巖溶塌陷監(jiān)測技術(shù)及發(fā)展趨勢*

王金晨，吳 迪，婁萬鵬，吳遠斌

1.桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004

2.中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004

1 巖溶塌陷概述

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，在巖溶分布區(qū)及其邊緣建設的工程越來越多，由此引發(fā)的塌陷災害時有發(fā)生，已經(jīng)嚴重威脅到人們的生命財產(chǎn)安全以及城市建設乃至經(jīng)濟發(fā)展。巖溶塌陷地質(zhì)災害在時間上具有突發(fā)性，在空間上具有隱蔽性、復雜性等特點。選擇適合的監(jiān)測方法，利用現(xiàn)代化科學技術(shù)手段，結(jié)合巖溶地質(zhì)環(huán)境綜合分析，提前獲取巖溶塌陷前兆，對預防和減少巖溶塌陷地質(zhì)災害具有重要意義。

巖溶塌陷是指裸露型和埋藏型巖溶區(qū)的溶洞頂板在外力作用下發(fā)生坍塌、陷落現(xiàn)象。巖溶塌陷的發(fā)生基本要具備三個條件：第一，空間條件，土體下方具有可溶性巖層，能發(fā)育形成裂縫，從而給塌陷物或水提供轉(zhuǎn)運通道或者滯留空間，這是巖溶塌陷發(fā)生的基礎條件；第二，物質(zhì)條件，塌陷物上方具有一定厚度的覆蓋層，可以是砂巖或各類松散土層；第三，致塌力，能破壞溶洞頂板與下覆土體之間的平衡關(guān)系，其可以是水、荷載等。

國內(nèi)外的塌陷研究工作者們對巖溶塌陷的時空分布做了大量實地調(diào)研和研究，總結(jié)了以下巖溶塌陷的時空分布規(guī)律：

（1）巖溶極其發(fā)育的地段?？λ固氐孛驳陌l(fā)育會引起溶洞、裂縫的形成，當溶洞頂板受到潛蝕和土壓力作用，會加速其上覆土體的坍塌。另外，巖溶發(fā)育地區(qū)中的地下水流速會增大，這也會導致巖溶塌陷的增多。

（2）斷裂構(gòu)造帶附近。巖石碎裂、裂縫發(fā)育，為地下水提供了良好的滯留空間、運動通道，當?shù)叵滤档偷綆r石面以下時，土層內(nèi)部容易形成吸蝕作用，破壞土體內(nèi)部受力平衡。

（3）巖溶區(qū)的漬水洼地、河槽、高地過渡帶等位置。在這些部位，水位變化幅度大、流速快，容易形成致塌力。

（4）喀斯特地區(qū)土層薄弱處，軟弱巖層。軟弱土層下形成溶洞時，抗塌力會減弱，土洞平衡遭到破壞，也會造成坍塌[1]。

（5）季節(jié)分布規(guī)律。如桂林市5、6月份為雨季，根據(jù)對已經(jīng)記載的67處塌陷發(fā)生時間的統(tǒng)計[2]，在干濕季節(jié)交替時段，水位波動幅度較大，容易發(fā)生塌陷，發(fā)生于5—8月的塌陷共35起，占統(tǒng)計數(shù)52.24%，而秋冬季節(jié)發(fā)生塌陷的概率較低。

（6）年際分布規(guī)律。地質(zhì)資料顯示，1970年以前塌陷的誘發(fā)以自然狀況、氣候以及地質(zhì)因素為主，一般為自然塌陷；1970年以后，人類生產(chǎn)建設活動頻繁，加劇開采地下水，導致塌陷頻率上升。

2 巖溶塌陷誘發(fā)因素監(jiān)測

對于巖溶塌陷地質(zhì)災害，土體變形和誘發(fā)因素是監(jiān)測的主要對象[3]。其中土體變形監(jiān)測是對巖溶區(qū)地下土體進行的直接監(jiān)測；誘發(fā)因素監(jiān)測是對可能產(chǎn)生巖溶塌陷的元素進行的間接監(jiān)測。相關(guān)人員通過結(jié)合直接監(jiān)測和間接監(jiān)測，來達到監(jiān)測巖溶塌陷的目的。

水、外部施加荷載是巖溶塌陷的主要誘發(fā)因素，而地下水的波動會加速塌陷的形成，因此在巖溶地區(qū)對水的監(jiān)測至關(guān)重要。外部施加荷載可以通過工程手段干涉，進行提前預防。

