岩溶塌陷监测技术及发展趋势*

王金晨，吴 迪，娄万鹏，吴远斌

1.桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004

2.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004

1 岩溶塌陷概述

近年来，随着我国城市化进程的不断加快，在岩溶分布区及其边缘建设的工程越来越多，由此引发的塌陷灾害时有发生，已经严重威胁到人们的生命财产安全以及城市建设乃至经济发展。岩溶塌陷地质灾害在时间上具有突发性，在空间上具有隐蔽性、复杂性等特点。选择适合的监测方法，利用现代化科学技术手段，结合岩溶地质环境综合分析，提前获取岩溶塌陷前兆，对预防和减少岩溶塌陷地质灾害具有重要意义。

岩溶塌陷是指裸露型和埋藏型岩溶区的溶洞顶板在外力作用下发生坍塌、陷落现象。岩溶塌陷的发生基本要具备三个条件：第一，空间条件，土体下方具有可溶性岩层，能发育形成裂缝，从而给塌陷物或水提供转运通道或者滞留空间，这是岩溶塌陷发生的基础条件；第二，物质条件，塌陷物上方具有一定厚度的覆盖层，可以是砂岩或各类松散土层；第三，致塌力，能破坏溶洞顶板与下覆土体之间的平衡关系，其可以是水、荷载等。

国内外的塌陷研究工作者们对岩溶塌陷的时空分布做了大量实地调研和研究，总结了以下岩溶塌陷的时空分布规律：

（1）岩溶极其发育的地段。喀斯特地貌的发育会引起溶洞、裂缝的形成，当溶洞顶板受到潜蚀和土压力作用，会加速其上覆土体的坍塌。另外，岩溶发育地区中的地下水流速会增大，这也会导致岩溶塌陷的增多。

（2）断裂构造带附近。岩石碎裂、裂缝发育，为地下水提供了良好的滞留空间、运动通道，当地下水降低到岩石面以下时，土层内部容易形成吸蚀作用，破坏土体内部受力平衡。

（3）岩溶区的渍水洼地、河槽、高地过渡带等位置。在这些部位，水位变化幅度大、流速快，容易形成致塌力。

（4）喀斯特地区土层薄弱处，软弱岩层。软弱土层下形成溶洞时，抗塌力会减弱，土洞平衡遭到破坏，也会造成坍塌[1]。

（5）季节分布规律。如桂林市5、6月份为雨季，根据对已经记载的67处塌陷发生时间的统计[2]，在干湿季节交替时段，水位波动幅度较大，容易发生塌陷，发生于5—8月的塌陷共35起，占统计数52.24%，而秋冬季节发生塌陷的概率较低。

（6）年际分布规律。地质资料显示，1970年以前塌陷的诱发以自然状况、气候以及地质因素为主，一般为自然塌陷；1970年以后，人类生产建设活动频繁，加剧开采地下水，导致塌陷频率上升。

2 岩溶塌陷诱发因素监测

对于岩溶塌陷地质灾害，土体变形和诱发因素是监测的主要对象[3]。其中土体变形监测是对岩溶区地下土体进行的直接监测；诱发因素监测是对可能产生岩溶塌陷的元素进行的间接监测。相关人员通过结合直接监测和间接监测，来达到监测岩溶塌陷的目的。

水、外部施加荷载是岩溶塌陷的主要诱发因素，而地下水的波动会加速塌陷的形成，因此在岩溶地区对水的监测至关重要。外部施加荷载可以通过工程手段干涉，进行提前预防。

2.1 水位监测

水位监测是指对水体的自由水面高出固定基面以上高程的监测。目前水位监测分为人工监测和自动监测两种。

人工监测水位利用测钟，这是一种比较简单的地下水位监测仪，适用于水位浅的观测孔；还有地下水位计，是一种操作简单的水位计，适用于各种地下水的监测。目前常用电接触悬垂式水尺。

自动监测目前主要依靠水压力传感器，国内外监测仪器主要有荷兰的DIVER、北京的中科光大等，还可以在此基础上设立地下水位监测系统。刘雅欣[4]阐述了地下水位监测系统的原理及应用，并对此类系统的发展提出了建议。自动监测地下水位可以将数据以数字或图像的方式传输至数据库，有利于水位监测朝着自动化、遥感化方向发展。

2.2 水气压力监测

溶洞土体的破坏与空腔压力的变化密切相关，而岩溶空腔压力与岩溶含水层水气压力的变化具有很好的对应关系，因此水气压力的监测结果可以作为追踪和掌握土体变形的参考依据。地下水气压力的监测主要采用压力传感器，并可以实现自动化监测。高明等[5]用振弦渗压计对岩溶区水压力进行了监测，效果良好。

