巖溶塌陷監測技術及發展趨勢*

王金晨，吳 迪，婁萬鵬，吳遠斌

1.桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004

2.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004

1 巖溶塌陷概述

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，在巖溶分布區及其邊緣建設的工程越來越多，由此引發的塌陷災害時有發生，已經嚴重威脅到人們的生命財產安全以及城市建設乃至經濟發展。巖溶塌陷地質災害在時間上具有突發性，在空間上具有隱蔽性、復雜性等特點。選擇適合的監測方法，利用現代化科學技術手段，結合巖溶地質環境綜合分析，提前獲取巖溶塌陷前兆，對預防和減少巖溶塌陷地質災害具有重要意義。

巖溶塌陷是指裸露型和埋藏型巖溶區的溶洞頂板在外力作用下發生坍塌、陷落現象。巖溶塌陷的發生基本要具備三個條件：第一，空間條件，土體下方具有可溶性巖層，能發育形成裂縫，從而給塌陷物或水提供轉運通道或者滯留空間，這是巖溶塌陷發生的基礎條件；第二，物質條件，塌陷物上方具有一定厚度的覆蓋層，可以是砂巖或各類松散土層；第三，致塌力，能破壞溶洞頂板與下覆土體之間的平衡關系，其可以是水、荷載等。

國內外的塌陷研究工作者們對巖溶塌陷的時空分布做了大量實地調研和研究，總結了以下巖溶塌陷的時空分布規律：

（1）巖溶極其發育的地段?？λ固氐孛驳陌l育會引起溶洞、裂縫的形成，當溶洞頂板受到潛蝕和土壓力作用，會加速其上覆土體的坍塌。另外，巖溶發育地區中的地下水流速會增大，這也會導致巖溶塌陷的增多。

（2）斷裂構造帶附近。巖石碎裂、裂縫發育，為地下水提供了良好的滯留空間、運動通道，當地下水降低到巖石面以下時，土層內部容易形成吸蝕作用，破壞土體內部受力平衡。

（3）巖溶區的漬水洼地、河槽、高地過渡帶等位置。在這些部位，水位變化幅度大、流速快，容易形成致塌力。

（4）喀斯特地區土層薄弱處，軟弱巖層。軟弱土層下形成溶洞時，抗塌力會減弱，土洞平衡遭到破壞，也會造成坍塌[1]。

（5）季節分布規律。如桂林市5、6月份為雨季，根據對已經記載的67處塌陷發生時間的統計[2]，在干濕季節交替時段，水位波動幅度較大，容易發生塌陷，發生于5—8月的塌陷共35起，占統計數52.24%，而秋冬季節發生塌陷的概率較低。

（6）年際分布規律。地質資料顯示，1970年以前塌陷的誘發以自然狀況、氣候以及地質因素為主，一般為自然塌陷；1970年以后，人類生產建設活動頻繁，加劇開采地下水，導致塌陷頻率上升。

2 巖溶塌陷誘發因素監測

對于巖溶塌陷地質災害，土體變形和誘發因素是監測的主要對象[3]。其中土體變形監測是對巖溶區地下土體進行的直接監測；誘發因素監測是對可能產生巖溶塌陷的元素進行的間接監測。相關人員通過結合直接監測和間接監測，來達到監測巖溶塌陷的目的。

水、外部施加荷載是巖溶塌陷的主要誘發因素，而地下水的波動會加速塌陷的形成，因此在巖溶地區對水的監測至關重要。外部施加荷載可以通過工程手段干涉，進行提前預防。

2.1 水位監測

水位監測是指對水體的自由水面高出固定基面以上高程的監測。目前水位監測分為人工監測和自動監測兩種。

人工監測水位利用測鐘，這是一種比較簡單的地下水位監測儀，適用于水位淺的觀測孔；還有地下水位計，是一種操作簡單的水位計，適用于各種地下水的監測。目前常用電接觸懸垂式水尺。

自動監測目前主要依靠水壓力傳感器，國內外監測儀器主要有荷蘭的DIVER、北京的中科光大等，還可以在此基礎上設立地下水位監測系統。劉雅欣[4]闡述了地下水位監測系統的原理及應用，并對此類系統的發展提出了建議。自動監測地下水位可以將數據以數字或圖像的方式傳輸至數據庫，有利于水位監測朝著自動化、遙感化方向發展。

2.2 水氣壓力監測

溶洞土體的破壞與空腔壓力的變化密切相關，而巖溶空腔壓力與巖溶含水層水氣壓力的變化具有很好的對應關系，因此水氣壓力的監測結果可以作為追蹤和掌握土體變形的參考依據。地下水氣壓力的監測主要采用壓力傳感器，并可以實現自動化監測。高明等[5]用振弦滲壓計對巖溶區水壓力進行了監測，效果良好。