2.1 水位監(jiān)測

水位監(jiān)測是指對水體的自由水面高出固定基面以上高程的監(jiān)測。目前水位監(jiān)測分為人工監(jiān)測和自動監(jiān)測兩種。

人工監(jiān)測水位利用測鐘，這是一種比較簡單的地下水位監(jiān)測儀，適用于水位淺的觀測孔；還有地下水位計，是一種操作簡單的水位計，適用于各種地下水的監(jiān)測。目前常用電接觸懸垂式水尺。

自動監(jiān)測目前主要依靠水壓力傳感器，國內(nèi)外監(jiān)測儀器主要有荷蘭的DIVER、北京的中科光大等，還可以在此基礎上設立地下水位監(jiān)測系統(tǒng)。劉雅欣[4]闡述了地下水位監(jiān)測系統(tǒng)的原理及應用，并對此類系統(tǒng)的發(fā)展提出了建議。自動監(jiān)測地下水位可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字或圖像的方式傳輸至數(shù)據(jù)庫，有利于水位監(jiān)測朝著自動化、遙感化方向發(fā)展。

2.2 水氣壓力監(jiān)測

溶洞土體的破壞與空腔壓力的變化密切相關(guān)，而巖溶空腔壓力與巖溶含水層水氣壓力的變化具有很好的對應關(guān)系，因此水氣壓力的監(jiān)測結(jié)果可以作為追蹤和掌握土體變形的參考依據(jù)。地下水氣壓力的監(jiān)測主要采用壓力傳感器，并可以實現(xiàn)自動化監(jiān)測。高明等[5]用振弦滲壓計對巖溶區(qū)水壓力進行了監(jiān)測，效果良好。

2.3 水質(zhì)監(jiān)測

現(xiàn)階段主要利用鉆探對孔和測井的水樣進行水質(zhì)分析實驗。根據(jù)項目情況采用自動監(jiān)測和人工監(jiān)測，其中自動監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的原位自動采集，人工監(jiān)測可使用pH試紙、電導率等。

2.4 流速、流向監(jiān)測

流速監(jiān)測可以用斷面截留來計算，根據(jù)這段時間斷面的水流速，求出流速。浮標法、顏色示蹤法可以用于流向監(jiān)測。

3 巖溶塌陷土體變形監(jiān)測

土體變形包括地面沉降、建筑物變形、土體形變等。其中地面沉降、建筑物變形和變位已經(jīng)有比較成熟的監(jiān)測方法，但能監(jiān)測到沉降和變形說明地面塌陷已經(jīng)發(fā)生[6]，因此這些監(jiān)測方法只適用于應急搶修的短期監(jiān)測。

3.1 地面沉降監(jiān)測

地面沉降監(jiān)測主要是對地面沉降災害進行觀測和分析。

（1）精密水準測量。精密水準測量是指國家二等及以上的水準測量，其優(yōu)點是反應直觀、精度高，常用于豎向位移測量。我國可溶巖面積占國土面積的1/3以上，分布較廣，二等水準網(wǎng)單次監(jiān)測呈點狀分布，導致沉降顯示不明顯。在測量時應做到統(tǒng)一規(guī)劃、分級布設，將觀測點布設在塌陷區(qū)外穩(wěn)定的基礎上，再進行二等水準觀測。其中，監(jiān)測點的數(shù)量布設位置應按規(guī)范要求來。當水位變化幅度較大、監(jiān)測點出現(xiàn)變形時，應加密監(jiān)測。

（2）GPS技術(shù)。GPS技術(shù)具有速度快、操作簡單等優(yōu)點，在位移監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢[6]。由于巖溶塌陷在形成時，其內(nèi)部的水、土體環(huán)境會發(fā)生劇變，通過對比上覆土體的位移，便能對下覆土體進行有效監(jiān)測。GPS技術(shù)若要適應塌陷監(jiān)測，需要在塌陷中心地帶分層布設，某一部分對巖石頂面進行監(jiān)測，某一部分對地表變形進行監(jiān)測，兩部分監(jiān)測可以分開設置。GPS對監(jiān)測點采用靜態(tài)測量，平面精度能實現(xiàn)毫米級；高程監(jiān)測受到信噪比、鐘差等因素影響，只能達到厘米級。

