張家界天門洞危巖體監測方法建議

關鍵詞：危巖體；崩塌；高位、特高位危巖體；監測方法；聲發射技術

0引言

崩塌是指陡坡上的危巖體或土體在重力作用下突然崩落或滾落并堆積在坡腳（或溝谷）的一種地質現象。目前國內外學者對危巖體崩塌進行了一些研究，對危巖體崩塌的危害性有了一定認識，但在危巖體特別是高位、特高位危巖體監測方面仍處于探索階段。本文在分析研究了天門洞高位、特高位危巖體的發育特征的基礎上，提出可采用聲發射監測方法對該處崩塌進行監測預警，以確保景區游客和工作人員的安全。

1天門洞危巖體崩塌概況

張家界天門山因自然奇觀天門洞而得名，亦憑天門洞而蜚聲世界，被譽為“湘西第一神山”、“武陵之魂”和“張家界之魂”，是天門山景區標志性地質遺跡景觀。作為世界上海拔最高的穿山洞，以其獨特、險奇獲得大量中外游客青睞。

三國時曾稱天門山為嵩梁山，吳永安六年（公元263年），險峻的天門山石壁因崩塌形成“門”形穿山洞，自此世界奇觀天門洞面世。天門洞洞頂海拔1300余米，周邊懸崖峭壁，洞身近南北對穿，長、高、洞深分別為131.50m、57.00m、60.00m，孤懸山頂如一道通天門戶，故得名“天門山”。

天門洞是在地質構造以及其它外營力共同作用下而形成，發育寒武系中厚層灰巖、白云巖及白云質灰巖地層。天門洞位于揚子古陸與江南古陸交接處，屬臺地邊緣地下溶洞，構造發育向斜核部在洞頂，斷裂破碎帶貫穿南北，在侵蝕和溶蝕作用下崩落并穿山成洞。

天門洞內和洞口附近存在危巖體，容易形成崩塌地質災害隱患。因危巖體通常在超過50m的高位和110m以上的特高位上，對崩塌地質災害開展監測和預警，是天門洞景點安全旅游的重要課題。2022年8月20日上午，天門洞發生了兩次較大的崩塌，雖未造成人員傷亡，但游客通道的鋼筋砼結構安全防護頂棚被損壞，給游客及工作人員的人身安全帶來極大的安全隱患。

本文基于無人機航攝測量和貼近飛行攝影測量技術建立的精細三維實景模型（圖1）和三維點云模型，對天門洞高位、特高位危巖體的特征作了分析研究，為監測方法的選取提供依據。

2天門洞危巖體發育特征

2.1危巖體崩塌研究現狀

王立人等認為，崩塌誘發的原因是多方面的，其中拉斷破壞為主要原因。當陡傾結構面平行斜坡走向時，最利于崩塌的形成。巖體的風化、岸坡的坡腳波浪沖刷、地震（或爆破和機械）的震動、裂隙水的作用等是崩塌發生的主要外部因素。調查地質災害需要將危巖體崩塌模式進行分類，并確定危巖體失穩原因。

陳洪凱等從力學機理明確性、失穩模式預判性和現場易識性，將危巖分為群體危巖和單體危巖兩種類型。他又根據危巖誘發的部位將群體危巖分為底部誘發破壞型和頂部誘發破壞型兩種危巖，將單體危巖根據破壞特點分為拉剪一傾倒型、壓剪一滑動型、拉裂一壓剪墜落型和拉裂一墜落型危巖等四類。

姚一江認為危巖崩塌是在特定的地形地貌、巖性和構造等條件下發生的，根據危巖類型和崩塌體規模等級劃分崩塌類型。在危巖類型上按其結構面所分割的幾何形狀劃分為塊狀體、楔形體、柱狀塊體、探頭等四種危巖；在規模等級上將崩塌劃分為小型、中型、大型崩塌體與落石、大塊落石等五種規模類型。

王軍朝等人通過對川東緩傾角紅層巖質崩塌特征與穩定性的分析與總結，歸納出川東地區環境背景條件的貫通型滑移式、貫通型傾倒式、非貫通型拉裂式和非貫通型錯斷式四種基本崩塌類型。

王凌芬等認為巴州區砂巖崩塌的破壞模式以拉崩、剪斷、滑動、拋射、潰散五類為主。李錦育在研究臺灣地區地質災害的基礎上，認為邊坡破壞型態為圓弧型破壞（Circular Failure）、平面型破壞（Plane Failure）、楔型破壞（Wedge Fail-ure）及不規則型破壞（Liicgular Shape Failure）等四種。不論何種型態之破壞，其破壞運動之方向常沿著某特定之剪力面或不連續面而發生。類似學者的崩塌分類不再一一羅列，部分規范和專著的分類如表1所示。

同一行業規范，勘查與監測對崩塌的分類有較大不同，在崩塌規模上，后者比前者一般要大一個數量級。后者采用《滑坡崩塌泥石流調查規范（1：50000》gt;（DD2008-02）進行分類，見表2。

