综合勘探法在路基塌陷分析中的应用

2020-07-21孟维正李思江刘欣悦

四川建筑 2020年1期

孟维正, 李思江, 刘欣悦

(西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031)

中国是世界上黄土分布最广的国家。中国黄土集中分布于黄土高原，其中湿陷性黄土约占黄土分布总面积的3/4,常常导致工程病害。

该市滨河大道地处黄土高原北部，紧邻黄河，湿陷性黄土广泛分布。滨河大道在2011年和2015年发生两次路面塌陷。滨河大道西邻水利枢纽，路基路面大面积塌方会导致水利枢纽的受力异常，进而造成大坝坝体损坏。滨河大道路面下有天然气管线，路基路面塌陷会导致部分管线悬空甚至断裂，影响市内用气并威胁人身安全。滨河大道东面居民区修建时，也曾出现过住宅基坑附近地面塌陷。

高密度电法在地下空洞和堤坝公路地质隐患勘察中有广泛的应用。宋希利[1]等人利用高密度电法在济南市区旧房改造中准确探明了地下空洞的位置及范围；刘文伟[2]等人在常张高速公路中利用高密度电法勘测了地下软土的分布范围并分析了病害原因；李东林[3]等人对呼武公路四座桥梁处利用高密度电法准确地划分了地质结构；黄毓铭[4]等人利用综合物探法探明了南宁市内9处地下溶洞，为地铁设计建造提供了准确的工程资料。

为了寻找此次塌陷的原因，需对滨河大道进行钻探及高密度电法的综合勘探，确定地下软弱土层分布位置及范围，探讨导致滨河公路路面塌陷的可能原因。

1 工程概况

1.1 塌陷区地质水文概况

项目所在地区的地表水流属黄河水系，黄河流经市区105km，平均河宽150～500m，水深2.5～11.6m，多年平均径流量269×108m3。黄河水由于受上游融雪、降水及水库调节影响，年内水位变化较大，变化幅度一般为2～6m。

工区位于黄河东岸，为黄河堆积阶地，地层产状平缓，地下水流会对孔隙充填物质和上覆层沉积物潜蚀、冲刷并产生掏空作用。上部为细粒砂土层，厚度不大，中部为卵砾石层，平均厚度40m，下部为河相沉积物及基底。

工区地层为第四系上更新统冲积、湖积(Q3al+l)堆积层(第Ⅲ地质单元)，属鄂尔多斯古大陆的一部分，本区地质构造简单。表层主要为粉砂、细砂、含砾中细砂，夹有黏性土透镜体和少量砂砾石。在地表6.5m以下为褐色黏性土层，为具有强烈湿陷性的马兰黄土。

1.2 工程病害

2011年7月滨河大道路面塌陷，塌陷长约10m、宽约10m、深约10m，塌陷处距离地下管线约20m。湿陷性黄土地区质地疏松，孔隙和裂隙大量发育，易发生潜蚀。2011年修建黄河水利枢纽工程时基坑降水速度过快，水流沿着土层裂隙将右岸地下土骨架中的大量粉细颗粒带走，形成地下水流通道。地下通道形成后，地下水又从不同方位向通道汇集，使通道逐渐变宽变高，导致地下部分区域土质疏松。2011年病害发生后，该市对病害边坡采取了高喷防渗墙等措施治理，对路基塌陷处进行了碎石等粗细骨料填充，顺利完成大坝修建[5]。但2015年4月24日又发生了塌陷，事发位置与2011年7月塌陷坑基本相邻，现针对2015年路基塌陷做以下勘探分析。

2 塌陷区勘探方法及方案

2.1 勘探方法

常用的工程地质勘探手段有开挖勘探、钻孔勘探和地球物理勘探(简称物探)。地球物理勘探，是根据不同岩土层的变化在密度、导电性、磁性、弹性、放射性等方面的差异，选用不同的物理方法和勘探设备，测量工区地球物理场变化，从而推断水文地质情况的一种方法。物探按其所利用岩土物理性质的不同分为电法勘探、地震勘探、声波探测、磁法勘探等。

