土層主要為粉質黏土和沙，土體中孔隙水含量高，地質雷達對土洞判斷較準確，不足是探測線路一定范圍內不能有干擾體，特別是高磁物體對地質雷達效果影響很大，由于雷達頻譜的關系，對于15 m以下土洞探測有一定的缺陷。

(2)土體壓力及孔隙水變化監測 通過對武漢市巖溶地面塌陷區域內土層和孔隙水監測分析，頻繁的地下水壓力變化會造成第四系土層變形破壞，當水(氣)壓力作用于第四系土層底部達到其極限破壞值時，第四系土層就會發生破壞從而產生地面塌陷，地下水(氣)作用于第四系土層的壓力可以通過監測土體壓力盒、孔隙水的變化實現，從而監測預報巖溶地面塌陷的發生。缺點是監測區域內土體上荷載不均勻的變化，會帶來土層中壓力和孔隙水壓力的不均勻、不規律變化，從而影響監測效果。

2.1.2 巖土層變形監測

多年實踐表明，對于巖溶塌陷預測預報，要抓住兩個方面，一是塌陷成災機理和巖溶塌陷的前兆現象，二是取得這些前兆現象變化過程的資料，分析判斷其發展趨勢，為及時采取應急處置措施提供依據，巖土層變形監測顯得尤為重要。

圖2 地質雷達探測土洞發育對比圖Fig.2 Contrast diagram of soil cave development

(1)合成孔徑雷達干涉測量技術(INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡稱干涉雷達測量) 它是以同一地區的兩張SAR圖像為基本處理數據，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數據的空間對地觀測新技術。Massonnet(1993)等人利用ERS1/2 SAR數據采集了Landers地震(M=7.2，1992)的形變場，并將 DINSAR的測量結果與其它類型的測量數據以及彈性形變模型進行比較，結果相當地吻合，DINSAR從此發展成為一種專門監測地表形變的新技術，可高精度地監測大面積的微小地面形變(圖3)。其特點是遙感方式為全天候、全天時作業，測量結果具有連續的空間覆蓋優勢，可對地殼變形進行準確的測量與檢測，是地殼構造變形(板塊動力學理論、地震、造山等)研究的一個新的強有力工具。其缺點是無法對細小目標(如某個建筑物)的變形進行監測，大氣效應對成像、研判影響較大。

(2)GPS監測技術 GPS監測手段以其精度高、快捷、可靠等優點，在變形監測方面有著極大的優勢。巖溶地面塌陷災害是一種持續變形而引發的地質災害，在其形成過程中，由于巖石內部及上覆土層水環境的變化，必然引起巖石及覆蓋層的蠕動變形，引起地表位移和沉降，通過對變形的監測，能有效反應變形過程和特性。為了適應巖溶地面塌陷的研究需要，GPS監測點主要布置于前期研究有塌陷趨勢的地帶，在邊緣地帶布置少量的對比監測點。塌陷中心地帶GPS監測點根據經濟狀況可以選定部分點布置分層監測點、即部分點監測地下基巖頂面的變形情況，部分監測點用于監測地面變形情況，兩種監測點可以采用分層標墩，以更好地反應巖石及上覆蓋層的變化和相互作用。在經濟條件容許的情況下，可以進行全天候監測，數據采用光纖自動傳輸。采用雙頻GPS接收機進行靜態測量，平面精度和高程精度測量精度可以達到mm，但是進行高差比較時，由于橢球、信噪比、電離層對流層延遲、鐘差等因素在不同時段的影響不同，很難通過人為方式干預，故一般高程只能達到cm精度。所以采用GPS監測技術平面位置位移可以滿足監測要求，垂直位置位移僅能作為先兆預判參考。

圖3 INSAR技術監測地下采礦引起地面變形Fig.3 Ground deformation monitored by INSAR

(3)精密水準測量監測技術 精密水準測量是指一、二等水準測量，具有精度高、方法簡便、反應直觀簡潔等特點，是垂直位移監測常用的方法。根據武漢市巖溶地面塌陷區的特點和監測方法，本文所指精密水準測量是指二等水準測量。由于武漢市的巖溶塌陷區域分布較廣，呈點狀，組成統一的二等水準網單次觀測周期較長，不利于體現各地域沉降特征，故采用同一規劃、分級布設的原則。將各監測區域的基準點選在監測塌陷區域外圍、穩定的基礎上，采用二等水準觀測，每半年或一年觀測一次，采用統一平差后的結果作為各監測區域的起算點和校核點;各監測區域內按規范布設一定監測點，采用二等水準方法每月觀測一次，遇到雨季、旱季和變形大時加密監測，這樣就形成了監測區域統一的監測網絡，能夠及時準確地反映不同地質環境下巖溶塌陷區域地面沉降的特性，從而預報塌陷發生的可能性。

