岩溶檢測方法

㈠ 什麼叫平均線岩溶率

平均線岩溶率就是多條測線的平均。

對於特定可溶岩體而言，其在岩溶作用下產生的各種空隙的體積所佔岩土體體積的比值。在數值上與岩體的容水度、孔隙度、裂隙率相等。

工程地質學（Engineering Geology）是研究與工程建設有關地質問題的科學（張咸恭等著《中國工程地質學》）。

工程地質學的應用性很強，各種工程的規劃、設計、施工和運行都要做工程地質研究，才能使工程與地質相互協調，既保證工程的安全可靠、經濟合理、正常運行，又保證地質環境不因工程建設而惡化，造成對工程本身或地質環境的危害。

工程地質學研究的內容有：土體工程地質研究、岩體工程地質研究、工程動力地質作用與地質災害的研究、工程地質勘察理論與技術方法的研究、區域工程地質研究、環境工程地質研究等。

岩土工程（Geotechnical Engineering）是土木工程中涉及岩石和土的利用、處理或改良的科學技術（國家標准《岩土工程基本術語標准》）。

岩土工程的理論基礎主要是工程地質學、岩石力學和土力學；研究內容涉及岩土體作為工程的承載體、作為工程荷載、作為工程材料、作為傳導介質或環境介質等諸多方面；包括岩土工程的勘察、設計、施工、檢測和監測等等。

㈡ 地面塌陷監測要點

1.地質雷達監測

岩溶地面塌陷的產生在時間上具有突發性，在空間上具有隱蔽性，因此，對岩溶發育地區難以採取地面監測手段進行塌陷監測和時空預報。美國學者Benson等曾在北卡羅萊納州威明頓西南部的一條軍用鐵路沿線進行過地質雷達探測溶洞並進行預報的試驗。該項工作從1984年開始，共歷時3年。試驗中，每隔半年用地質雷達以相同的頻率(80MHz)、相同的牽引速度沿1113m的鐵路線掃描一次，通過不同時間探測結果的對比，圈定擾動點並做出預報。結果表明，地質雷達因能提供具高度可重復性的監測資料，完全可以達到對塌陷進行長期監測的目的。然而，由於地質雷達設備昂貴，探測成本較高，難以在監測中廣泛應用。此外，可用於岩溶地面塌陷的探測方法和儀器還有淺層地震、電磁波、聲波透視(CT)等。

2.地理信息系統(GIS)技術的應用

近年來，地理信息系統(GIS)技術的應用，使得岩溶地面塌陷危險性預測評價上升到一個新的水平。利用GIS的空間數據管理、分析處理和建模技術，對潛在塌陷危險性進行預測評價，已經取得了良好的效果(雷明堂等，1998)。但這些預測方法多局限於對研究區潛在塌陷的危險性分區，並沒有解決塌陷的發生時間和空間位置的預測預報問題。某些可引起岩溶水壓力發生突變的因素，如振動、氣體效應等，有時也可成為直接致塌因素，甚至在通常情況下不會發生塌陷的地區出現岩溶地面塌陷。因此，如何進行岩溶地面塌陷的時空預測預報已成為岩溶地面塌陷災害防治研究中的前沿課題。

㈢ 岩溶地下水遠程監控系統

一、內容概述

2005年以來，通過地質調查項目的實施，逐步在我國主要岩溶區建立了岩溶地下水監測站近30處，代表了多種岩溶地貌或岩溶環境類型的岩溶地下水，如貴州茂蘭原始岩溶森林環境類型（3處），廣西弄拉岩溶人工次生森林環境類型（1處），雲南昆明青龍洞高原岩溶類型（1處），重慶金佛山高山岩溶類型（2處），廣西桂林丫吉和寨底、廣西柳州融安官村岩溶石山類型（3處），廣西桂林毛村外源水岩溶地下河流域（4處），湖南湘西龍山洛塔和鳳凰大龍洞、重慶青木關嶺谷型岩溶類型（3處），山西汾陽北方岩溶大泉類型（1處），湖北興山香溪河流域深切岩溶峽谷地貌類型（1處），珠江流域地表水（11處），長江流域地表水（1處），黃河流域地表水（1處）。所監測的岩溶地下水類型包括：岩溶泉、岩溶地下河和岩溶流域地表水。泉水和部分地表水監測站基本實現在線監測，其中7處實現了遠程監測和數據實時傳輸。

建立了監測數據管理平台，對海量數據進行管理，最終達到數據共享目標。

1.基本原理和理論

整個系統分為室內用戶和野外探測兩部分（圖1），通訊公司的GPRS網路和互聯網路是兩個部分的連接橋梁。野外部分內含自動化監測和數據存儲，但網路系統發生故障時，可到現場採集數據，正常情況下，用戶可以遠程監控系統運行情況、下載數據和進行遠程設置（圖2）。數據採集和發送系統為針對該型號的探測系統設計，具有適用通訊訊號強度范圍大、工作狀態穩定的優點。通訊訊號弱導致傳輸系統工作不正常，是制約遠程監控的關鍵技術。

圖1 遠程監測系統工作原理示意圖

2.技術特點

目前，岩溶地下水自動化監測中使用的儀器包括：

在線監測儀器：美國產MANTA系列（圖3）：pH、Ec、T、水位、降雨量，可選擇配備電極，監測約30種指標；

圖2 中國岩溶碳匯監測網遠程監控系統

圖3 MANT 多參數儀和數采系統室內調試

澳大利亞產CDTP300：pH、Ec、T、水位、降雨量等。

攜帶型儀器：德國WTW公司multi 340i：pH、Ec和T，精度分別為0.01、1μs/cm和0.1℃等；

德國Merck公司生產的鈣、鹼度試劑盒，精度分別為2mg/l和0.1mmol/l。

監測指標

現場監測指：標流、量降雨、量pH、值T、EC、

、Ca²⁺（葉綠、素藍綠…藻）。等

水質分析指標：DIC、DOC、TOC、簡分析，全分析，同位素（C/H/O），或單個元素（Sr…）

根據研究目的不同，可對監測參數進行調整。自動化數據採集間隔可以任意設置，一般設置為每15分鍾記錄一組數據。

二、應用范圍及應用實例

岩溶地下水監測成果主要用於研究地下水的動態變化，分析岩溶系統結構和調蓄功能；進行水資源評價；研究人為活動對地下水的影響；地下水污染研究；岩溶碳匯估算等方面。目前，所監測的數據被廣泛用於水資源評價，岩溶碳匯計算，岩溶系統結構研究，岩溶水評價模型構建，地下水示蹤，和地下水污染評價等研究工作中，取得了較多成果。這項技術在業內同行中得到廣泛推廣和採用。

例如，利用該技術詳細研究了貴州茂蘭岩溶森林區碳匯和水循環過程。

三、推廣轉化方式

岩溶地下水自動化監測成果除被應用於上述流域外，監測站還可以作為科研和教學基地，提供學術參觀、會議交流和培訓場地，現場展示和推廣，提高世界自然遺產地和旅遊區的科學研究水平，具有科學普及功能。

四、技術依託單位

技術依託單位名稱：中國地質科學院岩溶地質研究所

聯系人：王珽何師意

通訊地址：廣西省桂林市七星路50號

郵政編碼：541004

聯系電話：13517731392，0773-5845691

電子郵箱：[email protected]，[email protected]