电阻率与土体的物理性质、土体孔隙率以及土体孔隙中液体的性质有着十分密切的关系，电成像探测会对识别采空区、溶洞、断层、软弱土层等方面非常有效。目标区域具备进行物探的地球物理前提条件。

高密度电法具有剖面法和测深法的功能，可进行二维地电断面的测量、地层的划分、潜在断层构造和岩溶空洞以及地层疏密情况的探测等。高密度电法是先在探测剖面上预先安装多个电极，然后通过电极向地下输送直流电，使地下形成稳定的电流场，再用主机对所布设的探测剖面进行自动观测和记录，最后将主机内的数据传入计算机。在计算机中采用瑞典Res2D软件包进行电成像反演计算,进行图像重建和处理步骤如下：剔除观测中明显错误的数据点，用线性插值补充剔除点位的数据，进行数据预处理；对地形起伏较大的地段进行地形校正；用伪剖面法建立高精度初始模型；用有限元法计算正演理论值；根据已得到的正演理论值和实测值得残差，用最小二乘法修改模型数据，进行反演迭代；整理数据成图。

本项目选用钻探配合高密度电法的综合勘探法。由于物探无法直接观测地质状况，故在塌坑出现后，先对塌坑附近地层进行了钻探取样。

2.2 勘探方案

2015年4月24日，位于黄河东岸的滨河大道路面发生了塌陷，塌坑呈圆形，直径3m，深度4m，详见图1。以塌坑为中心，距塌坑5m，按5～8m的孔距，采用用3台工程汽车钻机呈放射状向四周布置施工钻孔，孔深为50m，探查地下空洞或软弱土层的情况。

本次物探使用重庆奔腾仪器厂生产的“DZD-6A”及“DUK-2”高密度电法测量仪，该仪器具有自动存储，自动计算等功能，操作简便。在工区内，由于场地限制，根据现场实际情况只能沿已铺设完成的天然气管线布设高密度电法勘探测线，由于场地长度满足不了60道，每道10m的场地铺设要求，经估测测线首尾距离，决定采用60道，每道5m的铺设方式，所有道间距采用米尺丈量，电极采用温纳排列。从北至南建立第一至第七剖面中心基站，详见图2测线剖面中心基站布置图。

图1 滨河路塌坑

图2 测线剖面中心基站布置

3 勘探结果及讨论

3.1 钻探结果及讨论

由于道路不能长时间封闭，利用一昼夜开挖了5个钻孔，其中2个钻孔因塌陷严重，未能钻至预定深度，其他3个钻孔有2个发现有软弱土层存在。代表性钻孔柱状图参数表ZK2和ZK4分别见表1和表2。ZK1号钻孔，位于塌坑北侧，据塌坑边5m，钻进深度50m，未发现有明显的软弱土层，标贯击数变化不大，无突变现象；ZK2、ZK3号钻孔，位于塌坑的西北侧，距塌坑边5m，因塌陷严重，未钻成功，从取样情况看，主要为人工填入的碎石料，可能是打在了上次塌坑边缘；ZK4、ZK5号钻孔位于塌坑西侧，距塌坑边5m，钻进深度50m。在孔深25～33m孔段(绝对标高1 055～1 047m)，钻进速度突然加快，不用给压进尺依然很快，泥浆消耗增加，但不漏浆掉钻，标贯击数突然变小，为软弱土层。

本次钻探地层结构简述如下：工区地下水位线在地面下6.5m左右；0～6m深度范围，以路基填土、砾砂为主，呈中密、密实状态；6～21m深度范围，以沉积形成的细砂或粉砂为主，呈饱和状态，密实度较好，钻孔在水位处易坍塌；21～25m深度范围，以粉土或粉质黏土为主，夹杂细砂薄层，呈硬塑状；25～50m深度范围主要为粉砂层，夹黏性土薄层，呈饱和状态，原始地层密实度较好，但在25～33m深度范围很松散，钻进情况类似淤泥。

