綜合勘測方法在城市人防工程地質勘查中的應用

王迎霜，蘇志軍

(中化地質礦山總局化工地質調查總院，北京 100013)

我國20 世紀60、70 年代大中型城市老城區(qū)大多建設有地下人防工程，由于條件限制及原材料的缺乏，這些防空洞一般以磚砌結構為主［1］． 隨著時間的推移，不少防空洞已經(jīng)廢棄并停止使用，由于外部條件(如荷載、水浸等)的變化，容易引發(fā)地面塌陷、地基基礎不均勻沉降等城市地質災害，影響城市建設的安全發(fā)展． 因此，需要采用適宜、可行的綜合勘測方法對城市人防工程引發(fā)的地質災害進行勘查，為后續(xù)防治措施的合理選擇提供基礎依據(jù)．

筆者首先闡述城市地下防空洞引發(fā)的地質災害特征及危害，綜述目前常用的勘查評價方法及防治措施．在此基礎上，以鄭州市某小區(qū)地下防空洞引發(fā)的地面塌陷地質災害勘查為例［2］，根據(jù)其現(xiàn)狀特點，采用綜合地質勘測方法，在全面了解建筑物地下人防地道分布及地質地層條件的基礎上，選取適宜的地質模型，應用FLAC 有限差分軟件進行數(shù)值模擬，分析地下防空洞頂板在完整和破壞兩種情況下對地面塌陷的影響．

1 城市地面塌陷災害

城市地下空間是以巖土體為介質和環(huán)境，地下防空洞所引發(fā)的地質災害因地質構造、巖土體性質、工程規(guī)模和施工方法而異，核心地質問題是巖土體強度、變形、水文條件以及巖土體與地下結構相互作用下的穩(wěn)定性問題．

一般情況下，由地下防空洞引發(fā)的地質災害破壞機制為:上部(荷載、水浸等)作用→洞室頂板受壓變形、巖土體局部屈服變形→洞頂、拱腳及洞腳附近應力集中→頂板彎曲變形(伴有局部脫落)→巖土層發(fā)生拉伸或局部剪切破壞→頂拱附近塑性破壞區(qū)擴展并與地表貫通→上覆巖土體剪切錯動→洞室破壞→地基基礎懸空→地面變形(不均勻沉降→塌陷→地面裂縫產(chǎn)生)→地表建筑物變形破壞(墻體裂縫、局部傾斜)→危害城市建設、威脅人身財產(chǎn)安全．

由于城市地下防空洞是隱蔽的，幾乎無任何外在的直觀信息，如果頂板突然坍塌，時間短暫，一旦發(fā)生，造成的后果相當嚴重． 例如，大連市某大樓因防空洞塌陷造成基礎懸空;清華大學第三教學樓配電間因防空洞影響產(chǎn)生局部沉降，導致墻體開裂;西寧市人防工程失效產(chǎn)生的地面變形已構成環(huán)境地質問題等．

2 城市地面塌陷災害勘查與防治

2．1 工程測量與現(xiàn)場調查相輔助

在現(xiàn)場進行細致的調查、記錄，對災害區(qū)實測定點，掌握原始的基礎資料，為后期的綜合分析提供直接的依據(jù)和支撐，同時也有利于治理方案的適宜性選擇．

2．2 工程物探與鉆探相結合

對城市地下防空洞引發(fā)的地質災害進行工程地質勘查，其目的是查明淺埋洞室的范圍、規(guī)模、賦存的地質條件，提供圍巖的物理力學性質，分析其穩(wěn)定程度，從而判斷其引發(fā)的地質災害的危害程度，預測發(fā)展趨勢并提出預防和治理方案．

目前淺埋洞室的勘查手段較多，一般采用物探加鉆探等綜合勘查方式，常用的物探方法有:高密度電阻率法、地質雷達等［3］，數(shù)字化采集設備及專業(yè)處理軟件等都對淺埋地下洞室的地面勘測定位提供了條件．在物探的基礎上，再通過鉆探驗證，可進一步對淺埋洞室做精確、合理的定位和探查，對物探成果也可做出準確的解譯．