2.3 水质监测

现阶段主要利用钻探对孔和测井的水样进行水质分析实验。根据项目情况采用自动监测和人工监测，其中自动监测能够实现水质参数的原位自动采集，人工监测可使用pH试纸、电导率等。

2.4 流速、流向监测

流速监测可以用断面截留来计算，根据这段时间断面的水流速，求出流速。浮标法、颜色示踪法可以用于流向监测。

3 岩溶塌陷土体变形监测

土体变形包括地面沉降、建筑物变形、土体形变等。其中地面沉降、建筑物变形和变位已经有比较成熟的监测方法，但能监测到沉降和变形说明地面塌陷已经发生[6]，因此这些监测方法只适用于应急抢修的短期监测。

3.1 地面沉降监测

地面沉降监测主要是对地面沉降灾害进行观测和分析。

（1）精密水准测量。精密水准测量是指国家二等及以上的水准测量，其优点是反应直观、精度高，常用于竖向位移测量。我国可溶岩面积占国土面积的1/3以上，分布较广，二等水准网单次监测呈点状分布，导致沉降显示不明显。在测量时应做到统一规划、分级布设，将观测点布设在塌陷区外稳定的基础上，再进行二等水准观测。其中，监测点的数量布设位置应按规范要求来。当水位变化幅度较大、监测点出现变形时，应加密监测。

（2）GPS技术。GPS技术具有速度快、操作简单等优点，在位移监测中具有明显优势[6]。由于岩溶塌陷在形成时，其内部的水、土体环境会发生剧变，通过对比上覆土体的位移，便能对下覆土体进行有效监测。GPS技术若要适应塌陷监测，需要在塌陷中心地带分层布设，某一部分对岩石顶面进行监测，某一部分对地表变形进行监测，两部分监测可以分开设置。GPS对监测点采用静态测量，平面精度能实现毫米级；高程监测受到信噪比、钟差等因素影响，只能达到厘米级。

（3）合成孔径雷达干涉测量（InSAR）。该技术是20世纪发展最迅速的新型遥感技术，以同一区域、不同时间段的两张SAR图像为基础，通过解得SAR的相位差，获得干涉图像，然后从干涉条纹中获取地形高程数据。目前InSAR技术还存在一些问题：①地面降霜、雨等气象因素会对InSAR造成干扰；②地形复杂区域的InSAR相位解算会造成参数获取误差；③大气层对电磁信号的延迟而造成的干涉相位偏差。

（4）地面沉降仪。该仪器是利用电磁波往来距离测算地表位移变化。因为地表沉降时间漫长，所以地面沉降仪现阶段多应用于推算土洞发育状况。另外，其还用于测算房屋裂缝大小，以此判断地表沉降速率，但该方法局限性较大，已被慢慢淘汰。

3.2 建筑物变形监测

建筑物会随着基础变形而发生沉降，进而出现开裂、位移等现象，因而通过对房屋变形进行监测，能有效地反映岩溶区土体形变[7-8]。

（1）建筑物沉降监测。测量人员可采用上述精密水准测量，也可采用气泡、电子水准仪进行测量，按规范要求定期对建筑物内埋设的观测点进行高程监测，绘制沉降-时间曲线，判断是否发生沉降及沉降发生原因。

（2）位移监测。测量人员使用经纬仪投影法、激光准直法等，定期对建筑物测点进行观测。此外，测量人员还可采用摄影测量方法，利用摄像机在某段时间瞬时记录建筑物点位信息，利用统计原理及最小二乘法求出方程，推断出位移变化规律，对可能产生位移的地点进行监测，预防建筑物变形。

3.3 土体形变监测

软弱、砂性土体以及发育土洞内部的变形称之为土体形变，这也是塌陷监测的重难点[6]。由于岩溶塌陷在空间上具有复杂性，目前真正有效的塌陷监测方法仍在积极探索中，可预见的是塌陷监测正朝着网络化、智能化方向发展。

（1）BOTDR光纤传感技术。BOTDR光纤传感是一类基于布里渊散射的分布式光纤传感技术[9]。该方法最早由Horiguchi于1989年提出，其最开始是作为一种无破坏性的光纤损耗测量技术，应用于桥梁、公路等监测，且效果明显。现阶段，BOTDR光纤传感技术在岩土领域得到了展开应用。蒙彦等[10]对BOTDR光纤传感技术在塌陷领域的监测、预报等方面的应用进行了探讨及实验研究。