2.3 水質監測

現階段主要利用鉆探對孔和測井的水樣進行水質分析實驗。根據項目情況采用自動監測和人工監測，其中自動監測能夠實現水質參數的原位自動采集，人工監測可使用pH試紙、電導率等。

2.4 流速、流向監測

流速監測可以用斷面截留來計算，根據這段時間斷面的水流速，求出流速。浮標法、顏色示蹤法可以用于流向監測。

3 巖溶塌陷土體變形監測

土體變形包括地面沉降、建筑物變形、土體形變等。其中地面沉降、建筑物變形和變位已經有比較成熟的監測方法，但能監測到沉降和變形說明地面塌陷已經發生[6]，因此這些監測方法只適用于應急搶修的短期監測。

3.1 地面沉降監測

地面沉降監測主要是對地面沉降災害進行觀測和分析。

（1）精密水準測量。精密水準測量是指國家二等及以上的水準測量，其優點是反應直觀、精度高，常用于豎向位移測量。我國可溶巖面積占國土面積的1/3以上，分布較廣，二等水準網單次監測呈點狀分布，導致沉降顯示不明顯。在測量時應做到統一規劃、分級布設，將觀測點布設在塌陷區外穩定的基礎上，再進行二等水準觀測。其中，監測點的數量布設位置應按規范要求來。當水位變化幅度較大、監測點出現變形時，應加密監測。

（2）GPS技術。GPS技術具有速度快、操作簡單等優點，在位移監測中具有明顯優勢[6]。由于巖溶塌陷在形成時，其內部的水、土體環境會發生劇變，通過對比上覆土體的位移，便能對下覆土體進行有效監測。GPS技術若要適應塌陷監測，需要在塌陷中心地帶分層布設，某一部分對巖石頂面進行監測，某一部分對地表變形進行監測，兩部分監測可以分開設置。GPS對監測點采用靜態測量，平面精度能實現毫米級；高程監測受到信噪比、鐘差等因素影響，只能達到厘米級。

（3）合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）。該技術是20世紀發展最迅速的新型遙感技術，以同一區域、不同時間段的兩張SAR圖像為基礎，通過解得SAR的相位差，獲得干涉圖像，然后從干涉條紋中獲取地形高程數據。目前InSAR技術還存在一些問題：①地面降霜、雨等氣象因素會對InSAR造成干擾；②地形復雜區域的InSAR相位解算會造成參數獲取誤差；③大氣層對電磁信號的延遲而造成的干涉相位偏差。

（4）地面沉降儀。該儀器是利用電磁波往來距離測算地表位移變化。因為地表沉降時間漫長，所以地面沉降儀現階段多應用于推算土洞發育狀況。另外，其還用于測算房屋裂縫大小，以此判斷地表沉降速率，但該方法局限性較大，已被慢慢淘汰。

3.2 建筑物變形監測

建筑物會隨著基礎變形而發生沉降，進而出現開裂、位移等現象，因而通過對房屋變形進行監測，能有效地反映巖溶區土體形變[7-8]。

（1）建筑物沉降監測。測量人員可采用上述精密水準測量，也可采用氣泡、電子水準儀進行測量，按規范要求定期對建筑物內埋設的觀測點進行高程監測，繪制沉降-時間曲線，判斷是否發生沉降及沉降發生原因。

（2）位移監測。測量人員使用經緯儀投影法、激光準直法等，定期對建筑物測點進行觀測。此外，測量人員還可采用攝影測量方法，利用攝像機在某段時間瞬時記錄建筑物點位信息，利用統計原理及最小二乘法求出方程，推斷出位移變化規律，對可能產生位移的地點進行監測，預防建筑物變形。

3.3 土體形變監測

軟弱、砂性土體以及發育土洞內部的變形稱之為土體形變，這也是塌陷監測的重難點[6]。由于巖溶塌陷在空間上具有復雜性，目前真正有效的塌陷監測方法仍在積極探索中，可預見的是塌陷監測正朝著網絡化、智能化方向發展。

（1）BOTDR光纖傳感技術。BOTDR光纖傳感是一類基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術[9]。該方法最早由Horiguchi于1989年提出，其最開始是作為一種無破壞性的光纖損耗測量技術，應用于橋梁、公路等監測，且效果明顯?，F階段，BOTDR光纖傳感技術在巖土領域得到了展開應用。蒙彥等[10]對BOTDR光纖傳感技術在塌陷領域的監測、預報等方面的應用進行了探討及實驗研究。

