綜合勘探方法在地面塌陷勘察中的應用分析

毛世雄

(湖南省水工環地質工程勘察院，湖南 長沙 410000)

近些年，我國各地地面塌陷事故頻發。根據慧科新聞數據庫查詢顯示，2017年1月1日至2019年12月1日標題含“地面塌陷”或“地陷”的中國內地新聞報道多達兩百多篇，經去重分析后發現地面塌陷事故總數為55起，這意味著地面塌陷每個月會發生至少一次。地面塌陷的發生與區域地質結構、降雨和人類活動有密切關系，加強地面塌陷勘察，明確地面塌陷原因，從而采取針對性的治理措施，對保證區域安全穩定發展具有重要意義。

1 地面塌陷問題分析

地面塌陷往往在瞬間發生，地面迅速塌落形成塌陷坑，具有一定的突發性和災難性，極易引發群眾恐慌，威脅人們的生命財產安全。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。地面塌陷的發生通常都受到工程活動等人為因素的影響，可以說“地質因素”是基礎，“工程活動”與“極端氣象”被列為誘發地面塌陷的兩大外部原因，如強降雨期后10 d為塌陷多發期；施工擾動造成水力管線受損，水滲漏后導致土體變形形成空洞，進而引發塌陷事故。

有效預測與防治地面塌陷十分關鍵。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、施工環境、勘察周期等因素的影響，使用鉆探方式進行地面塌陷勘察并非最佳選擇，而使用物探技術進行面積性普查，并通過鉆探方法進行驗證核實，可有效提高地面塌陷調查效率，減少相關成本。根據我國地面塌陷勘察實踐情況分析可知，隨著相關學科的不斷進步和創新，各地勘察院已經掌握了越來越多的勘探方法，不同勘探方法有著不同的優缺點和應用范圍，在實際勘探作業中往往需要把幾種技術方法綜合應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，為取得全面且準確的勘察結果，綜合勘探方法的應用具有必要性。下文主要就工程測繪與調查法、物探法、鉆探法以及GPS變形監測方法進行具體分析。

2.1 工程測繪與調查法

此方法主要是對區域地貌、地質等進行全面調查與測繪，從宏觀角度對區域地質情況進行分析，并根據調查所得資料開展地質勘察工作。此方法較為簡單，可為地面塌陷勘察與治理工作提供基礎性資料。

2.2 物探法

基于科學技術的快速發展，雷達探測、電磁法、CT技術等地球物理勘探方法在地面塌陷勘察中的應用越來越多，具體介紹如下。

(1)瞬變電磁法：此方法屬于時間域人工源電磁法，通過導電地質體在電磁場激勵作用下產生渦旋電流，渦流存在一種瞬變過程，由此形成瞬變磁場，脈沖電流關斷期間，通過觀測瞬變磁場可發現地下異常地質體。在塌陷區勘探時，不充水呈低電壓高電阻異常狀態，充水呈高電壓高電阻異常狀態。由此，通過瞬變電磁法可較好地尋找、識別塌陷區域，但是此方法在變形測量方面存在不足。

(2)地質雷達法：此方法主要是向地下發射高頻電磁脈沖，通過對反射波波形、振幅、時間變化的分析，獲取地下介質空間位置、結構、形態、埋藏深度，具有效率高、結果直觀的優點[2]。根據實踐分析可知，探地雷達可用于塌陷區的識別，但未涉及地面塌陷程度測量。

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

2.3 鉆探法

在進行地面塌陷勘察時，對于物探顯示明確異常區域，建議鉆孔驗證，一方面物探法可指導實際鉆探位置，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，提高結果可靠性。鉆探法屬于破損檢測方法，必須由專門的技術負責人編制鉆探施工方案，規范操作，現場做好監督管理，避免出現地面二次塌陷事故。

2.4 GPS變形監測方法

GPS技術應用于地表變形監測，具有現場施工簡單、不易受外界因素影響的優點。在實際監測工作開展中，需在地面塌陷區域內、外分別設置GPS觀測站，通過對觀測數據分析，獲取活動體三維變形情況，并建立變化模型，對塌陷作出預報，減少災害損失。