（3）合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）。該技術(shù)是20世紀發(fā)展最迅速的新型遙感技術(shù)，以同一區(qū)域、不同時間段的兩張SAR圖像為基礎，通過解得SAR的相位差，獲得干涉圖像，然后從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)。目前InSAR技術(shù)還存在一些問題：①地面降霜、雨等氣象因素會對InSAR造成干擾；②地形復雜區(qū)域的InSAR相位解算會造成參數(shù)獲取誤差；③大氣層對電磁信號的延遲而造成的干涉相位偏差。

（4）地面沉降儀。該儀器是利用電磁波往來距離測算地表位移變化。因為地表沉降時間漫長，所以地面沉降儀現(xiàn)階段多應用于推算土洞發(fā)育狀況。另外，其還用于測算房屋裂縫大小，以此判斷地表沉降速率，但該方法局限性較大，已被慢慢淘汰。

3.2 建筑物變形監(jiān)測

建筑物會隨著基礎變形而發(fā)生沉降，進而出現(xiàn)開裂、位移等現(xiàn)象，因而通過對房屋變形進行監(jiān)測，能有效地反映巖溶區(qū)土體形變[7-8]。

（1）建筑物沉降監(jiān)測。測量人員可采用上述精密水準測量，也可采用氣泡、電子水準儀進行測量，按規(guī)范要求定期對建筑物內(nèi)埋設的觀測點進行高程監(jiān)測，繪制沉降-時間曲線，判斷是否發(fā)生沉降及沉降發(fā)生原因。

（2）位移監(jiān)測。測量人員使用經(jīng)緯儀投影法、激光準直法等，定期對建筑物測點進行觀測。此外，測量人員還可采用攝影測量方法，利用攝像機在某段時間瞬時記錄建筑物點位信息，利用統(tǒng)計原理及最小二乘法求出方程，推斷出位移變化規(guī)律，對可能產(chǎn)生位移的地點進行監(jiān)測，預防建筑物變形。

3.3 土體形變監(jiān)測

軟弱、砂性土體以及發(fā)育土洞內(nèi)部的變形稱之為土體形變，這也是塌陷監(jiān)測的重難點[6]。由于巖溶塌陷在空間上具有復雜性，目前真正有效的塌陷監(jiān)測方法仍在積極探索中，可預見的是塌陷監(jiān)測正朝著網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。

（1）BOTDR光纖傳感技術(shù)。BOTDR光纖傳感是一類基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)[9]。該方法最早由Horiguchi于1989年提出，其最開始是作為一種無破壞性的光纖損耗測量技術(shù)，應用于橋梁、公路等監(jiān)測，且效果明顯?，F(xiàn)階段，BOTDR光纖傳感技術(shù)在巖土領域得到了展開應用。蒙彥等[10]對BOTDR光纖傳感技術(shù)在塌陷領域的監(jiān)測、預報等方面的應用進行了探討及實驗研究。

工作原理：當巖溶發(fā)育到某一階段時，光纖產(chǎn)生拉伸或剪切，對散射光進行數(shù)據(jù)采集，通過計算可知形變發(fā)生位置、變化量以及土洞發(fā)育狀況。

布設要求：BOTDR光纖傳感技術(shù)利用光纖的彎曲變形來反映土體的位移，這就導致光纖與土體需要同步變化。BOTDR光纖傳感技術(shù)的布設要求主要取決于鋪設場地所要求的精度和地質(zhì)概況，從而對光纖的鋪設深度、方式進行設計，在應用BOTDR光纖傳感技術(shù)之前應對鋪設場所進行地質(zhì)勘察。對于地質(zhì)復雜、土體較深的地區(qū)，應按照規(guī)范分層鋪設，同層可選用格柵，網(wǎng)絡間距一般小于1m，各層網(wǎng)格應做到交叉。在使用BOTDR光纖傳感技術(shù)之前還應剔除溫度影響。

優(yōu)缺點：BOTDR光纖傳感技術(shù)具有靈敏度高、抗磁場干擾強、能實時傳輸數(shù)據(jù)等優(yōu)點，其不僅可測量土體的彎曲變形，還能測量軸向變形數(shù)值；但其缺點也很明顯，主要適用于線性工程，且費用較高、保護要求也較高，一般用于已探明的土洞監(jiān)測，但對未發(fā)現(xiàn)的土洞監(jiān)測效果一般。

（2）TDR監(jiān)測。TDR即時域反射法,是一種遠程電子測量技術(shù)，最開始應用于電力行業(yè)，被用來確定通信電纜故障?，F(xiàn)階段，TDR技術(shù)的使用已經(jīng)普及到巖土領域。