㈣ 如何准確判別樁基范圍內岩溶的分布及發育情況

橋梁樁基施工中溶洞處理方法 橋梁樁基礎施工中,遇到溶洞的情況並不少見，作為地下隱蔽工程,給施工帶來很大困難, 如處理方法不當,往往會造成掉鑽、卡錘、埋錘、梅花孔、漏漿、塌孔等事故發生,甚至威脅橋梁運營安全。因而充分了解橋區樁位所遇溶洞的發育規律、基本形態、規模大小、溶穴頂板岩層厚度、完整性、洞內充填物形狀等,採取穩妥的措施,保證施工的順利進行,十分重要。京珠高速公路粵境南段大鎮至廣州太和段全長122. 34km ,路基寬3315m ,許多橋梁均通過岩溶區。其中第19 標段處於南嶺中南段,地質構造上屬於華南褶皺帶的一部分,區域地質構造輪廓主要有NE 向及EW向構造帶。3 座立交橋樁基設計為嵌岩樁,均處於石灰岩地區。設計地質資料顯示有少量小溶洞,但在施工中發現地質資料不準確。通過地質補鑽揭示溶洞發育,洞內漏水,分布復雜,最大洞高約5m ,溶洞層數多達5 層。鑽孔施工過程中發生過漏漿、地面塌陷等事故,增加難度且影響進度。 工程勘察對溶洞區樁基施工前一般採用物探或其它如電磁波層析CT 探測等方法探明溶洞的具體情況。因此,在施工首根樁時發現地質情況與設計資料出入較大後,選擇逐樁超前鑽探,並按設計樁尖標高在完整基岩內加深5m ,確保橋梁的安全可靠性。
下面簡要介紹和總結下國內其它大型橋梁樁基施工中溶洞的處理方法：
（一）廣和大橋主橋基礎溶洞處理
廣和大橋位於廣州市白雲區石井鎮鴉崗村的白坭河水道上，大橋全長791m，橋寬36m，最大跨徑120m。其基礎採用鑽孔灌注樁，其中：φ150cm64根，φ200cm44根，共108根。施工總工期22個月。本橋位地質屬於第四紀沉積層覆蓋之下，基岩主要為石灰統壺天灰岩。這些石灰紀地層沉積成岩以後，經歷了漫長的地質年代和多次構造運動，形成北東向褶皺，並有大致平行於褶皺軸向的縱斷層和大致與之垂直的橫斷面層。後來經歷了侵蝕和剝蝕作用，並在地下水的化學和機械作用下形成一系列岩溶地貌，最後在第四紀全新世珠江三角洲最後一次海侵中，形成以沖積相為主的第四紀松軟沉積層。從地質資料分析，溶洞分布較廣。主橋位溶洞分布廣而多。在橋位方案論證中，第一方案，28個鑽孔，有12個發現了溶洞；第二方案，28個鑽孔，有17個發現溶洞；第三方案，28個鑽孔，有11個發現溶洞，最大的溶洞約16m。溶洞按其填充狀態可分為空的、半填充的和完全填充的三類：按其填充物的性質可分為粘性土、砂礫和稀土三類；按其漏水情況可分為漏水和不漏水兩類。溶洞的走向與河流的流向相同。根據上述地質條件，從技術、經濟等方面經過比較，選擇了靜壓化學灌漿法、套內護筒法等施工技術配合使用處理溶洞，取得預期的效果，推介如下。
1主橋樁基對溶洞的處理：主橋樁基精確放樣後，在樁基施工上用地質鑽於樁中心進行超前鑽，必要時增加鑽位。根據超前鑽的結果，確定護筒的打入深度。有溶洞的樁位，護筒沉至風化岩層，置於強風化岩面上，這樣可穿過土洞。護筒的底部即為岩層或溶洞的頂部。沒有溶洞的樁，護筒沉放要穿過淤泥質亞粘土、砂礫層，置於砂礫質亞粘土層至少2m深。根據溶洞的不同類型，最後決定兼用兩種不同的施工方案。圖1布孔平面及剖面示意方案a當溶洞內有填充物填滿或有流砂的，或當溶洞為空洞或填充物不滿（水洞）且深度在3m以內的，在鑽孔樁施工前先進行預處理，採用靜壓化學灌漿法固填充物和流砂，或用此法填滿溶洞，在固結體達到一定強度以後再鑽孔施工。方案b當溶洞為空洞，且深度在3m以上的，擬用套內護筒法施工，即用內護筒穿過溶洞的施工方案。
2方案：a方案，b施工方法
2．1方案a（靜壓化學灌漿法）施工方法
2．1．1技術要求
溶洞預處理的目的是為了加固溶洞填充物和填滿溶洞空間並達到一定的強度（20mpa以上），防止鑽孔樁施工時泥漿流失、流砂及坍孔等情況的發生，保障成孔及水下混凝土澆注等一系列施工工序的順利完成。溶洞預處理施工，在鑽孔樁施工之前進行，相當於在樁基礎施工過程中，於鑽孔樁施工工序之前加入一道預處理工序，與樁基施工的各工序一起形成流水作業。圖2用鑽機鑽頭鑽桿壓沉內護筒示意單位：cm
2．1．2施工方案
（1）處理方法選擇由於溶洞埋藏較深，不能用爆破或填充混凝土等一般方法處理，有效的處理方法是灌漿法。而在眾多的灌漿法中，因溶洞的不規則性，決定了其處理的最有效和比較經濟的方法是靜壓化學灌漿法。因此，採用靜壓化學灌漿法，同時也可兼用噴射灌漿法，促進填充物強度的加強。
（2）靜壓化學灌漿的加固特點漿材可在幾秒或在幾十秒內瞬間凝固，可控制漿液灌注在一定范圍內且不流失，材料的利用率高，比較經濟。漿材的結石率為100％，即1m3體積漿材可得1m3結石體。對溶洞中的砂、礫等土體，漿液是通過滲透作用板結砂和礫的；對於溶洞中的稀土、亞粘土等土體，漿液是通過劈裂、擠密作用加固土體的；對於無填充物和半填充溶洞的空間，漿液是通過充填作用填滿溶洞的。漿液在土體中的滲透擴散方向是往小主應力面方向，漿液固化後，小主應力面得到加固，而原次小主應力面變成小主應力面。這樣，通過對小主應力面反復不斷的加固，一方面滲透、擠密溶洞中的土體的空隙，充填溶洞的空間，在樁體周圍形成防水帷幕，防止流砂和保證護壁泥漿不流失；另一方面，提高溶洞中土體的承載力和抗剪力形成擋土牆，防止坍孔。
靜壓化學灌漿的關鍵在於漿材的和工藝。
圖3內護筒底部及頂部灌漿封縫示意單位：cm（3）工藝設計
布孔：在超前鑽有溶洞的樁位四周均布4個灌漿孔（見圖1）。
鑽孔：孔徑80mm，孔深要求達到最深溶洞的底部。
材料：普硅425＃水泥（新標准為普硅32．5mpa水泥）與化學漿。
工藝：採用雙液灌漿系統進行全孔灌漿，要求少量多次、反復灌漿。
2．1．3主要施工機械設備
主要機械設備有：bw250泥漿泵，bw150泥漿泵，100型鑽機，泥漿攪拌機和貯漿槽，高壓灌漿管及其配件。
2．2方案b（套內護筒）施工方法2．2．1內護筒長度的確定護筒長度l＝h＋3（m）（h為地質超前鑽確定的溶洞高度）
2．2．2內護筒內徑的確定內護筒內徑應大於φ220cm，同時外徑應小於外護筒內徑5cm左右，如果只下一次內護筒（一層溶洞），內護筒內徑選用233cm，壁厚為1cm，則外徑為235cm（主橋外護筒內徑為240cm）。當遇到第二層溶洞時，第二層溶洞的內護筒（即第三次護筒）選用220cm內徑。
2．2．3溶洞頂部沖孔
根據超前鑽的資料，當鑽孔施工接近溶洞頂部時，提起鑽頭、鑽桿，移開鑽機（gps－30），採用沖擊鑽機ykc－30沖孔，沖孔鑽頭外徑235cm。用沖擊鑽沖孔時，要求輕錘慢打，使孔壁圓滑堅固，提升高度一般不超過50cm。所有卡扣及鋼絲繩必須先經測試檢查，其它施工工藝及注意事項與常規相同。
2．2．4內護筒的沉放方法
（1）當沖擊穿過溶洞頂部時要反復提升沖錘，在頂部厚度范圍上下慢放輕提，沖錘不明顯受阻礙，說明頂部已成孔並且是圓滑垂直的，此時用鋼絲繩活扣綁住內護管，用吊機（或沖機自吊）把內護筒放入外護筒內至孔底。到孔底後，內護筒不會靠自重沉到溶洞底部（因溶洞底有沉渣、沉澱物等）。此時，gps－30鑽機重新就位。
（2）護筒沉設利用gps－30鑽機進行，在鑽機的鑽桿上附加壓架，利用鑽機的鑽進壓力和鑽桿、鑽頭的重量，使內護筒隨鑽頭的鑽進而下沉，直到溶洞的底部（如圖2）。
2．2．5內、外護筒間空隙及內護筒與溶洞底部間空隙的處理
（1）在內護筒底部及頂部100cm范圍內回填砂、碎石，中部回填中砂（見圖3）。
（2）用高壓噴射灌漿法（施噴法）對回填體進行灌漿處理。灌漿後，內護筒上下兩端空隙被砂、碎石及漿液沖填固結，固結強度要求達到30mpa，其抗滲系數可達10－7m／s。灌漿處理後，即可重新沖孔。
（3）在內護筒頂部及底部100cm范圍內回填小碎石素水泥混凝土，內護筒中部回填砂，同樣能起到堵塞空隙的目的。
（4）對於需要處理多層溶洞的樁基，一般仍採用上述灌漿法填充固結空隙進行施工。目的是為了增加溶洞底部（同時有可能是下層溶洞的頂部）附近填充物的密度和強度，並且增加內、外護筒間的膠合力。
（5）重新沖鑽，直至嵌入完整基岩。當符合設計及規范要求時，經監理工程師同意即可終孔，此樁即成孔。成孔後的工序工藝與常規相同，並不贅述。
3結語
3．1根據溶洞的不同類型，用方案a、方案b進行分類處理，處理方法可靠，各項技術指標均能滿足設計要求。
3．2化學灌漿法對溶洞的預處理達到預期目的，有效防止了鑽孔樁施工時泥漿流失、流砂及坍孔現象，可保證成孔及水下水泥混凝土澆注等工序順利完成。套內護筒法要求對施工過程的每個環節（從確定內護筒長度、內徑到沉放方法乃至內外護筒間空隙、內護筒與溶洞底部間空隙的處理）都必須落實到位，便可順利成孔。
3．3隻要對其施工過程嚴格把好技術關，可有效縮短工期，保證了工程質量與經濟效益的雙贏。
（二）廣州花都新雅橋
廣州花都新雅橋位於新華鎮建設南路與雅瑤鎮交界處，是連接城區重要交通紐帶。由於地質情況復雜，地下溶洞有3種情況：①覆蓋層中的土洞內一般有充填物，但不密實，空洞范圍一般不大；②基岩中的小溶洞，洞內無充填物，或有充填物，但不密實，即小空洞；③基岩中的大溶洞，洞內無充填物，或有充填物，但不密實即大空洞。
溶洞樁基施工方案：
1、對①、②兩種情況，要求施工採用常規的溶洞處理方法，即洞頂打穿後拋填粘土、碎石、整包水泥後沖擠壓密實，凝固後復沖。
2、對③種情況，則要求施工先進行溶洞內的充填加固，把土、溶洞用水泥、粉煤灰漿填滿，7天後再進行成孔。對少量上面覆蓋層地質較差的、砂礫層很厚的、一旦漏漿會塌孔情況，則採用加打鋼護筒護壁措施。
溶洞樁基處理方案：
1、對於封閉的比較小的溶洞，採取注漿措施，提供成孔條件穿過溶洞。若洞內無填充物，則採取先填充碎石或干砂，然後注漿；若充填物呈軟塑狀態時，直接注漿固結。
2、溶洞內無填充物需向洞內填充砂子的，選擇一個合適的孔位，放入並固定鋼套管，將注砂管與鋼套管相連接，在注漿前灌砂。用壓風機將干砂壓入，為防止洞內高壓阻止灌砂，利用其它孔作為減壓孔。待達到計算的填充體積，壓力穩定，即可停止。
3、對於一些溶槽、溶溝、小裂隙等，沖孔時可採取投放片石、粘土，甚至投入整袋水泥堵塞起到護壁作用，保證泥漿不流失，使鑽孔順利通過岩溶區。
樁基套管鋼護筒要求