2．3 定性分析與定量評價相統(tǒng)一

勘查定位之后，就需要對地下結構的穩(wěn)定性和安全性等問題進行分析和評價．經(jīng)過幾十年的發(fā)展，研究地下結構穩(wěn)定性的方法和手段已經(jīng)越來越豐富．淺埋地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析和評價經(jīng)歷了從定性到定量的過程，具體評價可概括為:實際洞體→幾何模型→力學模型→數(shù)學模型→計算方法→結論．其核心內容是數(shù)學模型、計算方法以及力學模型模擬的研究，近幾年來，隨著計算機的廣泛應用，數(shù)值模擬分析方法的運用越來越多．

定性分析方法適用于初勘階段選擇場地及一般工程，洞室圍巖穩(wěn)定性定性分析方法主要有綜合分析法、工程類比法等．定量分析法有荷載傳遞線交匯法、頂板厚跨比法、結構力學近似分析法(按梁板抗彎估算安全厚度和按梁板抗剪估算安全厚度)、普氏壓力拱理論分析法等，在具體確定圍巖穩(wěn)定性時，還需依靠現(xiàn)場工程人員的經(jīng)驗．此外，隨著現(xiàn)代化的計算手段和計算工具的發(fā)展，具有考慮各種因素、描述材料非線性和幾何非線性等能力和特點的數(shù)值分析方法的應用較為廣泛，其分析方法和成果更接近工程實際，成為近年來的方向和趨勢．

2．4 城市地面塌陷災害防治

對于防空洞引發(fā)的地面塌陷災害防治，應結合現(xiàn)場地質條件、防空洞的現(xiàn)狀以及建筑物基底壓力等多種不同情況，綜合考慮采取防治措施．由于不同工程所處地質、水文環(huán)境條件和防空洞形式有較大差異，可采用的處理方法較多，處理效果差別較大．因此，需要根據(jù)具體情況選擇合理的處理方法，方法是否得當將關系到工程建設的經(jīng)濟合理性與建筑的安全性［4］．

若地下防空洞洞頂距離基礎底面較淺，洞頂覆土不足以承受上部結構傳來的荷載，防空洞又無利用和加固價值，上部存在擬建建筑時，一般可采用揭露回填壓實的辦法進行處理，即采用灰土夯填壓實等方法，加強地基土強度，提高地基承載力．

若防空洞上方存在正常使用建筑設備，為不破壞原有基礎，需盡可能小地擾動地基土，可選擇樁基加固法［5］．即用基礎外擴承臺梁+托換樁的加固處理方案，將基礎上的荷載擴散傳至承臺梁，再由承臺梁通過托換樁(灌注樁)傳至深部較硬地層來加固處理．

3 工程實例

3．1 工程概況

鄭州市某小區(qū)建于20 世紀70 年代，建筑區(qū)存在地下防空洞，因年代久遠，地下防空洞發(fā)生一定程度的破壞，引發(fā)了地面塌陷，造成地面住宅樓墻體裂縫發(fā)育并貫通，威脅住戶安全．

由于資料記載缺失，且沒有統(tǒng)一的標準和圖紙，僅搜集到早期簡要的手繪圖紙．因此，在治理之前必須進行勘查工作，查明場區(qū)的工程地質條件以及淺埋洞室的位置，分析地面塌陷的成因、分布范圍和規(guī)模、發(fā)展趨勢及對建筑物的危害情況，為治理工程設計提供地質依據(jù)．

3．2 勘查方案(方法)制定

由于已有資料相對簡單，不能滿足現(xiàn)行地質災害防治的需求．因此，本次采用綜合勘探方法，以工程地質測繪、工程物探、鉆探以及土工試驗為主，并輔以現(xiàn)場調查等手段，對獲得的數(shù)據(jù)資料進行綜合分析．具體勘查程序如圖1 所示．