工作原理：利用同軸電纜在受到張拉力或剪切力時其局部阻抗變化來反映土體內(nèi)部形變位置，進而對塌陷土體進行實時監(jiān)控。TDR技術(shù)和BOTDR技術(shù)均為時域反射的一種，區(qū)別在于TDR技術(shù)通過阻抗來反映土體形變，而BOTDR技術(shù)通過光纖形變來反映土體位移。

布設要求：按工程軸向施工布設電纜，施工前確定TDR之間的距離和土下埋置深度，保證監(jiān)測土洞在TDR范圍內(nèi)，同時留有一定預警時間；在利用砂漿膠結(jié)時要確保TDR內(nèi)的電纜與土體同步變形。

優(yōu)缺點：TDR監(jiān)測系統(tǒng)性價比高，目前已比較成熟，可以組成軸向陣列，也可與水壓力傳感器、慣性沉降設備組成新的監(jiān)測系統(tǒng)[11]；其缺點也很明顯，由于TDR在受到剪切或拉伸力時才會產(chǎn)生阻抗信號，不能明確表示突變點塌陷位移，只適用于線性工程。

（3）地質(zhì)雷達監(jiān)測。地質(zhì)雷達（GPR）又被稱作探地雷達，是一種快速無損的地球物理探測技術(shù)[12]。我國于1990年引入該技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應用于公路、建筑物等周邊土洞探測。

工作原理：脈沖源天線往地下發(fā)射電磁波信號，示波器會形成雷達圖像，根據(jù)雷達圖像中反射波穿過介質(zhì)的時間、頻率等資料，能判斷出地下土體各界面情況，從而實現(xiàn)對塌陷區(qū)土洞的監(jiān)測。

技術(shù)要求：探地雷達的天線頻率與分辨率、探測深度密切相關(guān)，頻率越高，分辨率越大，而探測深度反而更小，因此天線頻率的選擇要依據(jù)探測精度、深度的需求，在滿足分辨率的同時，降低天線頻率，以探測更深的地質(zhì)狀況。

優(yōu)缺點：現(xiàn)階段地質(zhì)雷達具有操作、布設便捷，應用范圍廣等優(yōu)點，在線性工程中有良好的應用效果；其缺點是探地效果容易受到周圍電磁波干擾，而且由于雷達頻譜的關(guān)系，15m以下土洞探測結(jié)果存在缺陷，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。

（4）測斜儀。工作原理：將測斜儀沿監(jiān)測區(qū)垂直橫向埋設，測斜管整體與巖溶土同步變形，定期對測斜裝置水平位移進行監(jiān)測，測算塌陷區(qū)位移走向。

優(yōu)缺點：測斜儀結(jié)構(gòu)簡單、易于操作，能夠準確測量被監(jiān)測區(qū)的水平位移量；但目前常用的人工測斜儀存在勞動強度大、套頭需長期維護等缺點，并且自動測斜儀雖能實現(xiàn)實時監(jiān)測，但制作麻煩，且只能反映某一方向的位移，而無法實現(xiàn)三維監(jiān)測，對于土洞塌陷的監(jiān)測存在一定的局限性。

4 巖溶塌陷監(jiān)測發(fā)展趨勢

綜上所述，塌陷監(jiān)測的最終目的是實時掌握土體的發(fā)育情況，對塌陷的時空狀態(tài)進行預報、監(jiān)測，以達到防震減災的目的。但由于巖溶塌陷的隨機性和復雜性，單一的監(jiān)測手段難以對整個易塌區(qū)進行全面監(jiān)測，在實際的工程預警中，可以通過現(xiàn)場勘察，利用多維度監(jiān)測手段進行監(jiān)測，從而形成全面的監(jiān)測網(wǎng)。而且可以將不同方法獲取的數(shù)據(jù)進行驗證比較，如水位、水氣壓力監(jiān)測可以采用人工監(jiān)測與智能監(jiān)測數(shù)據(jù)相互驗證的方法，進而確保數(shù)據(jù)監(jiān)測的準確性、精密性[13]。

未來，塌陷監(jiān)測應朝著隱患識別快速化、監(jiān)控精細化、風險防控時效化等方向發(fā)展，如新興的MEMS技術(shù)以其獨特的慣性導航測量系統(tǒng)[14]，可以有效地提高監(jiān)測效率，并可以促進巖溶塌陷預警的智能化和網(wǎng)絡化。