工作原理：当岩溶发育到某一阶段时，光纤产生拉伸或剪切，对散射光进行数据采集，通过计算可知形变发生位置、变化量以及土洞发育状况。

布设要求：BOTDR光纤传感技术利用光纤的弯曲变形来反映土体的位移，这就导致光纤与土体需要同步变化。BOTDR光纤传感技术的布设要求主要取决于铺设场地所要求的精度和地质概况，从而对光纤的铺设深度、方式进行设计，在应用BOTDR光纤传感技术之前应对铺设场所进行地质勘察。对于地质复杂、土体较深的地区，应按照规范分层铺设，同层可选用格栅，网络间距一般小于1m，各层网格应做到交叉。在使用BOTDR光纤传感技术之前还应剔除温度影响。

优缺点：BOTDR光纤传感技术具有灵敏度高、抗磁场干扰强、能实时传输数据等优点，其不仅可测量土体的弯曲变形，还能测量轴向变形数值；但其缺点也很明显，主要适用于线性工程，且费用较高、保护要求也较高，一般用于已探明的土洞监测，但对未发现的土洞监测效果一般。

（2）TDR监测。TDR即时域反射法,是一种远程电子测量技术，最开始应用于电力行业，被用来确定通信电缆故障。现阶段，TDR技术的使用已经普及到岩土领域。

工作原理：利用同轴电缆在受到张拉力或剪切力时其局部阻抗变化来反映土体内部形变位置，进而对塌陷土体进行实时监控。TDR技术和BOTDR技术均为时域反射的一种，区别在于TDR技术通过阻抗来反映土体形变，而BOTDR技术通过光纤形变来反映土体位移。

布设要求：按工程轴向施工布设电缆，施工前确定TDR之间的距离和土下埋置深度，保证监测土洞在TDR范围内，同时留有一定预警时间；在利用砂浆胶结时要确保TDR内的电缆与土体同步变形。

优缺点：TDR监测系统性价比高，目前已比较成熟，可以组成轴向阵列，也可与水压力传感器、惯性沉降设备组成新的监测系统[11]；其缺点也很明显，由于TDR在受到剪切或拉伸力时才会产生阻抗信号，不能明确表示突变点塌陷位移，只适用于线性工程。

（3）地质雷达监测。地质雷达（GPR）又被称作探地雷达，是一种快速无损的地球物理探测技术[12]。我国于1990年引入该技术，现已广泛应用于公路、建筑物等周边土洞探测。

工作原理：脉冲源天线往地下发射电磁波信号，示波器会形成雷达图像，根据雷达图像中反射波穿过介质的时间、频率等资料，能判断出地下土体各界面情况，从而实现对塌陷区土洞的监测。

技术要求：探地雷达的天线频率与分辨率、探测深度密切相关，频率越高，分辨率越大，而探测深度反而更小，因此天线频率的选择要依据探测精度、深度的需求，在满足分辨率的同时，降低天线频率，以探测更深的地质状况。

优缺点：现阶段地质雷达具有操作、布设便捷，应用范围广等优点，在线性工程中有良好的应用效果；其缺点是探地效果容易受到周围电磁波干扰，而且由于雷达频谱的关系，15m以下土洞探测结果存在缺陷，无法实现实时监测。

（4）测斜仪。工作原理：将测斜仪沿监测区垂直横向埋设，测斜管整体与岩溶土同步变形，定期对测斜装置水平位移进行监测，测算塌陷区位移走向。

优缺点：测斜仪结构简单、易于操作，能够准确测量被监测区的水平位移量；但目前常用的人工测斜仪存在劳动强度大、套头需长期维护等缺点，并且自动测斜仪虽能实现实时监测，但制作麻烦，且只能反映某一方向的位移，而无法实现三维监测，对于土洞塌陷的监测存在一定的局限性。

4 岩溶塌陷监测发展趋势

综上所述，塌陷监测的最终目的是实时掌握土体的发育情况，对塌陷的时空状态进行预报、监测，以达到防震减灾的目的。但由于岩溶塌陷的随机性和复杂性，单一的监测手段难以对整个易塌区进行全面监测，在实际的工程预警中，可以通过现场勘察，利用多维度监测手段进行监测，从而形成全面的监测网。而且可以将不同方法获取的数据进行验证比较，如水位、水气压力监测可以采用人工监测与智能监测数据相互验证的方法，进而确保数据监测的准确性、精密性[13]。

未来，塌陷监测应朝着隐患识别快速化、监控精细化、风险防控时效化等方向发展，如新兴的MEMS技术以其独特的惯性导航测量系统[14]，可以有效地提高监测效率，并可以促进岩溶塌陷预警的智能化和网络化。