3．2．1 既有建筑物現(xiàn)狀調查

經(jīng)調查，該小區(qū)住宅樓共5 層，總高度約15 m，條形基礎，磚混結構，埋深1．5 m，下設0．3 m 厚三七灰土墊層． 資料顯示，地下防空洞洞寬約1．5 m，洞高約2．0 m，埋深約10．0 m，磚砌拱形結構．小區(qū)地面局部已發(fā)生塌陷脫空現(xiàn)象，如圖2 所示．曾采取素土輕壓回填措施，未壓實．

圖1 勘查程序

圖2 局部地面塌陷脫空

對現(xiàn)狀墻體的裂縫發(fā)育情況進行調查，主要特征有:①多處發(fā)育斜向裂縫，高端指向地面塌陷一側，長度1．0 ～3．0 m，寬度0．5 ～1．0 cm，部分裂縫已貫通;②豎向裂縫，主要分布在發(fā)生沉降的橫、縱墻交接部位，呈撕裂狀．

根據(jù)該建筑物發(fā)生裂縫的部位及形態(tài)，經(jīng)判斷裂縫的發(fā)生系地面塌陷導致地基基礎不均勻沉降所致，且裂縫最集中的區(qū)域為地面塌陷脫空部位．

3．2．2 現(xiàn)場勘探(物探、靜探、鉆探等)

現(xiàn)場勘探的目的是查明場區(qū)的工程地質條件以及淺埋洞室的位置，布設高密度電法物探、工程鉆孔、靜力觸探和探坑．在鉆孔內取原狀土樣進行土工試驗，同時在現(xiàn)場勘探過程中加強對軟弱地層(人工回填土等)的勘探．

根據(jù)調查結果，選擇在地面塌陷、建筑物墻體裂縫發(fā)育較多的區(qū)域布設物探線，采用溫納裝置測量，電極間距為1．0 m． 根據(jù)物探成果解譯出異常區(qū)位置和走向，進而在異常區(qū)布置勘探點，以提高工效．

經(jīng)鉆探驗證，淺部異常區(qū)是淺埋排水管道局部滲漏及地表局部下陷積水所致，深部異常區(qū)則為地下人防工程塌淤所致． 現(xiàn)場鉆探與物探成果相互驗證，吻合較好．考慮到需對現(xiàn)狀地基、基礎進行保護，防止地表水和地下水沿著鉆孔、探坑入滲浸泡地基而使其軟化，勘探結束后對鉆孔、探坑進行黏性土分層回填、壓實．

現(xiàn)場勘探驗證地下人防工程存在塌落及泥土淤埋，查明的人防工程位置、走向以及不均勻沉降及塌陷部位情況均與搜集的資料基本吻合．

3．2．3 室內試驗

根據(jù)資料及現(xiàn)場勘探情況，場地土自上而下主要劃分為7 層，對所取的土樣進行了物理力學試驗，對主要土層物理力學指標進行數(shù)理統(tǒng)計，具體見表1．

表1 土層物理力學指標

續(xù)表

由表1 可知:該區(qū)地基均勻，場地土層主要為粉土、粉質黏土，其中淺層粉土、粉質黏土的滲透系數(shù)較大，土的滲透性較強，外部滲漏水易通過該層粉土下滲，降低了淺部地基土層的承載力，加大了地基的不均勻沉降．

3．3 人防工程圍巖穩(wěn)定性分析

3．3．1 定性分析

根據(jù)現(xiàn)場調查情況，結合勘查揭露的地下土層情況、地下防空洞的分布及現(xiàn)狀條件，對其穩(wěn)定性進行的定性分析如下:地下防空洞埋深較淺，約10．0 m，橫斷面寬度1．2 ～1．5 m，防空洞存在變形，且場地土層主要為粉土、粉質黏土，滲透性較強，防空洞穩(wěn)定性較差．

