岩溶检测方法

㈠ 什么叫平均线岩溶率

平均线岩溶率就是多条测线的平均。

对于特定可溶岩体而言，其在岩溶作用下产生的各种空隙的体积所占岩土体体积的比值。在数值上与岩体的容水度、孔隙度、裂隙率相等。

工程地质学（Engineering Geology）是研究与工程建设有关地质问题的科学（张咸恭等着《中国工程地质学》）。

工程地质学的应用性很强，各种工程的规划、设计、施工和运行都要做工程地质研究，才能使工程与地质相互协调，既保证工程的安全可靠、经济合理、正常运行，又保证地质环境不因工程建设而恶化，造成对工程本身或地质环境的危害。

工程地质学研究的内容有：土体工程地质研究、岩体工程地质研究、工程动力地质作用与地质灾害的研究、工程地质勘察理论与技术方法的研究、区域工程地质研究、环境工程地质研究等。

岩土工程（Geotechnical Engineering）是土木工程中涉及岩石和土的利用、处理或改良的科学技术（国家标准《岩土工程基本术语标准》）。

岩土工程的理论基础主要是工程地质学、岩石力学和土力学；研究内容涉及岩土体作为工程的承载体、作为工程荷载、作为工程材料、作为传导介质或环境介质等诸多方面；包括岩土工程的勘察、设计、施工、检测和监测等等。

㈡ 地面塌陷监测要点

1.地质雷达监测

岩溶地面塌陷的产生在时间上具有突发性，在空间上具有隐蔽性，因此，对岩溶发育地区难以采取地面监测手段进行塌陷监测和时空预报。美国学者Benson等曾在北卡罗莱纳州威明顿西南部的一条军用铁路沿线进行过地质雷达探测溶洞并进行预报的试验。该项工作从1984年开始，共历时3年。试验中，每隔半年用地质雷达以相同的频率(80MHz)、相同的牵引速度沿1113m的铁路线扫描一次，通过不同时间探测结果的对比，圈定扰动点并做出预报。结果表明，地质雷达因能提供具高度可重复性的监测资料，完全可以达到对塌陷进行长期监测的目的。然而，由于地质雷达设备昂贵，探测成本较高，难以在监测中广泛应用。此外，可用于岩溶地面塌陷的探测方法和仪器还有浅层地震、电磁波、声波透视(CT)等。

2.地理信息系统(GIS)技术的应用

近年来，地理信息系统(GIS)技术的应用，使得岩溶地面塌陷危险性预测评价上升到一个新的水平。利用GIS的空间数据管理、分析处理和建模技术，对潜在塌陷危险性进行预测评价，已经取得了良好的效果(雷明堂等，1998)。但这些预测方法多局限于对研究区潜在塌陷的危险性分区，并没有解决塌陷的发生时间和空间位置的预测预报问题。某些可引起岩溶水压力发生突变的因素，如振动、气体效应等，有时也可成为直接致塌因素，甚至在通常情况下不会发生塌陷的地区出现岩溶地面塌陷。因此，如何进行岩溶地面塌陷的时空预测预报已成为岩溶地面塌陷灾害防治研究中的前沿课题。

㈢ 岩溶地下水远程监控系统

一、内容概述

2005年以来，通过地质调查项目的实施，逐步在我国主要岩溶区建立了岩溶地下水监测站近30处，代表了多种岩溶地貌或岩溶环境类型的岩溶地下水，如贵州茂兰原始岩溶森林环境类型（3处），广西弄拉岩溶人工次生森林环境类型（1处），云南昆明青龙洞高原岩溶类型（1处），重庆金佛山高山岩溶类型（2处），广西桂林丫吉和寨底、广西柳州融安官村岩溶石山类型（3处），广西桂林毛村外源水岩溶地下河流域（4处），湖南湘西龙山洛塔和凤凰大龙洞、重庆青木关岭谷型岩溶类型（3处），山西汾阳北方岩溶大泉类型（1处），湖北兴山香溪河流域深切岩溶峡谷地貌类型（1处），珠江流域地表水（11处），长江流域地表水（1处），黄河流域地表水（1处）。所监测的岩溶地下水类型包括：岩溶泉、岩溶地下河和岩溶流域地表水。泉水和部分地表水监测站基本实现在线监测，其中7处实现了远程监测和数据实时传输。

建立了监测数据管理平台，对海量数据进行管理，最终达到数据共享目标。

1.基本原理和理论

整个系统分为室内用户和野外探测两部分（图1），通讯公司的GPRS网络和互联网络是两个部分的连接桥梁。野外部分内含自动化监测和数据存储，但网络系统发生故障时，可到现场采集数据，正常情况下，用户可以远程监控系统运行情况、下载数据和进行远程设置（图2）。数据采集和发送系统为针对该型号的探测系统设计，具有适用通讯讯号强度范围大、工作状态稳定的优点。通讯讯号弱导致传输系统工作不正常，是制约远程监控的关键技术。

