武汉市岩溶地面塌陷监测技术探讨

沈 铭，杨 涛，赵新建

(湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

武汉市岩溶地面塌陷监测技术探讨

沈 铭，杨 涛，赵新建

(湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

武汉市内碳酸盐岩分布广泛，随着城区范围不断扩展，人类工程活动的加剧，武汉市岩溶塌陷时有发生，且发生频率有逐年增高之势，岩溶地质环境问题对武汉市的城市建设造成的不利影响日渐突出。采用一定的监测技术，可以有效地提前预报岩溶塌陷前兆，结合岩溶地质环境分析，可以预防和减少岩溶地质灾害的危害。

岩溶;地面塌陷;监测

0 引言

近年来，随着武汉市经济飞速发展，城区范围不断扩大，人类工程活动加剧，在武汉市岩溶分布带上及周边的城市建筑愈来愈多，抽排地下水、荷载等人为改变地质环境的影响也更加剧烈，由此引发的岩溶地面塌陷灾害时有发生，严重妨碍了城市经济建设的发展。岩溶地面塌陷地质灾害具有突发性、隐蔽性，选择有效的监测方法，利用现代科学技术手段，结合岩溶地质环境综合分析，提前预报岩溶塌陷前兆，对预防和减少岩溶塌陷地质灾害的危害具有重要意义。

1 岩溶地面塌陷与危害

武汉市由隔江鼎立的武昌、汉口、汉阳三镇组成，全市现辖13个区(7个中心城区、6个新城区)、3个国家级开发区(武汉经济技术开发区、东湖新技术开发区、吴家山台商投资区)，常住人口900多万人。是湖北省省会和政治、经济及文化中心，是内陆地区的金融、商业、贸易、物流、文化中心。武汉市内的岩溶地质条件十分复杂，总体呈近东西向分布，数条碳酸盐岩条带横跨长江，岩溶地面塌陷地质灾害常有发生，1931年8月即有明确记载，当时塌陷导致江堤溃口，白沙洲淹没，在该段形成倒口湖。经过调查，近三十年来武汉市区先后发生过20余次(处)岩溶塌陷(图1)。

从1977年9月到2011年12月，武汉地区先后发生汉阳区中南轧钢厂、青菱乡烽火村、武昌白沙洲长江紫都花园、武汉市民政学校、武汉供电局南湖变电站等地面塌陷，造成民房倒塌，供电系统、道路破坏等经济损失，严重威胁当地居民的人身财产安全［1］。

图1 武汉市岩溶地面塌陷分布图Fig.1 Distribution map of karst surface collapse

照片1 武汉市青菱乡烽火村1号塌陷坑Photo 1 No.1 collapse pit in Fenghuo Village

照片2 汉南区陡埠村岩溶塌陷1号坑Photo 2 No.1 collapse pit in Doubu Village

2 岩溶地面塌陷监测技术与方法

武汉市岩溶地面塌陷区位于长江一级阶地中、前缘，上覆土层为第四系全新统松散堆积层(Q4)，覆盖层厚度5～25 m，土层中有土洞存在，覆盖层下可溶性碳酸盐岩浅部岩溶发育，顶界面上有开口岩溶洞室(半充填、无充填)，有搬运、储存大量潜蚀物所需的通道和空间，由于水动力条件发生改变、附加荷载等原因，第四系松散沉积物形成土层塌陷或溶洞顶板陷落而形成岩溶地面塌陷。根据上述特点，监测预警技术主要从岩土体、建筑变形和地下水三方面考虑，结合地质环境条件分析进行岩溶塌陷地质灾害预报。

2.1 变形监测

2.1.1 上部覆盖层土体扰动性和土洞探测

武汉市岩溶塌陷地区在塌陷之前，上覆土层会出现扰动和形成土洞现象，土洞的发展可通过砂层扰动、土体的应力应变反应，同时土层中孔隙水会发生一定变化。监测方法可采用地质雷达固定剖面扫描、埋设土体压力盒、孔隙水压力计来进行。

(1)地质雷达监测 地质雷达属于电磁波物理探测技术，通过天线将高频电磁波呈宽带脉冲形式向发射至地层中，通过另一天线进行回收放大、记录、处理，通过地质雷达定期、定线路探测扫描对比，结合所掌握的地质资料综合分析，可以推断地下土体的变化，从而达到监测土洞的形成发展过程，可以预测岩溶塌陷(图2)［2］。地质雷达相对于其他遥感探测方法而言优点是在一定深度范围内对水异常敏感，武汉市岩溶地区上覆土层主要为粉质黏土和沙，土体中孔隙水含量高，地质雷达对土洞判断较准确，不足是探测线路一定范围内不能有干扰体，特别是高磁物体对地质雷达效果影响很大，由于雷达频谱的关系，对于15 m以下土洞探测有一定的缺陷。