3．3．2 定量分析

利用快速拉格朗日有限差分法FLAC 軟件進行數(shù)值模擬定量研究，分析驗證地面塌陷地質災害與下伏防空洞圍巖穩(wěn)定情況的相互關系．

1)網(wǎng)格劃分:選擇剖面，根據(jù)地層巖性將模型劃分為7 種材料類型，剖面在x 和y 方向各有延伸，確定為100 m×30 m，網(wǎng)格劃分及地質結構模型如圖3 和圖4 所示，其中洞跨約為1．2 m．

圖3 網(wǎng)格剖分圖

圖4 地質結構模型

2)邊界條件:模型兩側水平位移約束(x =0)，垂直方向自由(y≠0);模型底部垂直、水平位移均約束(x =0，y =0);模型頂部即地表為自由邊界(x≠0，y≠0)，從而構成位移邊界條件，以保持整個系統(tǒng)受力體系的平衡．

3)參數(shù)選取:根據(jù)土工試驗結果(表1)選取計算參數(shù)，見表2．

表2 巖土計算參數(shù)

4)選擇工況:根據(jù)該防空洞的埋藏情況，分別選取防空洞頂板完整及頂板破壞兩種情況進行數(shù)值模擬．

5)模擬結果分析:通過數(shù)值模擬得出地面的豎向位移情況如圖5 所示．由圖可知，在防空洞頂板完整的情況下，地面最大豎向位移為5 cm，防空洞在頂板完整的情況下對沉降變形影響不大;在防空洞頂板破壞的情況下，地面最大豎向位移為45 cm，發(fā)生在住宅樓二單元附近區(qū)域，與現(xiàn)狀調查情況相吻合．可見防空洞變形破壞后，加大了地基不均勻沉降，存在安全隱患，急需采取治理及防護措施．

圖5 地面豎向位移圖

4 結 語

1)城市地下防空洞引發(fā)的地質災害主要為不均勻沉降及地面塌陷，采用綜合勘測方法——工程測量、鉆探、靜探以及土工試驗，并結合高密度物探，確定了地下防空洞與既有建筑物的相對位置，查明了既有建筑物基礎持力層巖性特征及土的物理力學性質指標，同時運用FLAC 進行數(shù)值模擬，綜合分析地面塌陷災害的成因及影響因素，提出符合實際情況的設計參數(shù)，為后續(xù)的防治措施提供依據(jù)．

2)住宅樓裂縫及地面塌陷的主要成因為地下防空洞的破壞變形以及地基土水浸后變軟、承載力下降引起的不均勻沉降． 該防空洞為磚砌筑的拱形結構，由于建設時間較久，局部出現(xiàn)變形破壞，不宜承受過大荷載，存在安全隱患，需采取治理措施．

3)結合該工程特點，建議采用基礎外擴承臺梁+托換樁的加固處理方案;建筑物局部脫空部位建議采用半干水泥砂漿進行擠密式充填，充填后上部做防滲處理;對上部結構建議選取適宜的設計方案做加固性處理．

［1］陳愛新，劉長青．既有建筑物加固修繕勘察與地基基礎加固方案選擇［J］．工程勘察，2010(4):27 －30．

［2］王迎霜，蘇志軍．鄭州市某住宅樓不均勻沉降地質災害治理工程勘察報告［R］．北京:中化地質礦山總局化工地質調查總院，2012．

［3］潘紀順，連光明，冷元寶，等．綜合物探方法在鶴輝高速公路溶洞勘查中的應用［J］． 華北水利水電大學學報(自然科學版)，2015，36(2):49 －53．

［4］張永鈞，葉書麟．既有建筑物地基基礎加固工程實例應用手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［5］鄭玉元．基礎工程中遇地下人防洞室的勘察與評價—以貴陽某環(huán)形商城為例［J］． 貴州地質，1999，16(2):162 －168．