表1 ZK2钻孔柱状图参数

表2 ZK4钻孔柱状图参数

3.2 物探结果及讨论

通过地球物理探测，将7个剖面中心基站所得的高密度电阻率剖面图拼接后，发现四段地质异常区段，见图3高密度电阻率等值线拼接剖面图，剖面为沿天然气管线走向，为NS方向。

由钻探资料得知，由地面至地下50m深度范围内依次为填土(碎石、砂土)、细砂和粉砂、砾砂、粉土和粉黏土、粉砂等。由于填土层和粉细砂层过薄，电阻率变化不大，统一记为填土层，各层地下介质电阻率表见表3。

表3 地下介质电阻率 Ω·m

在高密度电阻率剖面图上，土层上部总体电阻率较高，局部电阻率较低，说明了路基压实度较高，上部土层整体较密实，但部分区域土层疏松，含有不均匀介质。土层下部高电阻率区域与低电阻率区域相间分布，虽然部分区域电阻率偏高，但仍在第四纪冲积层土层范围之内，说明该区域土质较紧密，固结度较高；部分区域电阻率明显偏低，说明该区域还未形成空洞或已经形成的空洞由地下水等导电性较好的材料所填充，土质密实度较低，并未达到该深度的土层应有的固结度，说明该区域土层曾发生过水流对细粒土的掏空运动。各测线详细塌陷危险区见图3加粗实线圈定区域。

图3 高密度电阻率等值线拼接剖面

在1号剖面勘探测线上中心基站北30m到2号剖面中心基站南40m之间，路面下10～40m深度内，存在半径约10m的低电阻率区域(地下一号软弱土区)，最低电阻率在17～20Ω·m之间，明显低于第四纪冲积层砾砂和粉黏土的电阻率。由钻探资料得知在深度稳定水位线以下，说明该区土层疏松，土层孔隙由低电阻率的水分所填充。该区上部覆盖层较薄，由于汽车荷载的长期作用，极有可能发生塌陷。在一号剖面中心基站附近，低电阻区一部分已由地下延伸至地表，说明了该区路基已被破坏，已不能满足正常使用极限状态的要求，路面塌陷可能性极高，此区域需要进行重点治理。

在3号剖面中心基站到4号剖面中心基站南60m之间，路面下30～80m深度范围内，存在半径约40m的低电阻闭合圈(地下二号软弱土区)，南北分布区域较窄，主要沿纵深分布，最低电阻率小于10Ω·m。该区域在稳定水位线以下，较一号和二号电阻率更小，说明该区土质更为疏松，饱水程度更高。该区同一深度的周围土层电阻率高，说明周围土体较密实，该区易形成地下空洞。虽然上部覆盖层较厚，但仍有一定塌陷隐患。

在6号剖面勘探中心基站北30m至中心基站南30m之间，路面下45～90m深度范围内，存在半径20m左右的低电阻率闭合线圈(地下三号软弱区)，最低电阻率在18Ω·m左右，该区主要沿纵深分布。该区与地下二号软弱区类似，易形成地下空洞，上部覆盖层较厚，仍有塌陷隐患，酌情进行治理。

在7号剖面勘探中心基站南30～110m之间，路面下25～60m深度范围内，存在半径约12m的低电阻率闭合线圈(地下四号软弱区)，最低电阻在18Ω·m左右，主要沿南北方向分布，影响范围较地下一号、二号、三号软弱区更广。地下四号软弱区上覆土层较薄，但土层电阻率较稳定，虽未发生路基路面塌陷，但塌陷发生概率较大，塌陷空间较大，波及范围较广，影响滨河大道、地面建(构)筑物、天然气管道等公共设施的安全使用，需重点治理。

由钻探资料得知强湿陷性的马兰黄土主要分布在地面23m以下，与地下二号、三号、四号软弱区顶层位置一致，说明这三个区域土层软弱的一个原因是马兰黄土的湿陷性，在进行病害治理时应注重地下黄土的湿陷性。