图1 远程监测系统工作原理示意图

2.技术特点

目前，岩溶地下水自动化监测中使用的仪器包括：

在线监测仪器：美国产MANTA系列（图3）：pH、Ec、T、水位、降雨量，可选择配备电极，监测约30种指标；

图2 中国岩溶碳汇监测网远程监控系统

图3 MANT 多参数仪和数采系统室内调试

澳大利亚产CDTP300：pH、Ec、T、水位、降雨量等。

便携式仪器：德国WTW公司multi 340i：pH、Ec和T，精度分别为0.01、1μs/cm和0.1℃等；

德国Merck公司生产的钙、碱度试剂盒，精度分别为2mg/l和0.1mmol/l。

监测指标

现场监测指：标流、量降雨、量pH、值T、EC、

、Ca²⁺（叶绿、素蓝绿…藻）。等

水质分析指标：DIC、DOC、TOC、简分析，全分析，同位素（C/H/O），或单个元素（Sr…）

根据研究目的不同，可对监测参数进行调整。自动化数据采集间隔可以任意设置，一般设置为每15分钟记录一组数据。

二、应用范围及应用实例

岩溶地下水监测成果主要用于研究地下水的动态变化，分析岩溶系统结构和调蓄功能；进行水资源评价；研究人为活动对地下水的影响；地下水污染研究；岩溶碳汇估算等方面。目前，所监测的数据被广泛用于水资源评价，岩溶碳汇计算，岩溶系统结构研究，岩溶水评价模型构建，地下水示踪，和地下水污染评价等研究工作中，取得了较多成果。这项技术在业内同行中得到广泛推广和采用。

例如，利用该技术详细研究了贵州茂兰岩溶森林区碳汇和水循环过程。

三、推广转化方式

岩溶地下水自动化监测成果除被应用于上述流域外，监测站还可以作为科研和教学基地，提供学术参观、会议交流和培训场地，现场展示和推广，提高世界自然遗产地和旅游区的科学研究水平，具有科学普及功能。

四、技术依托单位

技术依托单位名称：中国地质科学院岩溶地质研究所

联系人：王珽何师意

通讯地址：广西省桂林市七星路50号

邮政编码：541004

联系电话：13517731392，0773-5845691

电子邮箱：[email protected]，[email protected]