φ1200mm樁的套管鋼護筒的內徑為1350mm，採用10～12mm厚的鋼板卷制而成。採用的鋼護筒長度為24～32m，分節運到現場。有大溶洞需要打鋼護筒的樁基，先用φ1350mm的樁機錘成孔至溶洞頂，採用60kW以上的振動錘和25t以上的吊機配合打設鋼護筒。鋼護筒採用分節吊裝焊接，分節高度為8．0～10．0m，孔口對焊，振打入樁孔內，一般每節振打只需5～20分鍾。
實施情況：
施工過程中，曾發生過以下幾方面的情況，按相應要求採取了岩溶地區樁基沖樁施工技術處理，取得很好的施工效果：
1、原設計樁底岩層不好。多次遇到沖孔快到終孔標高時，但岩樣不是微風化岩，不能終孔，需超前鑽取樣重新確定樁底標高。
2、意外跑漿。地質資料揭示無溶洞或只有很小的溶洞，但突然發生跑漿，估計是擠破了旁邊大溶洞的洞壁，或小溶洞與旁邊的大溶洞是相連的。採取投放片石、碎石夾粘土，甚至投入整袋水泥堵塞起到護壁作用，使鑽孔順利通過岩溶區。
3、遇到岩面是斜面，發生了偏孔，應低錘輕沖擊、慢沖擊，要多次拋塊石糾斜，因為打斜岩應低錘輕沖擊、慢沖擊。
4、遇到較大的土洞、空溶洞時，或連體薄層深洞迅速跨塌，出現掉錘現象，在快到溶洞項板2m距離位置時應低錘輕沖擊、慢沖擊，減少溶洞大面積跨塌錘現象。
5、遇到混凝土卡管及混凝土不合計量的現象，測試分析混凝土由於坍落度為12cm及施工人員未用水沖洗濕潤管，混凝土和易流動性差是造成塞管的原因，混凝土坍落度以18～22cm為宜；澆築導管必須密閉良好，澆築時先放置隔水塞，澆注混凝土必須連續、快速；混凝土灌注與計算偏大是孔中有漿浸入溶洞，在溶洞地區澆築樁基混凝土應增加，備料應不少於十立方米。
施工驗樁結果：
整座橋樁基的質量是符合設計要求的，達到優良級標准（超聲波檢測結果一類樁佔98％以上，其餘也均為合格樁）。盡管岩溶地區地下情況千變萬化，但通過我們的認真分析，採取有效的岩溶地區樁基沖樁施工技術對策、措施來處理施工，做好超前鑽孔，重點注意沖樁成孔，控制灌注混凝土，岩溶地區樁基沖樁施工質量安全也是容易控制的。
通過本工程的實踐，我們認為：岩溶地區樁基沖樁施工的施工技術措施，應做好超前鑽孔，重點注意沖樁成孔，控制灌注混凝土，一定能達到我們施工的期望。
（三）京珠高速公路靠椅山至大鎮段
京珠高速國道主幹線粵境南段靠椅山至大鎮段54座橋梁中，有17座處於溶洞地區。其中練屋中橋、壩子中橋和橫石水大橋岩溶極為發育，樁的垂向溶洞個數為1 ~ 13個，其中最大的達22.1m。溶洞內有的有充填物，多為亞粘土或亞砂土；有的為半充填或無充填(空洞)；有的溶洞不漏水，有的為半漏水。在這橋梁施工中，遇到許多問題，經採用相應措施，比較圓滿地完成了樁基的施工任務。
2 溶洞地質樁基的施工方法
2.1 常規成孔法(按照無溶洞地質考慮)
當溶洞內有充填物，是可塑或軟塑的亞粘土，並且溶洞不漏水，這時不官溶洞有多大，也不管溶洞垂向數量多少，都可以不考慮溶洞的存在，而按照正常的地質情況施工。可以採用人工挖孔或沖擊鑽成孔。練屋中橋大多數溶洞內充填物為亞粘土，物理力學性質較好，濕密度1.88g/cm3，天然孔隙比為0.899，塑性指數為12.3%，容許承載力為190kPa，洞內的土質和溶洞外的土質沒有什麼區別，可以按無溶洞的情況施工。練屋中橋和橫石水大橋在樁的上部採用人工挖孔，自地表挖至11 ~ 17m時，已經穿透了透水層和一些溶洞，施工沒有受到溶洞的影響。再往下改為沖擊鑽成孔，也不骨出現漏漿和坍孔現象，按照正常的地質情況施工。
2.2 片石粘土築壁法
溶洞內無充填或半充填，溶洞高度不太大，一般在3m以內，但存在嚴重漏水,護筒內水頭高度不能保持時，可采有片石加粘土(按1:1體積比)回填沖擊，使其形成泥石護壁。反復多次回填片石粘土，反復沖擊直至形成泥石護壁不再漏漿為止。練層中橋和橫石水大橋大部分樁基是採取這種方法成孔的，這也是個比較成熟的施工方法。粘土片石築壁法施工時，鋼護簡必須穿透砂礫及卵石層等透水層，座落在不透水的亞粘土層上，這樣可以防止由於溶洞漏水，水頭高度急劇下降而造成的坍孔。在地下水容易控制的地質情況下，也可以採取人工挖孔砼護壁的方法施工，並且 要穿 透透水層，座落在亞粘土層上。練屋中橋、橫石水大橋均採取這種方法施工。有些樁在施工中幾次嚴重漏水，護筒內水頭高度急劇下降，均未出現坍孔現象。練屋中橋第一次進場的施工隊，就是因為鋼護筒很短，沒座在亞粘土層上，造成坍孔，導致鑽頭被 埋在孔內。打油林小橋4#樁、壩子中橋14#樁也都由於這個原因造成坍孔。壩子中橋9#樁坍孔時還將鑽頭埋在孔中。
2.3 鋼護筒跟進法
溶洞較大，洞內無充填物或流塑充填物，漏水很嚴重，採取片石加粘土反復打密，仍然無法形成泥石護壁的，可採取鋼護筒跳進法施工。該方法就是一面沖孔，一面接高護筒，並且將其震動下沉至已鑽成的孔內，有以隔斷溶洞內流塑充填物或水的活動。
鋼護筒跟進有兩種施工方法。一是沖擊鑽成孔鋼護筒跟進法。還有一種情況就是樁孔穿過多個溶洞，並且均已成功造壁，在下面沖孔時，上面已形成的泥石護壁坍塌漏水並且無法解決時，可以鋼護筒跟進到這個溶洞位置堵漏，漏幾個溶洞鋼護筒跟到幾個溶洞。
當地下水很小並且容易控制時，應優先採用人工挖孔、砼護壁的方法施工。這種方法的優點是速度快、質量好、成本低。
人工挖孔樁所有樁孔可以同時開工，進展快。砼護壁的中心、垂直度及孔徑大小易於控制，使鋼護筒和井壁有較小的間隙，利於鋼護筒下沉，給一層護筒到底創造了條件。人工挖樁設備簡單、成本低。但人工開挖法受一定深度限制，並要注意工人的安全。
在地下水非常豐富、樁孔內的水不易抽干、人工無法挖孔作業時，可採用沖擊鑽成孔鋼護筒跟進法施工。施工中應充分利用沖擊鑽的擴孔性能，使鋼護筒能順利下沉。一般鑽頭外徑和鋼護筒內徑空隙控制在3 ~ 5cm，保證沖擊店在護筒內順利提升或下沖為度。在護筒跟進很困難時，可以先下在大護筒後下小護筒，然後割掉在大護筒下緣以上的內護筒，以保證樁砼與外護筒的連接。
如果沖擊鑽在堅硬的岩石中的擴孔系數較小，不能使鋼護筒下沉時，可採用小量電雷管焊破，保證 鋼護筒順利下沉，可在井口上部估一個簡易導向裝置進行控制。
在井口用20槽鋼焊一個井字架，兩槽鋼間的距離大於鋼護筒外徑10mm左右。在距孔口4 ~ 5m的位置 設一個導向用的環形鋼筋，內徑也是大於鋼護筒外徑10mm左右，錨固在砼護壁上，鋼護筒沿這兩個定向裝置下滑。上下鋼護筒拼接時，用2台經緯儀(或2人持垂球)在兩個垂直方向看護筒邊緣均在豎直線上，護筒是豎直的。拼好的鋼護筒沿導向裝置下滑。
為保證鋼護筒順利下滑，要求樁孔要豎直，無歪斜、縮頸。鋼護筒孔徑要准確，連接要順直，用卷板機成型。鋼護筒要有一定的剛度，鋼板厚為8 ~ 10mm為宜。
由於鋼護筒外緣與人工挖樁砼護壁或沖擊鑽的孔壁還有一定的問隙，樁頂在水平力作用下可能產生一定的水平位移，在施工中可採取一些措施予以解決。
(1)將鋼護筒上端4 ~ 5m左右高度割掉(在人工挖樁有砼護壁的情況下可以這樣做，否則易坍孔)，澆注樁身砼並與砼護壁連在一起，5m以下的部分也可滲入一些砂漿，使鋼板和孔壁也能連接在一起。這樣做既保證了樁的質量，還可節約一部份的鋼板。
(2)在孔口澆注厚30cm的砼封蓋。在封蓋上鋼護筒和井壁間預留2個孔，一個孔用作注漿，一個孔留作排氣。用灰漿泵將水泥漿壓入護筒與護壁間的孔隙中，將灌注樁與井壁連在一起。
3 坍孔
鋼護筒只有1 ~ 2m高，座落在砂礫和卵石層上。當沖擊到溶洞後，突然漏漿造成水頭高度急劇下降，砂礫和卵石層失去穩定，形成漏斗狀的坍孔。壩子中橋9#孔、打油林小橋4#孔均由於鋼護筒埋得太淺，沒有座落在亞粘土不透水層上，造成坍孔。
3.1.1 預防坍孔的方法
(1)在地下水可以控制的情況下，可優先考慮人工挖樁砼護壁，穿過透水層座落在不透水的土層上，這種方法預防坍孔比較有效。練屋中橋和橫石水大橋都採用了人工挖孔砼護壁，並且都座落在亞粘土層，即使溶洞漏水很厲害，在回填片石粘土反復沖擊反復漏水的情況下，仍未出現坍孔現象。
(2)採用沖擊鑽沖孔施工時，可將鋼護筒座落在亞粘土層上，再繼續沖擊成孔，也可避免坍孔。
(3)發現漏漿及時補水。
3.1.2 坍孔的處理方法
(1)當成孔深度不大時，可全孔回填粘土，並暫停一段時間後，再深埋鋼護筒不透水層方可重新鑽孔。
(2)當成孔深度較大時，可將鋼護筒一直座落在坍孔的嗽叭口下緣的亞粘土層上，護筒周圍回填粘土，擠實，再重新鑽孔。
3.2 卡鑽
卡鑽的原因和處理方法：
(1)沖擊鑽刃腳磨鈍、孔徑變小，造成卡鑽。應經常對沖擊鑽進行補刃。
(2)孔不圓，形成梅花孔。最好用6刃和4刃鑽頭打圓孔，不用一字鑽。
(3)鑽頭在沖擊填充的片石時，進起的石塊將鑽頭和孔壁的空隙擠住，鑽頭不能上下。可放小炮震活鑽頭，也可用小沖擊鑽沖動，或用沖吸的方法將卡在鑽頭的石碴松動再提出。
(4)鑽頭沖破溶洞頂板，掉入溶洞，鑽頭傾斜，提不出來，應放小炮炸頂板岩。一般用量為300 ~ 500g即可，一次不行可反復幾次。
(5) 卡鑽時不宜強提，免得拉壞機械，拉斷鋼絲繩，掉鑽頭。練屋中橋在刃腳焊2圈鋼筋擴孔，卡住了，用卷揚機強拉，結果卷揚機拉壞了。
3.3 斜孔
斜孔是由於岩石表面傾斜或出現探頭石，致使鑽頭沿軟的低的部位下滑造成的。解決的方法是回填片石，也可以灌注水下砼，待強度形成後用小沖程打緊繩反復沖擊，直至調正過來為止。過大的沖程會成孔不圓，造成斜孔，一般應採用1 ~ 4m為宜。
3.4 漏漿
在沖擊成孔中，由於有的溶洞與地下暗河或其他溶洞相通，泥漿迅速流走，水頭高度急劇下降，造成漏漿。在溶洞樁基施工中，要在孔邊備足一定數量的片石和粘土，一旦出現漏漿，要及時回填片石粘土沖擊造壁，並且馬上補水，防止水頭高度繼續下降。
3.5 坍孔埋鑽
埋鑽的原因是坍孔造成的。施工中發現漏漿應立即將鑽頭提到孔外，如果未及時提鑽，漏漿後坍孔，鑽頭便被埋在孔中。
(1)人工挖土鋼護筒跟進法。樁孔進尺較短，地下水易於控制，沒有大的承壓力，人可以下到樁孔中去挖坍落的泥石，邊護筒跟進。要注意工人的安全，一直挖到鑽頭的位置，護筒也跟進到鑽頭位置。
(2)真空吸渣法。將導管置於坍孔的底部，用9m3空壓機通過鋼管壓入空氣吸出沉渣。這種方法適用於坍孔的石子粒徑小於25cm(導管的內徑)。 在溶洞地區進行橋梁樁基施工是比較困難的，如何在施工中實施對樁基質量的有效控制顯得爓為重要。本方結合京珠高速公路粵境南段靠椅山至大鎮段的實踐經驗，對如何根據工程特性選擇合適的施工方法，保證樁基的質量作了初步探討，希望在同類的工程施工中提供參考