表2從地層巖性、結構面、地形地貌、受力狀態和起始運動形式等五個方面將崩塌分成五類。除受力狀態外，其它四個方面從宏觀可描述的方面進行劃分。

2.2天門洞危巖體發育特征分析

王立人等認為崩塌可劃分為三個階段：準備階段（陡坡形成）、進展階段（軟弱結構面發展和形成階段）及破壞階段（崩塌階段）。準備階段創造地形條件；而進展階段使原軟弱結構面進一步破壞形成連續軟弱面，此時力學強度顯著降低，或原來不存在軟弱結構面，因巖體自重而在后期形成卸荷裂隙貫通，將巖體切割成各種形狀，此時危巖體將基本形成；最后破壞階段是在外界因素作用下促使崩塌發生。鄒銀先等研究尖山營采空區不穩定斜坡的形成認為其破壞機制為“冒落沉陷一拉裂一蠕滑一剪切滑移”。

張家界一吉首斷裂帶是影響天門洞所在地區的主要斷裂構造。該斷裂帶是江南斷裂帶的組成部分，是加里東運動、印支運動及早燕山運動多期運動疊加的產物，為一傾向NE的長期活動斷裂。張家界地處江南古陸和揚子板塊的交接部位，志留紀晚期加里東運動使得揚子陸塊整體隆起并遭受剝蝕，未發生褶皺變形，在淺海臺地階段形成臺地。其后各個時期的構造運動對臺地有一定的區域影響，比如形成陡傾的“X”共軛剪節理，形成影響天門洞走向的斷層破碎帶，后續多期次的方解石脈沿破碎帶裂隙充填，為形成地下溶洞積聚條件。向斜構造核部的溶洞頂部在構造應力作用下產生擠壓，斷層破碎帶在長期的溶蝕、侵蝕作用下，巖層崩落成天門洞。在漫長的地質歷史時期，在各種外營力作用下，洞頂和東西兩壁的巖層沿著構造裂隙和卸荷裂隙逐步崩落、擴展，形成現有規模的穿山洞，但崩塌現象并未停止。

天門洞作為在構造和巖溶共同作用下形成的一個地質遺跡，現仍在繼續演繹崩塌進程，最終經歷沉積－抬升－方山－平臺－峰叢－殘丘直至消亡。在漫長的地質變遷中，人類采取的各種工程措施，一方面加快它的消亡（工程擾動），另一方面在極力延長它的消亡（工程加固）。以往針對危巖體的防護，僅僅是針對天門洞大型崩塌中的局部危巖體的防護。而如何采取有效措施進行監測和預警，除了解天門洞的形成外，對危巖體的形成機制亦應有清晰的認識。黃青能對崩塌的演繹進行了簡單分段，本文根據天門洞危巖體崩塌現狀進行分段，見表3。

天門洞作為一個洞體，有各種不利結構面，常用的節理赤平投影圖分析方法已經不適用。墜落式崩塌是洞內、洞口、直立邊坡等常見破壞類型。天門洞危巖體主要以高位和特高位危巖為主，其破壞模式主要為墜落式崩塌，又可細分為：

（1）直接墜落式：陡傾和反傾、懸空巖體。懸空危巖體豎向結構面完全貫通，小部分基座巖石與頂面近水平向限制了危巖體的空間活動位置，一旦基座在水、風化等外營力作用下喪失其維持現狀的強度（耐崩解性）而發生錯段，則危巖體直接墜落。

（2）滑移墜落式：陡傾高位、特高位危巖體沿陡傾完全貫通后結構面高速滑移后直接墜落。受力主要依靠結構面摩阻力，當側向結構面粗糙時，若裂縫貫通，粗糙度較低，可按照摩爾一庫倫強度原則分析，若有巖橋（未完全斷開巖體聯結部位）支撐，按相應面積抗剪斷強度分析。

（3）復合墜落式：楔形體、錯斷式、拉裂式、鼓脹式等多種破壞模式組合，應先確定主要力學平衡因子，再進行綜合分析。

2.3天門洞高位和特高位危巖體穩定性表征示例

墜落危巖體形成的主因是差異風化作用。巖體在卸荷回彈作用下在后緣形成陡傾張拉裂縫，在自重及漸進風化作用下裂縫不斷加深，巖橋部位應力集中加劇直至巖橋突然破裂，危巖發生失穩崩落。值得注意的是：天門洞內危巖體以墜落式崩塌為主，基底巖橋破裂殆盡，僅局部點狀支撐和頂面黏聚力共同維持其現狀。洞頂和洞壁反傾危巖體沒有基底巖橋支撐，僅靠結構面凝聚力和危巖體兩側抗剪強度維持平衡。硬質巖體垂直的剪節理與近乎水平的順層節理將巖石切割成近似長方體，基座為薄層狀泥質灰巖，因相對易于風化而剝蝕；相對難風化的硬質白云質灰巖切割體常常懸空。基底有未完全崩落的巖橋支撐和頂面巖體結構面凝聚力共同維持平衡，其墜落方式為直接墜落式（圖2）。各個結構面產狀見表4。