3 實例分析綜合勘探方法在地面塌陷勘察與治理中的應用

3.1 項目背景

2018年7月5日晚11點洞口縣竹市鎮合團村新建組張千云和楊早連兩棟民房中間發生巖溶塌陷地質災害。湖南省水工環地質工程勘察院組織開展應急調查工作，主要目的是查明區內房屋及村道附近的土洞發育情況，初步分析地面塌陷災害成因機制及其主控因素，為下一步應急處置提供科學決策依據。本次重點調查區包括主要道路及居民區范圍，面積約4 460 m2，一般調查區范圍適當擴大，面積約10 000 m2。

3.2 綜合勘探方法

本次調查采用測量、地質及水文地質調查、地質災害調查、物探、鉆探、地面變形監測、地下水水位監測等綜合方法，分述如下。

3.2.1 測量

調查區無高精度地形圖，為便于開展調查工作，準確確定巖溶地面塌陷威脅對象及位置，為下一步工作開展提供基礎工作底圖，對調查區進行地形測量，首級控制網起算采用RTK從國家三角點引出。

(1)平面坐標系統：北京80坐標系。

(2)高程系統：1985國家高程基準。

(3)成圖比例尺：1∶1000。

(4)成圖方法：全解析法數字化成圖。

(5)成圖軟件：CASS7.0。

(6)基本等高距：1.0 m。

3.2.2 地質災害調查

調查內容主要包括以下幾個方面：

(1)受損房屋調查：包括戶主姓名、常住人口、建筑面積、房屋結構、基礎型式、修建年代、房屋受損現狀、受損原因、受損時間等內容。

(2)塌陷坑調查：利用RTK測出重點調查區塌陷坑位置，按1∶500比例尺繪至平面圖上，用鋼卷尺測量大小。

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

(4)水資源受損調查：調查地表水體干枯、泉干枯對當地居民生產、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淺部土洞發育情況，同時分析其對調查區內房屋的威脅情況。本次工作位于居民密集區，受場地大小限制，決定采用地質雷達物探方法+高密度電法進行快速調查[3]。

(1)地質雷達法：采用RAMAC/GPR型地質雷達，選用100 MHz shielded模式，采樣頻率897.5 MHz，時窗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系統，測點距離1.5～2 m，觀測18層數據。

3.2.4 鉆探

鉆探孔布設在調查區物探異常處，主要為驗證物探成果的準確性，用于指導物探解譯工作，同時初步查明鉆孔深度內場地巖土層分布情況。

3.3 實物工作量

本次勘探實物工作量如表1所示。

表1 實物工作量統計表

3.4 勘探結果與治理建議

3.4.1 勘探結果

(1)勘查區廣泛分布于泥盆系上統佘田橋組灰巖、泥灰巖這類碳酸鹽巖，巖溶普遍發育，覆蓋層厚度中等；大氣降水季節性變化較大，地下水間水力聯系密切，水文地質條件復雜，地質環境脆弱。

(2)本次地質雷達僅對調查區內房屋周邊、村道淺部土層中的土洞發育情況進行探測，共探測到14處異常點，進行鉆探驗證9處，其中驗證結果為基本吻合和部分吻合的有6處，綜合準確率66.7%。根據雷達探測成果，探明的土洞主要分布在地質雷達R1-1、R2-1、R3-1、R6-1線，不密實土體或軟土在區內分布較為廣泛。

(3)調查區已發生地面塌陷坑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 應急防治措施

(1)重點調查區內14棟房屋實施監測性居住，特別是對位于土洞發育區旁邊的張千云和楊早連兩家進行重點監測。

(2)加強群測群防及防災宣傳工作。

(3)嚴格控制地下水的抽排。

4 結語

綜上所述，地面塌陷災害成因復雜，采用單一勘探方法查明其規模、形態、分布與發展規律具有較大難度。地面塌陷實際勘察工作中，多采用綜合手段，包括地面工程地質調繪、工程測量、鉆探、地質雷達物探等，保證勘探結果精確、可靠，為災害防治提供科學依據。