㈤ 岩性識別的主要方法

(一)用多波譜遙感資料識別岩性

用航空或衛星多波段遙感資料來識別岩性(蝕變岩及含礦地質體的多波段遙感也屬廣義岩性識別)是用得最多、最成熟的一種技術方法。彩版Ⅲ-左上是新疆阿爾泰半裸露地區的衛星假彩色合成圖像。圖像上侵入體、沉積岩層及鬆散的沉積物的影像特徵截然不同極易區分。這是因為在半裸露區內土壤、植被以及人為干擾因素極弱的緣故。

Crowley J.K.(1984)對美國猶他州康菲森嶺的志留、泥盆紀白雲岩類多波段航空遙感資料的岩性識別。研究用Bendix24通道航空掃描儀的第4、6、10、12、13波段。目的是為取得①0.55μm的三價鐵的吸收帶②0.6μm及1.0μm處把葉綠素在0.67μm的反射值強烈上升處與岩石土壤分開,③2.2μm則是 根的吸收帶的波段。然後用主組份變換矢量矩陣的PC₂(第二主組份,通道6),PC₃(第三主組份,通道10),PC₄(第四主組份,通道12),分別以紅、藍、綠作假彩色合成圖像。與原有地質圖件相比(圖7-14右圖),遙感解譯出的①Gt(吉爾梅特組,D2-3),灰色塊狀細晶灰岩,②Si(西蒙森組,D2)淺灰、暗色白雲岩互層;③Se(塞維組D1-2)風化較強的淺灰色細晶白雲岩;④Lk(萊克敦組S₃)上部有淺色粗晶灰岩層的緻密塊狀白雲岩(圖7-14,A)。與原有地質圖相比,Lk,Se都可進一步分出層組。但在圖幅西南部的劃分不佳。斷裂與原有資料都有較大改動。

圖7-14 美國猶他州康菲森嶺地質圖(A)及據主成份分析增強資料解譯出的影像地質圖(B)

(二)利用岩石熱慣量識別岩性

熱慣量是物體(包括地質體)阻止溫度變化的熱反應的一種量度,單位是卡/厘米²· ·度。熱慣量值大,則地物周日地表溫度變化幅度小;反之則溫度變化幅度大。表7-3煤層周日變數為47℃,而灰色灰岩為20.2℃。煤層熱慣量值小。由於求熱慣量的相對大小隻需測得岩石的反射率。及地面晝夜溫差值(△T)即可計算出熱慣量值。技術方法比較簡便,因而是一種有發展前景的岩性識別方法。河北洡源木吉村一帶碳酸鹽岩實測熱學性質的結果成功地將未蝕變白雲岩、硅化白雲岩、鮞狀灰岩、泥灰岩夾頁岩區分開來。如果利用熱慣量值作為新圖像的象元值,製成熱慣量圖,用它來區分岩性。這是一種有發展前景的方法,但當前還處在試驗應用階段。表7-6是一些礦物及岩石的熱慣量數據(崔承禹,1992)