(2)土体压力及孔隙水变化监测 通过对武汉市岩溶地面塌陷区域内土层和孔隙水监测分析，频繁的地下水压力变化会造成第四系土层变形破坏，当水(气)压力作用于第四系土层底部达到其极限破坏值时，第四系土层就会发生破坏从而产生地面塌陷，地下水(气)作用于第四系土层的压力可以通过监测土体压力盒、孔隙水的变化实现，从而监测预报岩溶地面塌陷的发生。缺点是监测区域内土体上荷载不均匀的变化，会带来土层中压力和孔隙水压力的不均匀、不规律变化，从而影响监测效果。

2.1.2 岩土层变形监测

多年实践表明，对于岩溶塌陷预测预报，要抓住两个方面，一是塌陷成灾机理和岩溶塌陷的前兆现象，二是取得这些前兆现象变化过程的资料，分析判断其发展趋势，为及时采取应急处置措施提供依据，岩土层变形监测显得尤为重要。

图2 地质雷达探测土洞发育对比图Fig.2 Contrast diagram of soil cave development

(1)合成孔径雷达干涉测量技术(INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar，简称干涉雷达测量) 它是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术。Massonnet(1993)等人利用ERS1/2 SAR数据采集了Landers地震(M=7.2，1992)的形变场，并将 DINSAR的测量结果与其它类型的测量数据以及弹性形变模型进行比较，结果相当地吻合，DINSAR从此发展成为一种专门监测地表形变的新技术，可高精度地监测大面积的微小地面形变(图3)。其特点是遥感方式为全天候、全天时作业，测量结果具有连续的空间覆盖优势，可对地壳变形进行准确的测量与检测，是地壳构造变形(板块动力学理论、地震、造山等)研究的一个新的强有力工具。其缺点是无法对细小目标(如某个建筑物)的变形进行监测，大气效应对成像、研判影响较大。

(2)GPS监测技术 GPS监测手段以其精度高、快捷、可靠等优点，在变形监测方面有着极大的优势。岩溶地面塌陷灾害是一种持续变形而引发的地质灾害，在其形成过程中，由于岩石内部及上覆土层水环境的变化，必然引起岩石及覆盖层的蠕动变形，引起地表位移和沉降，通过对变形的监测，能有效反应变形过程和特性。为了适应岩溶地面塌陷的研究需要，GPS监测点主要布置于前期研究有塌陷趋势的地带，在边缘地带布置少量的对比监测点。塌陷中心地带GPS监测点根据经济状况可以选定部分点布置分层监测点、即部分点监测地下基岩顶面的变形情况，部分监测点用于监测地面变形情况，两种监测点可以采用分层标墩，以更好地反应岩石及上覆盖层的变化和相互作用。在经济条件容许的情况下，可以进行全天候监测，数据采用光纤自动传输。采用双频GPS接收机进行静态测量，平面精度和高程精度测量精度可以达到mm，但是进行高差比较时，由于椭球、信噪比、电离层对流层延迟、钟差等因素在不同时段的影响不同，很难通过人为方式干预，故一般高程只能达到cm精度。所以采用GPS监测技术平面位置位移可以满足监测要求，垂直位置位移仅能作为先兆预判参考。

图3 INSAR技术监测地下采矿引起地面变形Fig.3 Ground deformation monitored by INSAR

(3)精密水准测量监测技术 精密水准测量是指一、二等水准测量，具有精度高、方法简便、反应直观简洁等特点，是垂直位移监测常用的方法。根据武汉市岩溶地面塌陷区的特点和监测方法，本文所指精密水准测量是指二等水准测量。由于武汉市的岩溶塌陷区域分布较广，呈点状，组成统一的二等水准网单次观测周期较长，不利于体现各地域沉降特征，故采用同一规划、分级布设的原则。将各监测区域的基准点选在监测塌陷区域外围、稳定的基础上，采用二等水准观测，每半年或一年观测一次，采用统一平差后的结果作为各监测区域的起算点和校核点;各监测区域内按规范布设一定监测点，采用二等水准方法每月观测一次，遇到雨季、旱季和变形大时加密监测，这样就形成了监测区域统一的监测网络，能够及时准确地反映不同地质环境下岩溶塌陷区域地面沉降的特性，从而预报塌陷发生的可能性。