工作原理：當巖溶發育到某一階段時，光纖產生拉伸或剪切，對散射光進行數據采集，通過計算可知形變發生位置、變化量以及土洞發育狀況。

布設要求：BOTDR光纖傳感技術利用光纖的彎曲變形來反映土體的位移，這就導致光纖與土體需要同步變化。BOTDR光纖傳感技術的布設要求主要取決于鋪設場地所要求的精度和地質概況，從而對光纖的鋪設深度、方式進行設計，在應用BOTDR光纖傳感技術之前應對鋪設場所進行地質勘察。對于地質復雜、土體較深的地區，應按照規范分層鋪設，同層可選用格柵，網絡間距一般小于1m，各層網格應做到交叉。在使用BOTDR光纖傳感技術之前還應剔除溫度影響。

優缺點：BOTDR光纖傳感技術具有靈敏度高、抗磁場干擾強、能實時傳輸數據等優點，其不僅可測量土體的彎曲變形，還能測量軸向變形數值；但其缺點也很明顯，主要適用于線性工程，且費用較高、保護要求也較高，一般用于已探明的土洞監測，但對未發現的土洞監測效果一般。

（2）TDR監測。TDR即時域反射法,是一種遠程電子測量技術，最開始應用于電力行業，被用來確定通信電纜故障?，F階段，TDR技術的使用已經普及到巖土領域。

工作原理：利用同軸電纜在受到張拉力或剪切力時其局部阻抗變化來反映土體內部形變位置，進而對塌陷土體進行實時監控。TDR技術和BOTDR技術均為時域反射的一種，區別在于TDR技術通過阻抗來反映土體形變，而BOTDR技術通過光纖形變來反映土體位移。

布設要求：按工程軸向施工布設電纜，施工前確定TDR之間的距離和土下埋置深度，保證監測土洞在TDR范圍內，同時留有一定預警時間；在利用砂漿膠結時要確保TDR內的電纜與土體同步變形。

優缺點：TDR監測系統性價比高，目前已比較成熟，可以組成軸向陣列，也可與水壓力傳感器、慣性沉降設備組成新的監測系統[11]；其缺點也很明顯，由于TDR在受到剪切或拉伸力時才會產生阻抗信號，不能明確表示突變點塌陷位移，只適用于線性工程。

（3）地質雷達監測。地質雷達（GPR）又被稱作探地雷達，是一種快速無損的地球物理探測技術[12]。我國于1990年引入該技術，現已廣泛應用于公路、建筑物等周邊土洞探測。

工作原理：脈沖源天線往地下發射電磁波信號，示波器會形成雷達圖像，根據雷達圖像中反射波穿過介質的時間、頻率等資料，能判斷出地下土體各界面情況，從而實現對塌陷區土洞的監測。

技術要求：探地雷達的天線頻率與分辨率、探測深度密切相關，頻率越高，分辨率越大，而探測深度反而更小，因此天線頻率的選擇要依據探測精度、深度的需求，在滿足分辨率的同時，降低天線頻率，以探測更深的地質狀況。

優缺點：現階段地質雷達具有操作、布設便捷，應用范圍廣等優點，在線性工程中有良好的應用效果；其缺點是探地效果容易受到周圍電磁波干擾，而且由于雷達頻譜的關系，15m以下土洞探測結果存在缺陷，無法實現實時監測。

（4）測斜儀。工作原理：將測斜儀沿監測區垂直橫向埋設，測斜管整體與巖溶土同步變形，定期對測斜裝置水平位移進行監測，測算塌陷區位移走向。

優缺點：測斜儀結構簡單、易于操作，能夠準確測量被監測區的水平位移量；但目前常用的人工測斜儀存在勞動強度大、套頭需長期維護等缺點，并且自動測斜儀雖能實現實時監測，但制作麻煩，且只能反映某一方向的位移，而無法實現三維監測，對于土洞塌陷的監測存在一定的局限性。

4 巖溶塌陷監測發展趨勢

綜上所述，塌陷監測的最終目的是實時掌握土體的發育情況，對塌陷的時空狀態進行預報、監測，以達到防震減災的目的。但由于巖溶塌陷的隨機性和復雜性，單一的監測手段難以對整個易塌區進行全面監測，在實際的工程預警中，可以通過現場勘察，利用多維度監測手段進行監測，從而形成全面的監測網。而且可以將不同方法獲取的數據進行驗證比較，如水位、水氣壓力監測可以采用人工監測與智能監測數據相互驗證的方法，進而確保數據監測的準確性、精密性[13]。

未來，塌陷監測應朝著隱患識別快速化、監控精細化、風險防控時效化等方向發展，如新興的MEMS技術以其獨特的慣性導航測量系統[14]，可以有效地提高監測效率，并可以促進巖溶塌陷預警的智能化和網絡化。