表7-6 三大岩類的熱性質

(據崔承禹,1992;其中*據Jadza)

(三)用高光譜分辨力多通道成像波譜儀資料來識別岩性

通過地物波譜來識別岩性常常因為植被、土壤的掩蓋,岩石風化與人為破壞、或者岩體岩層出露面積較小等種種因素而增加識別難度。提高圖像的光譜分辨力和應用更多通道的成象儀器是克服上述困難的一種技術選擇。即用窄波段、多通道、高光譜分辨力的遙感器來獲取地物波譜。如美國地球物理環境研究(GER)公司研製64通道機載高光譜解析度掃描儀(AIS)。其中0.4-1.0μm分為24通道,1.0-2.0μm分7個通道,2.0-2.5μm分32個通道,另一道用儲存陀螺儀信息。在6000m高成像時其地面解析度為12×22m。機載可見光-紅外成象波譜儀(AIS-2)劃分成高達220個波段,工作范圍為0.43-2.42μm,平均波譜分辨力為10nm。這樣的遙感資料,使得定量檢測單種或多種礦物存在以及編制相應圖件成為可能。其原理是:

第一,各種岩性和礦物都有一些可做為標志性的礦物,而這些礦物又都各有自己的波譜特徵(表7-7)。圖7-15是高嶺石、蒙脫石、伊利石和明礬石(它們都與熱液蝕變有關的標志性礦物)的波譜曲線。四種礦物的吸收谷都在2.2μm附近,其中高嶺石曲線的「肩部」在2.18μm處,明礬石的吸收谷在2.21μm,都落在TM-7波段內。根據石榴子石Fe³⁺離子在0.770.87μm處吸收的特徵,D.S.WindelerJr(1993)利用VNIR圖像數據,識別出石榴子石輝-石蝕變帶來。

第二,利用多通道的機載高光譜分辨力成像波譜儀獲得波譜曲線,與某些標志性礦物的實驗室實測的典型曲線對比,能半定量地確定標志性礦物的存在。由於AIS可以取得多達220個波譜數值,由它測得的波譜曲線更接近實驗實測得到的曲線。圖7-16是AIS的反射波譜曲線,其波長從2.0-2.3μm,波長間隔為0.01nm,共分為30個波段。其取樣點的位置見圖右側。從圖上方兩條波譜曲線與實驗室內測得明礬石的波譜曲線相比較,其形態很相似。可知這兩處分別是明礬石與高嶺石含量較高的地段。

第三,通過某些標志性礦物的檢測,來達到找礦和編制分布圖的目的。

表7-7 波長范圍和礦物標記

(據薛重生等)

圖7-15 2.0-2.5μm大氣窗口的實驗室波譜曲線

圖7-16 AIS反射波譜曲線

(四)用圖像的影紋和結構來解譯岩性

合成孔徑雷達(SAR)圖像的空間信息非常豐富。空間信息包括結構(紋理)、局部組織及形狀三類。影紋(或稱影紋圖案)是遙感圖像上很細小的幾何形狀。因為不同岩性的抗風化能力不同,發育其內的節理等構造裂縫的優勢方向,長度與密度不同,微水系(末級支流、沖溝等)的發育特點也不同。因而產生的影紋圖案也不一樣。廣西等地大片碳酸岩岩溶發育區,其TM、MSS圖像上影紋呈核桃狀、蠕蟲狀、花生殼狀等。可以根據各種影紋圖案不同,通過目視解譯來區分岩性。

通過付利葉濾波,根據遙感圖像結構進行岩性識別。R.G.Blom等人(1982)對雷達圖像增強處理研究認為岩性(岩類)識別,以付利葉帶通濾波較為有用。朱亮璞等人(1991)用付利葉功率譜法(即頻譜分析法)對岳陽地區SAR樣區進行連續頻譜取樣分析,得到頻譜功率譜曲線和功率分布曲線(圖7-17)。通過對曲線的研究分析,認為從曲線中可取得四點地學信息:①從功率譜角分布曲線的峰值確定能代表坡面、層面、斷裂面產狀的,產生最大散射的面的方位角,②確定兩個散射較強的面的夾角,③推算出樣區水系密度,④用功率譜角分布曲線與功率譜曲線兩者總的形態特徵,可以分析樣區的地形基本特徵。

(五)用多源地學信息資料識別岩性

利用遙感資料來識別岩性最基本的方法仍然是目視解譯。上述五種方法中,以多光譜遙感資料解譯岩性比較常用,技術也比較成熟。高光譜分辨力多通道成像波譜儀的應用,實際上是前者的發展,很有發展潛力。方法(三)、(四)則完全處在試驗應用的階段。多源地學信息資料識別岩性,近年來不斷取得進展。這部分內容將留在第十章第二節內述明。

圖7-17 岳陽冷家溪群板岩頻譜功率譜角分布曲線

㈥ 岩溶塌陷與地裂縫的調查

地球物理方法是一種成本低、效率高的有效勘探手段，對於岩溶、塌陷及地裂縫地區的勘探尤其顯得突出。其目的是與其他勘探手段相配合，以達到更迅速、經濟地取得正確而全面的地質成果。其基本任務是通過測定地質體的物理場的變化及有關物理參數，來探查隱伏目標地質體的分布與特徵。

11.2.3.1 調查中的地球物理方法

不同地質目標調查的地球物理方法見表11.4。由於岩溶發育區的地質條件差異很大，所以地球物理方法的使用也要「因地制宜」。從近年來國內外岩溶地質調查的方法應用情況來看，各種地球物理方法在一定程度上均可用於岩溶的調查和研究。

表11.4不同地質目標調查的地球物理方法

續表

11.2.3.2 地球物理方法的應用

(1)評價與監測由岩溶引起的地面沉陷

岩溶區溶洞的發育是造成地面沉陷的直接原因。為了有效地評價可能發生的地面沉陷，需要查明溶洞的發育規律和分布特徵。例如在美國北卡羅來納州威爾明頓西南17km處的一條鐵路干線時常出現地面沉陷直至崩塌現象。這一地區地質剖面自上而下分為砂層、粉砂粘土岩、薄砂岩和灰岩。引起地面沉陷和崩塌的直接原因是由於地下發育有直徑很小的岩溶管。岩溶管最初發源於灰岩中的小溶洞，然後逐漸擴展到上覆的粉砂質粘土層、砂層，直到地表。盡管這種岩溶管在地下的直徑很小，但一旦引起地面塌陷，其范圍可達到6～15m(直徑)。為研究和摸清該地區岩溶管的發育特徵，研究人員最初沿鐵路干線打了一百多口淺孔，但結果很不理想。為此，研究人員選擇了探地雷達進行試驗。初步的測量結果表明，雖然其探測深度達不到基岩的深度，但粉砂質粘土層頂部的形態特徵可作為指示地表沉陷的一個標志，而雷達可有效地探測到這一標志。通過鑽孔對探地雷達異常也進行了驗證，結果在異常處打到了岩溶溶洞。

繼該試驗取得成功之後，又開展了以探地雷達為主，結合地震折射和微重力的綜合地球物理測量。通過對不同測量結果的分析和對比，可較好地查明覆蓋層和基岩中是否存在著已有的或潛在的岩溶特徵。例如，若重力顯示出低異常且雷達剖面亦有異常反映，則在基岩中存在著溶洞，且上覆的蓋層中也發育有岩溶管特徵;若重力剖面有低異常而雷達剖面無異常反映，則表明基岩中有溶洞但尚未發育岩溶管。根據折射測量結果可確定出基岩的深度，並可判斷出有利於發生塌陷的強風化和溶蝕的基岩地段。此外，通過深入分析探地雷達剖面上的異常細節可以對岩溶的發育特徵以及可能發生的地面沉陷所處的發育階段進行正確的評估。

(2)探測礦區的地下硐室和礦山巷道

在開采區，地下硐室的探測已成為一項重要任務，地球物理方法在這一領域可發揮重要作用。國內外的資料顯示，地震方法，特別是高解析度地震反射法，電阻率法和一些放射性方法等可用於礦山開采中的地下廢巷道、硐室等洞穴的探測，並且有許多成功的應用實例。

美國科羅拉多大學利用地震方法對探測和定量描述廢棄的煤礦巷道進行了理論研究和實際探測。理論研究表明，三種物理效應使地震方法完全適用於洞穴的探測:①洞穴的直接反射或散射;②由洞穴共振誘發的二次反射或散射;③應力誘發的速度效應。其中第三種效應的實質內容是:空洞的存在會大大影響到其周圍的原始應力分布而誘發速度的變化。由於洞穴周圍的側向擠壓增強，使得洞穴上方傳播速度增大。這樣，用地震測量便可探測出地下洞穴。研究人員在美國中西部三個煤礦區作了野外測量，取得了較好的探測效果。美國堪薩斯州地質調查所利用淺層高解析度地震反射法探測煤層內的洞穴。利用地震反射法確定洞穴位置，在12次覆蓋的共深點剖面上，可以明顯地看到，洞穴與煤層相比，波的振幅較低、頻率較高、相乾性差、信噪比低，二者易於區分。地震測量結果得到鑽探的證實。此外在另一個實行水採的鹽礦上，直接探測到了地下50m深處岩鹽溶蝕形成的洞穴。