高位和特高位崩塌的發育特點具有溯源性，表現在天門洞內的現象是：下部先發生，作為上部巖體的基座崩解或墜落后，其上部巖體應力重新分布，巖石進一步開裂直至墜落，如同牽引式滑坡現象進行追頂。

天門洞直接墜落式結構面有三組（圖3），其中13/197為順層節理；73/077、76/076、75/076為同一組剪節理；86/027為另外一組貫通性直立剪節理。三組節理與臨空直立坡面共同將巖體切割成楔形塊狀，從下往上逐次崩塌墜落。直接墜落式崩塌順序為：基座1崩解。楔形體1墜落。基座2崩解－楔形體2墜落－基座3崩解－楔形體3墜落。基座巖性為薄層狀泥質灰巖，相對易風化、崩解；楔形體為較堅硬白云質灰巖，抗風化能力較強。

傾倒墜落式崩塌其成因同拉裂式崩塌類似，只是因其位置相對較高，傾倒后超過基座線垂直墜落，其破壞性視其高度和體積而定（圖4）。

對于斷層破碎帶，已經發生崩塌部位，其巖性為方解石脈，反傾于洞頂附近，極限平衡狀態依靠結構面的凝聚力和巖體不連續結構面的抗剪強度維持。在雨水、震動等外力作用下，平衡被打破，直接墜落。圖示發生的崩塌為直接墜落式崩塌，超過500m3的墜落體質量超過1200t，墜落垂直距離110m，沖擊能量超過1X106kJ，破壞力巨大，鋼筋混凝土框架可直接擊碎（圖5）。

已崩塌位置臨坡受斷層F1控制，臨空面反傾，臨空面傾角約60°，傾向57°。F1斷層為區域內主控斷裂，走向320°，橫貫通天大道及天門洞，傾向230°，傾角85°，破碎帶寬10～12m，破碎帶中可見斷層角礫巖，成分為灰巖，見巖粉，無膠結，少量方解石脈穿插其中。南西盤下降，北東盤上升，屬正斷層性質，斷距約20m。

3監測方法建議

地質災害防治核心工作是需要解決地質災害隱患在何處和何時兩大核心問題，但因地質災害是動態發展和變化的，每一個地災點都存在差異，故地質災害的早期監測預警，到目前為止還是一道世界性難題。

危巖體崩塌監測是對易發生崩塌地段的巖體進行監測的工作。TCAGHP007-2018崩塌監測規范認為崩塌監測內容一般包括變形監測、應力監測和影響因素監測等。李彥星等認為，崩塌監測的工作應全面調查危巖體和崩塌體的發育特征、形成條件，采取多種手段和方法全面觀測其變化過程，記錄誘發因素的動態情況，分析其形變發展趨勢，從而為預警預報危險程度和危害程度提供依據。部分學者基于此，增加了物理場變化和動力條件變化，提出崩塌監測的主要內容和方法，見表5。

大量文獻資料表明：崩塌的形成過程可以表述為應力條件變化導致各種內部變形和物理場變化，期間產生的聲變、巖體固有頻率（振幅）變化等，這些變化先有明顯的位移變化。基于此，針對天門洞高位、特高位危巖體崩塌，建議采取聲發射監測的技術方法。

巖石聲發射是巖石在受力變形破裂過程中，產生聲波、微震的現象。呂志威等指出：巖體在破壞之前，以聲的形式釋放積蓄的能量具有一定的時長，其釋放的強度依結構臨近失穩而變化，每個聲發射與微震都包含巖體內部信息，采用接收儀器對接收到的信號進行處置，能作為巖體穩定性的評價依據。因此可利用巖體聲發射與微震的特點來監測巖體的穩定性，從而預報崩塌現象。

應用聲發射技術結合灰色一突變現代工程數學手段，建立崩塌的預測預報模型，對邊坡崩塌進行預警和預報是可行的。

研究表明，聲學又分為次聲波、音頻和超聲波。次聲監測的監測距離遠，但定位精度較低。音頻監測成本較低，但易受到自然環境里的各種音頻干擾。超聲監測的靈敏度和定位精度都很高，但探測距離不太遠。為了便于后續的信號分析和特征識別，采用次聲監測和超聲監測相結合的方式。聲學監測在礦山安全領域方面的應用較成熟，已有成功案例。

綜上所述，崩塌監測工作重點應從危巖體內部變形及物理場變化兩個方面入手，建議天門洞危巖體監測采用聲發射技術的監測方法。

4結語

本文以張家界天門洞危巖體崩塌為例，通過分析研究其高位、特高位危巖體的發育特征，可以得到以下幾點認識：

（1）天門洞的高位和特高位危巖體崩塌以墜落式崩塌為主，可細分為直接墜落式、滑移墜落式和復合墜落式三種類型。

（2）崩塌監測應在查明危巖體的發育特征的基礎上，重點從危巖體內部變形及物理場變化兩個方面入手，采取有針對性的監測方法。

（3）天門洞危巖體監測應注重內部變形及物理場變化，建議采用聲發射技術進行監測。