2.1.3 岩溶带线状重点工程土体垂直变形监测

随着发展，城市建设项目不可避免要通过岩溶区域，特别是公路、管线等线状地物，垂直位移监测采用GPS监测技术或精密水准测量涉及选点、网形、经济、维护等方面问题，这时可以采用光导纤维监测技术。光导纤维监测技术现最大测量距离为80 km，应变量测范围为 －1.5% ～1.5%，应变测量精度达±0.003%。目前该监测技术已广泛应用于国防军事、航空航天、地质工程、水利工程、医疗、电力能源、环保等诸多领域，特别是在变形监测方面。它既能对早期的土层小变形作出反应，又能对中后期土层的大变形(如垮塌)作出反应。在公路、重要管线(如天然气管道)等重要线状工程施工时，在岩溶区将光纤按照一定深度间隔与线状工程同时设计、铺设，为了取得对比效果，根据需要在非塌陷区域也布设一定对比光纤，当线状工程投入使用后，即可不断获得路基不同位置的土层垂直变形情况，从而判断可能发生塌陷的时间和位置。光导纤维监测技术具有多路复用分布式、抗电磁干扰、工作频带宽、长距离、实时性、精度高和长期耐久等特点，通过合理的布设，可以方便地对目标体的各个部位进行监测，也可以包裹式对监测目标进行监测。

2.1.4 建筑物变形监测

岩溶地面塌陷发育过程中，由于塌陷区内及边缘建筑物基础会随着塌陷的发育应力发生改变，建筑物会产生变形，表现出沉降、开裂、位移等变形现象，通过对这些现象进行监测，结合其他监测方法，能对塌陷灾害进行有效分析、预防，同时能对塌陷区内变形建筑物的稳定性进行评价。

(1)建筑物沉降监测 采用精密水准方法，也可用液体静力水准仪、气泡倾斜仪、电子水准器等进行测量。定期对埋设在建筑物上的标志进行观测，计算出沉降量，绘制沉降曲线，判断沉降产生的原因及危害性。

(2)裂缝监测 对于建筑物受外力产生的裂缝，在裂缝两侧及中间设置观测标志，定期观测其位置变化，以取得裂缝的大小和走向等资料。通过对裂缝的张裂程度进行分析，判断应力产生的原因及危害情况。

(3)位移监测 使用边角法、测角前方交会法、经纬仪投影法、观测水平角法、激光准直法和垂线观测法等，按一定周期来测定建筑物上观测点的位置变化。

对于测定建筑物沉降、裂缝、位移，还可以采用近景摄影测量方法，使用摄影经纬仪、普通摄影机或高速摄影机，按正直、等偏、交向等摄影方式，在一定时间段或瞬间连续记录建筑物和试验模型的大量点位变形信息，按最小二乘法与统计检验的原理求得回归方程，从而找出变形的规律性，以推算、预报今后的变形情况，研究应采取的措施。

2.2 地下水动态变化监测

地下水动态监测可采用自动化监测仪监测，同时监测水位的变化和水流方向(照片3)。岩溶区内地下水类型可分为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水，地下水对区内岩溶塌陷的影响主要表现在水位下降和水位波动，由于水位变化而引起区内水文地质条件发生改变。频繁的地下水位变化会造成第四系土层的变化破坏，当水(气)压力变化或作用于第四系底部土层的水压力达到该地层土体的承受临界值，第四系土层就会发生破坏，进而产生地面塌陷。地下水动态监测主要查明区内各地下水的动态变化情况，分析与相邻含水层之间的水力联系等，通过地下水动态变化监测，可以对岩溶塌陷进行监测预报。

照片3 地下水动态监测点Photo 3 Dynamic monitoring points of groundwater

3 结语

单一采用某种监测方法不利于系统研究岩溶塌陷形成机理，在实际工作中，可以预防与治理相结合，通过勘查进行岩溶塌陷危险性分区评价。对于岩溶塌陷灾害严重危险区域，采用控制地下水开采、灌浆封固等技术手段进行塌陷治理;对于潜在危险区域，采用GPS、合成孔径雷达干涉测量、精密水准测量、建筑物变形监测和地下水动态监测来监测塌陷变形前兆，同时辅以地质雷达和孔隙水压力监测判断发展趋势，采取合理的预防措施;对于条带状重点工程，埋设光导纤维对土层进行变形监测，发挥各种监测方法优势，形成系统的岩溶地面塌陷监测网络，预报、预防岩溶地面塌陷地质灾害的发生，可以减少灾害对人民群众和社会的危害。

［1］ 赵德君，等.武汉市地面塌陷灾害调查与监测预警［R］.武汉:湖北省地质环境总站，2009.

［2］ 李瑜，朱平，等.岩溶地面塌陷监测技术与方法［J］.中国岩溶，2005(2):104.

(责任编辑:陈文宝)

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

沈铭 (1970－)，男，高级工程师，测绘工程专业，从事测量工作。E－mail:shengming1988@163.com