煤炭部科學研究院從20世紀80年代開始用二維自動地電阻率系統探測地下廢巷道、洞穴等。在門頭溝區，確定出了老窯分布。為驗證解釋結果，專門設計了驗證孔，結果兩個驗證孔都見到了老窯采空區，表明該方法的探測效果良好。

圖11.3一條隱伏裂縫的實測剖面

(3)確定裂隙破碎帶

地球物理用來圈定裂縫和岩溶帶主要方法是音頻大地電場法，它用來測量頻率在20～20000Hz間的大地電磁場的電分量，在隱伏的裂縫和空洞上，無論它們是否充填，都出現明顯的電分量E_x和視電阻率異常(圖11.3)。該方法在鏈子崖查出寬度幾厘米至幾米的隱伏裂縫5條，地表明縫的隱伏段13處，推斷出一條近南北向、長約200m、寬數米的隱伏岩溶發育帶。在隨後布置的距地表數十米的勘探平硐中，在所推測的岩溶發育帶的位置上揭露出岩溶盲豎井，水平截面3.4m×5.3m，向下可見延深約20m，證實了音頻大地電磁法成果的可靠性。

在評價危岩的破壞程度時，查明裂縫的下延深度是很重要的，為此作了井間聲波測量。在一條裂縫的兩側布置了兩個鑽孔，ZK1和ZK2，在一個孔內激發聲波，在另外一個孔中放置可貼壁的三分量檢波器進行接收，從孔口(或孔底)開始，以一定點距同步發射和接收信號，結果發現2～16m井段可以接收到可靠的信號，但走時逐漸拉長、振幅逐漸減小。從19m以下，完全無法辨認波形，再往下直至130m均收不到信號，如圖11.4(a)所示。

圖11.4裂縫的檢測

如果兩孔之間沒有裂縫，在2～4m深度內(覆蓋層)，接收信號應最小，走時最長。因為低速覆蓋層對彈性波的衰減大於基岩，在進入基岩後振幅應增大而走時縮短。實測結果與此相反，因此可推斷，在5m以下，從基岩頂部開始便存在至少一條以上張開裂縫，5～17m接收的信號是通過覆蓋層繞射或從地面反射至接收點的，如圖11.4(b)所示，故裂縫至少貫穿到150m，以上推斷得到了室內模擬試驗的證實。

(4)確定水庫區(湖區等)裂隙泄漏帶

可以利用自然電場法和電阻率法確定滲漏點或圈定泄漏帶，並且效果頗為明顯。在水庫、湖區滲漏地點上往往出現明顯的自電負異常。電阻率法的使用應根據實際情況採用不同的排列裝置。在美國佛羅里達州中西部興建了一些用於旅遊、農業的人工湖。由於地處岩溶區，人工湖出現嚴重的泄漏現象，為此使用了電阻率測量。測量結果顯示出與線性裂隙(是引起湖區泄漏的原因)有關的異常，由此成功地探測到泄漏地帶，這為後來採用的補救方案和措施提供了必要的信息。

㈦ 岩溶塌陷實時監測

雷明堂蔣小珍李瑜蒙彥

（中國地質科學院岩溶地質研究所，廣西桂林，541000）

【摘要】我國可溶岩分布面積達365萬km²，占國土面積的1/3以上，是世界上岩溶最發育的國家之一。近年來，隨著岩溶區城市化建設的飛速發展，岩溶區土地資源、水資源和礦產資源開發的不斷增強，由此而引發的岩溶塌陷問題日益突出，已成為岩溶區城市主要地質災害問題，嚴重妨礙城市經濟建設與發展。由於岩溶塌陷的產生在時間上具突發性，在空間上具隱蔽性，在機制上具復雜性，因此，被普遍認為難以採取地面常規監測手段，對塌陷進行監測預報。另一方面，試驗研究表明，岩溶水氣壓力變化對塌陷具有觸發作用，可以以此作為衡量塌陷發育的臨界條件。這就意味著通過對岩溶管道系統的水（氣）壓力的動態變化進行觀測，可以達到對塌陷進行預報的目的。本文以位於廣西桂林柘木村的岩溶塌陷監測站為例，探討這一技術的基本方法。

【關鍵詞】岩溶塌陷岩溶管道水（氣）壓力臨界水力坡度監測

1 研究區概況

研究區位於桂林市東南約15km灕江西岸柘木村（見圖1），面積約0.2km²，現有居民116戶。該區於1997年11月11日因灕江河道爆破引發嚴重塌陷，造成民房倒塌4戶、房屋開裂64戶。由於近年來塌陷仍在發展之中，時刻威脅著人民群眾的生命財產安全，所以，我們以此作為本項目的現場試驗場地，建立岩溶塌陷災害監測站，開展研究工作。1.1岩溶塌陷發育特徵

圖1研究區地理位置

柘木塌陷發生於1997年11月11日，首先是河漫灘發生2起塌陷，然後是柘木村10多處地面冒水噴砂（水柱高出地面3米多），接著就發生大面積的塌陷和地面開裂，形成塌坑35個，到1998年底形成塌坑共計50多個（圖2）。

圖2工作區塌陷分布圖

柘木村的塌陷平面形態絕大多數為圓形和橢圓形，僅有個別為不規則形；剖面形態以壇狀為主，除了位於河漫灘的基岩塌陷直徑（或長軸）達到30m、深14m以上外，村中的土層塌陷直徑（或長軸）從0.5m到10m不等、深幾十厘米到5m。塌陷在平面分布上具有明顯的成帶性和方向性，所有塌陷都是呈 NW向發育的，其中大多數塌陷又是沿f1和f2斷層成帶狀分布。塌陷在時間上的具有延續性，根據1986年、1996年項目組對桂林市塌陷的詳查，該區均無塌陷記錄，自1997年第一次發生塌陷以來，每年都有塌陷的發生。

1.2地質條件

研究區地貌上處於灕江一級階地和河漫灘的結合部位，覆蓋層厚度15～40m。其中，柘木村所在的一級階地覆蓋層可歸結為三元結構：上部為粘性土層，一般為粘土、粉質粘土和雜填土（含卵石和磚塊等硬質物）等；中部為砂卵石層，本層不含粘粒，以卵石為主，一般頂部有厚1m左右的砂層，局部有中粗砂的夾層；下部為混合土，以粘土卵石和卵石粘土層為主，兩者分界不明顯，經常互相交替，粘粒含量變化較大。ZK1鑽孔附近還夾有粘土層透鏡體，ZK4孔底部還見有厚約10m的軟土層。下伏基岩為泥盆繫上統融縣組灰岩（D_3r），是桂林市岩溶最發育、塌陷最多的地層。

1.3構造條件

研究區位於二塘向斜核部及NW向龍家斷層和NE向毛家斷層的交匯部位，其中 NW向的龍家斷層正好從柘木穿過。龍家斷層（f₁）是一條規模較大的斷層，早期為壓扭性，晚期表現為明顯的扭性—張性特點，它控制了灕江部分河道的走向，該斷層是一條富水斷層。

淺層地震物測顯示，柘木除發育龍家斷層（f₁）外，另外還發育一條走向也是近 NW向的斷層（f₂）（圖2）。

1.4水文地質條件

根據地下水的賦存條件，研究區地下水有兩類：第四系孔隙水和岩溶水。第四系含水層為砂卵石層，是當地農民生活用水的主要來源。岩溶水為桂林最豐富的泥盆繫上統融縣組灰岩水，與第四系孔隙水之間有一層混合土相隔，該層土主要由粘土卵石和卵石粘土組成，其隔水性一般至中等，岩溶水與第四系孔隙水具有較強的水力聯系。研究區為地下水的排泄區，第四系孔隙水主要靠大氣降水、地表水入滲、灕江和地下徑流補給；岩溶水主要由第四系孔隙水越流補給、降雨入滲、地下徑流以及灕江的補給，岩溶水一般具有微弱的承壓性。由於緊靠灕江，地表水豐富，除了使用手搖井或民井提取第四系砂卵石含水層的少量水作為飲用水外，研究區未進行過大量地抽取過地下水（包括岩溶水和第四系水）的活動，就是說，本區地下水受到人類活動的影響較小，其水位波動基本上主要受自然條件的影響和控制。

1.5人類活動條件

工作區人類活動類型單一，村中各戶均有手動壓水井，以滿足日常生活用水，井深小於10m，開采第四系砂卵石層中的孔隙水。

自1997年塌陷以後，工作區已完全停止爆破活動，因此，後來的新塌陷，均屬於受擾動的土體在自然條件影響下產生。

2監測預報思路

2.1岩溶塌陷發育機理與影響因素分析

根據現場調查分析，當時灕江中正在進行航道基岩爆破，導致地下河出口附近的基岩塌陷及由此產生的塌陷地震是引發後續大范圍塌陷的根本原因。

由於高壓水流的作用使工作區第四系底部土層受到了嚴重的擾動，大大降低了使之發生滲透變形的臨界水力坡度，降低土層的抗塌能力。地下水只要有較大的變動，就會引發新的塌陷。這是近年來塌陷不斷的根本原因，這與岩溶塌陷物理模型試驗的結果是一致的（圖3）。