2.1.3 巖溶帶線狀重點工程土體垂直變形監測

隨著發展，城市建設項目不可避免要通過巖溶區域，特別是公路、管線等線狀地物，垂直位移監測采用GPS監測技術或精密水準測量涉及選點、網形、經濟、維護等方面問題，這時可以采用光導纖維監測技術。光導纖維監測技術現最大測量距離為80 km，應變量測范圍為 －1.5% ～1.5%，應變測量精度達±0.003%。目前該監測技術已廣泛應用于國防軍事、航空航天、地質工程、水利工程、醫療、電力能源、環保等諸多領域，特別是在變形監測方面。它既能對早期的土層小變形作出反應，又能對中后期土層的大變形(如垮塌)作出反應。在公路、重要管線(如天然氣管道)等重要線狀工程施工時，在巖溶區將光纖按照一定深度間隔與線狀工程同時設計、鋪設，為了取得對比效果，根據需要在非塌陷區域也布設一定對比光纖，當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，從而判斷可能發生塌陷的時間和位置。光導纖維監測技術具有多路復用分布式、抗電磁干擾、工作頻帶寬、長距離、實時性、精度高和長期耐久等特點，通過合理的布設，可以方便地對目標體的各個部位進行監測，也可以包裹式對監測目標進行監測。

2.1.4 建筑物變形監測

巖溶地面塌陷發育過程中，由于塌陷區內及邊緣建筑物基礎會隨著塌陷的發育應力發生改變，建筑物會產生變形，表現出沉降、開裂、位移等變形現象，通過對這些現象進行監測，結合其他監測方法，能對塌陷災害進行有效分析、預防，同時能對塌陷區內變形建筑物的穩定性進行評價。

(1)建筑物沉降監測 采用精密水準方法，也可用液體靜力水準儀、氣泡傾斜儀、電子水準器等進行測量。定期對埋設在建筑物上的標志進行觀測，計算出沉降量，繪制沉降曲線，判斷沉降產生的原因及危害性。

(2)裂縫監測 對于建筑物受外力產生的裂縫，在裂縫兩側及中間設置觀測標志，定期觀測其位置變化，以取得裂縫的大小和走向等資料。通過對裂縫的張裂程度進行分析，判斷應力產生的原因及危害情況。

(3)位移監測 使用邊角法、測角前方交會法、經緯儀投影法、觀測水平角法、激光準直法和垂線觀測法等，按一定周期來測定建筑物上觀測點的位置變化。

對于測定建筑物沉降、裂縫、位移，還可以采用近景攝影測量方法，使用攝影經緯儀、普通攝影機或高速攝影機，按正直、等偏、交向等攝影方式，在一定時間段或瞬間連續記錄建筑物和試驗模型的大量點位變形信息，按最小二乘法與統計檢驗的原理求得回歸方程，從而找出變形的規律性，以推算、預報今后的變形情況，研究應采取的措施。

2.2 地下水動態變化監測

地下水動態監測可采用自動化監測儀監測，同時監測水位的變化和水流方向(照片3)。巖溶區內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，地下水對區內巖溶塌陷的影響主要表現在水位下降和水位波動，由于水位變化而引起區內水文地質條件發生改變。頻繁的地下水位變化會造成第四系土層的變化破壞，當水(氣)壓力變化或作用于第四系底部土層的水壓力達到該地層土體的承受臨界值，第四系土層就會發生破壞，進而產生地面塌陷。地下水動態監測主要查明區內各地下水的動態變化情況，分析與相鄰含水層之間的水力聯系等，通過地下水動態變化監測，可以對巖溶塌陷進行監測預報。

照片3 地下水動態監測點Photo 3 Dynamic monitoring points of groundwater

3 結語

單一采用某種監測方法不利于系統研究巖溶塌陷形成機理，在實際工作中，可以預防與治理相結合，通過勘查進行巖溶塌陷危險性分區評價。對于巖溶塌陷災害嚴重危險區域，采用控制地下水開采、灌漿封固等技術手段進行塌陷治理;對于潛在危險區域，采用GPS、合成孔徑雷達干涉測量、精密水準測量、建筑物變形監測和地下水動態監測來監測塌陷變形前兆，同時輔以地質雷達和孔隙水壓力監測判斷發展趨勢，采取合理的預防措施;對于條帶狀重點工程，埋設光導纖維對土層進行變形監測，發揮各種監測方法優勢，形成系統的巖溶地面塌陷監測網絡，預報、預防巖溶地面塌陷地質災害的發生，可以減少災害對人民群眾和社會的危害。

［1］ 趙德君，等.武漢市地面塌陷災害調查與監測預警［R］.武漢:湖北省地質環境總站，2009.

［2］ 李瑜，朱平，等.巖溶地面塌陷監測技術與方法［J］.中國巖溶，2005(2):104.

(責任編輯: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，高級工程師，測繪工程專業，從事測量工作。E－mail:shengming1988@163.com