圖3模型試驗圖示

新塌陷的產生主要受幾個方面的影響：

一是岩溶管道（裂隙）系統和第四系底部土層中的水氣壓力的變化：當岩溶管道（裂隙）系統的水氣壓力變化或作用於第四系底部土層的水力坡度達到某一定值時，第四系土層就會發生破壞，進而產生地面塌陷。目前，通過孔隙水壓力感測器和數據自動採集系統已完全可以記錄到岩溶管道（裂隙）系統的水氣壓力動態變化，並計算出作用於第四系底部土層的水力坡度。

二是第四系底部土層的組成與性質：組成和性質不同，發生滲透變形的臨界水力坡度就會不同。目前，通過現場鑽孔取樣和室內滲透變形試驗的方法，可以測定出不同土層發生滲透變形的臨界水力坡度值。

所以，我們可以通過對地下水（包括岩溶水—感測器 A、土層孔隙水—感測器 B）的壓力變化進行監測，達到對地面塌陷進行預報的目的。

2.2預測預報思路

基於以上認識，採取如圖4所示的研究思路開展工作，即：

圖4研究工作思路

（1）首先，以已有岩溶塌陷及其影響因素的調查結果分析為基礎，通過滲透變形試驗和土工試驗等分析測試，初步確定塌陷發育的臨界條件。

（2）通過感測器及數據採集系統，直接監測主要誘發（觸發）因素（包括岩溶水—感測器 A、土層孔隙水—感測器 B）的動態變化。

（3）結合地質雷達探測顯示的異常區，建立臨界條件的修正模型，使室內模型試驗與滲透變形試驗成果實用化。

（4）當主要誘發（觸發）因素的數值滿足臨界條件時，直接發出預報。

3塌陷發育的臨界條件試驗研究

以49組土樣滲透變形試驗結果為基礎，初步確定工作區3種類型土體發生塌陷的臨界條件（臨界水力坡降I₀表示）如表1所示，表中臨界速率是根據項目組以往對桂林岩溶塌陷模型試驗研究結果取得。

預報中，主要採用第四系底部土層的臨界條件作為判據。勘探結果表明，在整個工作區，第四系底部存在連續性較好的粘土卵石層，而且受過較強烈的擾動，因此，臨界條件為：I₀=0.79,V₀=0.06kPa/s。

預報時，通過兩種方法進行判斷：

（1）岩溶水壓力波動速率V與V₀的比較：當 V≥V₀時，基岩面附近的土層將可能發生滲透破壞，有產生塌陷的可能。

（2）由岩溶水壓力、土層水壓力以及兩個感測器距離計算出來的水力坡度（I）與臨界坡降（I₀）的比較：當I≥I₀時，基岩面附近的土層將可能發生滲透破壞，有產生塌陷的可能。

表1柘木塌陷的臨界條件

4監測技術與方法

4.1監測內容與監測方法

地下水（氣）壓力：包括岩溶管道裂隙系統水（氣）壓力監測和第四系底部土層水壓力，採用孔隙水壓力感測器進行監測，數據採集方式有計算機自動採集和便攜儀人工讀數兩種。

土層變形破壞：在工作區設置固定測線，定期採用地質雷達監測。

民房裂縫變化：對監測區民房裂縫設置監測點，定期測量裂縫變化，採用鋼尺監測。

民井水位：對工作區的兩個露天水井定期測量水深，採用測繩人工監測。

4.2監測設備

4.2.1感測器

振弦式儀器自20世紀30年代發明以來，由於其獨特的優異特性如結構簡單、精度高、抗干擾能力強以及對電纜要求低等而一直受到工程界的注目。然而，由於歷史的原因，振弦式儀器的長期穩定性一直是爭議的話題。直到70年代，隨著現代電子讀數儀技術、材料及生產工藝的發展，振弦式儀器技術才得以完善並真正能滿足工程應用的要求。目前，性能完善的弦式儀器已成為新一代工程儀器的潮流。為此，監測站全部採用振弦式孔隙水壓力感測器，由加拿大洛克泰斯特公司和美國基康公司生產。

4.2.2數據採集系統

為了實現數據的自動採集和遠距離傳輸，採用了美國基康公司生產的MICRO-10X數據自動採集系統以及由美國Canary Systems公司開發的數據採集軟體Multiloggorl.48，此外，還採用了美國基康公司生產的VW-403C攜帶型振弦式讀數儀。

4.2.3地質雷達

最早是在越南戰爭中為了探測地道而研製的地質雷達，20世紀80年代初期在美國開始用於潛在塌陷勘察，90年代在我國得到推廣。它是一種用於確定地下介質分布的廣譜（1MHz～1GHz）電磁技術，基本原理是：通過發射天線向地下發射雷達信號（頻率為80～1000MHz的高頻電磁波），再通過接收天線接收從地下不同電性界面上反射回來的信號。只要地下物體的介電常數有明顯差異，就會形成反射界面，電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電磁性質及幾何形態而變化。所以，根據接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷介質的結構。因此，地質雷達可以探測到地下土洞等土層擾動帶。地質雷達具有方便、快捷、准確地生成地下連續剖面的優點。

監測站採用美國的SIR-10A型地質雷達。

4.3感測器標定

為了建立水壓力與感測器讀數的關系，在室內，利用高3m的水箱以及深20m的地下水位觀測井進行感測器標定工作，建立各感測器的標定方程。

4.4感測器安裝方法

每個測點安裝兩支感測器，其中一支安裝在岩溶管道裂隙中，用於監測岩溶水壓力，另一支安裝在第四系含水層中（圖5），用於監測土層水壓力的變化。

4.5監測點布置

根據工作區岩溶塌陷發育特點、基礎地質條件以及柘木村中建築物的重要性和破壞程度，將工作區分為4個監測區，共設置16個監測點。其中，岩溶系統的水（氣）壓力和第四系底部土層孔隙水壓力監測點各8個、民井水位監測點2個、民房裂縫變化監測點4個、第四系土層變形破壞的地質雷達監測線12條，圖6給出各監測點（線）的位置。

圖5感測器安裝位置圖示

圖6監測區劃分與監測點布置圖

4.6數據採集

共有8支感測器採用Micro-10X數據自動採集系統進行數據採集，從2002年2月27日開始試運行，通過採集軟體（dataloggorl.48）對各感測器連接的通道進行設置，本項工作將讀數間隔為10分鍾。

採用攜帶型接收儀，對其餘的8支感測器進行數據採集工作，其中安裝在1^﹟、2^﹟、和3^﹟監測點的6支感測器從2000年3月3日開始監測，另2支埋設在4^﹟、5^﹟監測點土層中的感測器從2002年2月27日開始測量，感測器監測周期雨季為每天1次，平時為3天1次。

4.7土層擾動監測

通過地質雷達進行土層擾動情況的監測，在現場布置了12條測線，用地質雷達以相同的頻率進行測量，每年測量一次。

5監測結果分析

自2000年開始實施以來，地面發生異常13次，其中2000年9次、2001年2次、2002年也是2次，表2為工作區地面發生異常情況一覽表。

表2工作區2000年以來地面發生異常情況一覽表

續表

從表中可以看出，近3年來的異常主要發生在位於I區，其次是II區和III區，而且，異常出現以前，水壓力的監測均發生過突變，這種對應關系可以運用到塌陷預報之中。

由於2000年、2001年均採用人工監測，岩溶水（氣）壓力變化速度採用平均速度，無法得到瞬時速度，並以此預報塌陷。2002年5月16日唐朝息家出現的異常與ZK2、ZK5測點的壓力變化關系明顯，尤其是ZK5埋設了自動採集的感測器，監測到該點岩溶水壓力變化速度為0.0057kPa/s，與室內實驗得到的臨界值相差較大，但滲透坡降為0.5左右，已接近室內實驗得到的臨界值。

從監測結果看，在牆壁裂縫變形監測中，基本上沒有監測到變化，說明塌陷發育的突發性，通過裂縫監測難以達到預報目的。

6地質雷達探測結果

採用100MHz的地質雷達天線和連續掃描方式進行監測。2000完成首輪地質雷達探測1次，布置測線13條，2001年，對測線進行了優化，保留了原有測線8條、新增測線4條。

表3列出3次探測顯示的異常點位置。從表可見，2001年有異常43處、2002年降為36處，位於I區的1、2號線。2002年的異常點分別比2001年增加5個、8個，這與監測 I區的ZK、ZK7、ZK8具有超過臨界速度的水（氣）壓力波動速度有很好的對應關系。

2002年探測結果顯示，在1^﹟線的30～40m、2^﹟線的41～47m和10^﹟線的0～3m位置，土體擾動已接近地面，極有可能產生新的塌陷。

表3地質雷達探測結果對比表

續表

續表

續表

7結論

通過本項研究，建成了國內第一個數據自動採集的岩溶塌陷災害監測站，初步建立了岩溶塌陷預測預報的技術體系與方法，近3年的監測工作表明：

（1）在目前的技術條件下，地下水的活動而引發的岩溶地面塌陷是可以進行預測預報的。

（2）岩溶塌陷發育臨界條件的確定、監測因素的選擇、感測器的安裝埋設，以及數據自動採集系統的應用，是開展塌陷預測預報工作的關鍵。

（3）本項目採用以岩溶管道裂隙系統中的水（氣）壓力以及第四系孔隙水壓力變化的監測為主、地質雷達監測為輔的方法，是一個有效的預測預報方法。在監測期間發生12次地面異常，均與異常點附近監測點的岩溶水/氣壓力突變和第四系底部土層受到較高的滲透力作用有關。

（4）從感測器監測結果看：

a.Ⅰ區是最危險的地區，岩溶水/氣壓力變化最為強烈，2002年岩溶水/氣壓力的變化速度達0.47kPa/s，而作用在第四系底部土層的地下水滲透坡降為0.17～3.12，超過了臨界條件，因此，該區是最危險的地區。

b.Ⅱ區2000年、2001年作用在第四系底部土層的地下水滲透坡降為0.55、0.79,2002年滲透坡降達0.78、岩溶水/氣壓力變化速度為0.085kPa/s，也達到了臨界破壞條件。

c.Ⅲ區的地下水滲透坡降較小，2000、2001和2002年分別為－0.3、0.52和0.44。

d.Ⅳ區的地下水滲透坡降較小，為－0.44，岩溶水氣壓力變化速度為0.012kPa/s。

（5）地質雷達可以及時有效地發現土層的淺部異常點，連續三年的探測結果表明，2001年有異常43處、2002年降為36處，位於I區的1、2號線2002年的異常點分別比2001年增加5個和8個，這與監測I區的ZK、ZK7、ZK8具有超過臨界速度的水（氣）壓力波動速度有很好的對應關系。其他各線的土層仍處在調整中。

（6）地質雷達發現了1線的30～40m、2線的41～47m和10線的0～3m共3個位置，土體擾動已接近地面，極有可能產生新的塌陷。

（7）監測結果顯示，通過牆壁裂縫的人工監測，沒有明顯變化出現。

㈧ 岩溶塌陷調查與監測技術

一、內容概述

岩溶塌陷的產生在時間上具突發性，在空間上具隱蔽性的特點，常規的地面變形測量手段往往難以達到對岩溶塌陷監測預報的目的，正因為如此，長期以來，岩溶塌陷的監測預警問題一直是國際上極具挑戰性的課題。本成果從岩溶塌陷發育的機理研究入手，明確了岩溶水的動態變化是工作區塌陷的觸發因素，即當岩溶管道裂隙系統的水（氣）壓力變化速度、幅度或作用於第四系底部土層的水力坡度達到某一定值時，第四系土層就會發生破壞，進而產生地面塌陷。以此為基礎，首次提出了以岩溶管道系統水（氣）壓力變化和第四系孔隙水壓力變化監測為主，地質雷達、光纖感測監測為輔的岩溶塌陷監測技術與方法，初步形成了岩溶塌陷預測預報技術方法體系。該技術包括以下幾個方面：

1.岩溶塌陷發育的動力學判據測試技術

在岩溶塌陷形成演化過程中，岩溶地下水運動是最為關鍵的觸發條件。當岩溶管道裂隙系統的水（氣）壓力變化速度、幅度或作用於第四系底部土層（岩溶充填物）的水力坡度達到某一定值時，第四系底部土層就會發生破壞，形成土洞，進而產生地面塌陷。將岩溶管道裂隙系統中水（氣）壓力的變化速度和作用在基岩面附近土體的水力坡度兩個參數作為觸發岩溶塌陷發育的臨界條件指標。這些數值可以通過模型試驗（圖1）和滲透變形試驗獲得。為此，建立了以大型物理模型試驗和不同類型原狀土樣滲透變形試驗為代表的岩溶塌陷臨界條件分析測試成套技術。

2.岩溶塌陷動力監測技術

通過孔隙水壓力感測器和數據採集系統技術的應用，實現對岩溶管道裂隙系統的水（氣）壓力的實時監測，獲取監測區岩溶管道裂隙系統水（氣）壓力變化速度、幅度和第四系底部土層（岩溶充填物）的水力坡度等數據，通過綜合分析，預測岩溶塌陷的危險性。（圖2）

3.岩溶土洞形成分布式監測

包括光纖感測包括BOTDR（布里淵光時域反射）、OTDR（光時域反射）和同軸電纜時域反射（TDR），把光纖（同軸電纜）沿測線埋設在土體中，土體的變形、破壞將會引起光纖（電纜）發生相應的應變甚至斷點，因此通過測量光纖（電纜）不同位置的應變數或斷點位置，就可以計算出相應位置土體的變形量或破壞位置、規模，達到對岩土體變形破壞連續監測的目的，通過綜合分析，獲取測線不同位置的土體變形量，進而確定潛在塌陷的位置和規模。

4.岩溶土洞地質雷達監測技術

用地質雷達沿固定測線定期掃描，通過結果比對，直接圈定異常區，可實現對埋深10m以內、直徑1m以上土洞或土層（圖3）。

圖1 岩溶塌陷模型試驗

圖2 岩溶塌陷動力監測

圖3 岩溶土洞地質雷達監測

二、應用范圍及應用實例

應用范圍：本項目成果具有廣闊的推廣應用前景，所建立的岩溶塌陷監測預報理論、技術和方法可推廣到城市岩溶塌陷地質災害監測預警、工程場地岩溶塌陷危險性定量評價、岩溶區地下水資源安全開采監控、岩溶大水礦區岩溶塌陷監測預警等工作中。

應用實例：廣西桂林岩溶塌陷監測站、廣州市岩溶塌陷監測示範站、廣西貴港西二線岩溶土洞監測站。

已製作電視專題片《預警岩溶塌陷》。

三、推廣轉化方式

主要包括：宣傳報道、會議交流、人員培訓、技術咨詢。

四、技術依託單位

技術依託單位名稱：中國地質科學院岩溶地質研究所

聯系人：王珽雷明堂

通訊地址：廣西省桂林七星路50號

郵政編碼：541004

聯系電話：13517731392，0773-5837272

電子郵箱：[email protected]，[email protected]

㈨ 岩溶注漿中用水玻璃該怎麼檢測

涌水段施工首先根據地質素描、超前鑽探和設計文件及地質調查資料，在明確涌水水源補給、水質、涌水量、水壓等情況後，採取先治水後開挖原則。根據超前探水孔出水空數及出水情況確定有針對性的治理方案。施工中嚴格遵循：「管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、勤測量、早封閉」的原則進行施工。堵水措施：對於灰岩地段或斷層破碎帶採取全斷面帷幕注漿技術進行封堵。超前帷幕注漿是通過在掌子面鑽注漿孔，向孔內壓注水泥或水泥-水玻璃等漿液，將開挖面及其周圍一定范圍內的岩石裂隙水擠出，保證圍岩裂隙被具有一定強度的混合漿液充填密實，並與圍岩固結成一體，形成止水帷幕。超前帷幕注漿，每一循環長度30m，漿液擴散半徑為3.6m。對於局部涌水地段採取局部超前預注漿技術進行封堵。局部超前預注漿根據實際的岩溶管道位置、大小、地層孔隙率及漿液擴散等來確定注漿孔。固結范圍為開挖線及岩溶管道線外5～6m，漿液擴散半徑為3.6m。施工工藝：（1）孔口管安裝：先用管棚鑽機鑽引導孔，孔深3.2m，再將直徑φ108mm，長3m孔口管插入，外露20～30cm，管壁與孔口處用麻絲填塞，再向孔內注雙液漿固結。對無水地段採用干硬性早強砂漿堵塞定位，涌水地段孔口管的埋設採用增強型防水劑和水泥配製的固管混合料來定位固管，埋設時將固管增強型防水劑與水泥按比例摻合拌攪均勻，裝入數個塑料袋，將裝有拌合料的塑料袋塞入出水孔內，再用堵塞物將孔口堵住，並頂入孔內，將孔內混合料塑料袋擠破，固管混合物遇水成漿，竄入管與孔壁之間，瞬間凝固將孔口管固定。孔口管在壓力水中固位一定時間後即可鑽孔或注漿。（2）鑽孔：鑽孔要點：先在掌子面用紅油漆按設計標定孔位，再移動鑽機，將鑽頭對准孔位，並按該孔偏角調整鑽機角度後固定，開孔時做到輕加壓，速度慢、給水要多的操作要點。（3）制漿、注漿：根據選定漿液的配合比參數拌好漿液，其中水泥漿拌好後用1×1mm網篩過濾，放入葉片立式攪拌機進行二次攪拌，確保漿液均勻。注漿方法主要有自掌子面向內的分段前進式；自內而外的後退式灌注法；綜合灌注法；全孔一次灌注法；小口徑鑽孔孔口封閉灌漿法等。（4）水壓試驗：注漿管路按上圖進行連接，並壓水檢查注漿管路的密封性，同時沖洗岩石裂隙，擴大漿液通路，增加漿液充填的密實性。