㈣ 如何准确判别桩基范围内岩溶的分布及发育情况

桥梁桩基施工中溶洞处理方法 桥梁桩基础施工中,遇到溶洞的情况并不少见，作为地下隐蔽工程,给施工带来很大困难, 如处理方法不当,往往会造成掉钻、卡锤、埋锤、梅花孔、漏浆、塌孔等事故发生,甚至威胁桥梁运营安全。因而充分了解桥区桩位所遇溶洞的发育规律、基本形态、规模大小、溶穴顶板岩层厚度、完整性、洞内充填物形状等,采取稳妥的措施,保证施工的顺利进行,十分重要。京珠高速公路粤境南段大镇至广州太和段全长122. 34km ,路基宽3315m ,许多桥梁均通过岩溶区。其中第19 标段处于南岭中南段,地质构造上属于华南褶皱带的一部分,区域地质构造轮廓主要有NE 向及EW向构造带。3 座立交桥桩基设计为嵌岩桩,均处于石灰岩地区。设计地质资料显示有少量小溶洞,但在施工中发现地质资料不准确。通过地质补钻揭示溶洞发育,洞内漏水,分布复杂,最大洞高约5m ,溶洞层数多达5 层。钻孔施工过程中发生过漏浆、地面塌陷等事故,增加难度且影响进度。 工程勘察对溶洞区桩基施工前一般采用物探或其它如电磁波层析CT 探测等方法探明溶洞的具体情况。因此,在施工首根桩时发现地质情况与设计资料出入较大后,选择逐桩超前钻探,并按设计桩尖标高在完整基岩内加深5m ,确保桥梁的安全可靠性。
下面简要介绍和总结下国内其它大型桥梁桩基施工中溶洞的处理方法：
（一）广和大桥主桥基础溶洞处理
广和大桥位于广州市白云区石井镇鸦岗村的白坭河水道上，大桥全长791m，桥宽36m，最大跨径120m。其基础采用钻孔灌注桩，其中：φ150cm64根，φ200cm44根，共108根。施工总工期22个月。本桥位地质属于第四纪沉积层覆盖之下，基岩主要为石灰统壶天灰岩。这些石灰纪地层沉积成岩以后，经历了漫长的地质年代和多次构造运动，形成北东向褶皱，并有大致平行于褶皱轴向的纵断层和大致与之垂直的横断面层。后来经历了侵蚀和剥蚀作用，并在地下水的化学和机械作用下形成一系列岩溶地貌，最后在第四纪全新世珠江三角洲最后一次海侵中，形成以冲积相为主的第四纪松软沉积层。从地质资料分析，溶洞分布较广。主桥位溶洞分布广而多。在桥位方案论证中，第一方案，28个钻孔，有12个发现了溶洞；第二方案，28个钻孔，有17个发现溶洞；第三方案，28个钻孔，有11个发现溶洞，最大的溶洞约16m。溶洞按其填充状态可分为空的、半填充的和完全填充的三类：按其填充物的性质可分为粘性土、砂砾和稀土三类；按其漏水情况可分为漏水和不漏水两类。溶洞的走向与河流的流向相同。根据上述地质条件，从技术、经济等方面经过比较，选择了静压化学灌浆法、套内护筒法等施工技术配合使用处理溶洞，取得预期的效果，推介如下。
1主桥桩基对溶洞的处理：主桥桩基精确放样后，在桩基施工上用地质钻于桩中心进行超前钻，必要时增加钻位。根据超前钻的结果，确定护筒的打入深度。有溶洞的桩位，护筒沉至风化岩层，置于强风化岩面上，这样可穿过土洞。护筒的底部即为岩层或溶洞的顶部。没有溶洞的桩，护筒沉放要穿过淤泥质亚粘土、砂砾层，置于砂砾质亚粘土层至少2m深。根据溶洞的不同类型，最后决定兼用两种不同的施工方案。图1布孔平面及剖面示意方案a当溶洞内有填充物填满或有流砂的，或当溶洞为空洞或填充物不满（水洞）且深度在3m以内的，在钻孔桩施工前先进行预处理，采用静压化学灌浆法固填充物和流砂，或用此法填满溶洞，在固结体达到一定强度以后再钻孔施工。方案b当溶洞为空洞，且深度在3m以上的，拟用套内护筒法施工，即用内护筒穿过溶洞的施工方案。
2方案：a方案，b施工方法
2．1方案a（静压化学灌浆法）施工方法
2．1．1技术要求
溶洞预处理的目的是为了加固溶洞填充物和填满溶洞空间并达到一定的强度（20mpa以上），防止钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔等情况的发生，保障成孔及水下混凝土浇注等一系列施工工序的顺利完成。溶洞预处理施工，在钻孔桩施工之前进行，相当于在桩基础施工过程中，于钻孔桩施工工序之前加入一道预处理工序，与桩基施工的各工序一起形成流水作业。图2用钻机钻头钻杆压沉内护筒示意单位：cm
2．1．2施工方案
（1）处理方法选择由于溶洞埋藏较深，不能用爆破或填充混凝土等一般方法处理，有效的处理方法是灌浆法。而在众多的灌浆法中，因溶洞的不规则性，决定了其处理的最有效和比较经济的方法是静压化学灌浆法。因此，采用静压化学灌浆法，同时也可兼用喷射灌浆法，促进填充物强度的加强。
（2）静压化学灌浆的加固特点浆材可在几秒或在几十秒内瞬间凝固，可控制浆液灌注在一定范围内且不流失，材料的利用率高，比较经济。浆材的结石率为100％，即1m3体积浆材可得1m3结石体。对溶洞中的砂、砾等土体，浆液是通过渗透作用板结砂和砾的；对于溶洞中的稀土、亚粘土等土体，浆液是通过劈裂、挤密作用加固土体的；对于无填充物和半填充溶洞的空间，浆液是通过充填作用填满溶洞的。浆液在土体中的渗透扩散方向是往小主应力面方向，浆液固化后，小主应力面得到加固，而原次小主应力面变成小主应力面。这样，通过对小主应力面反复不断的加固，一方面渗透、挤密溶洞中的土体的空隙，充填溶洞的空间，在桩体周围形成防水帷幕，防止流砂和保证护壁泥浆不流失；另一方面，提高溶洞中土体的承载力和抗剪力形成挡土墙，防止坍孔。
静压化学灌浆的关键在于浆材的和工艺。
图3内护筒底部及顶部灌浆封缝示意单位：cm（3）工艺设计
布孔：在超前钻有溶洞的桩位四周均布4个灌浆孔（见图1）。
钻孔：孔径80mm，孔深要求达到最深溶洞的底部。
材料：普硅425＃水泥（新标准为普硅32．5mpa水泥）与化学浆。
工艺：采用双液灌浆系统进行全孔灌浆，要求少量多次、反复灌浆。
2．1．3主要施工机械设备
主要机械设备有：bw250泥浆泵，bw150泥浆泵，100型钻机，泥浆搅拌机和贮浆槽，高压灌浆管及其配件。
2．2方案b（套内护筒）施工方法2．2．1内护筒长度的确定护筒长度l＝h＋3（m）（h为地质超前钻确定的溶洞高度）
2．2．2内护筒内径的确定内护筒内径应大于φ220cm，同时外径应小于外护筒内径5cm左右，如果只下一次内护筒（一层溶洞），内护筒内径选用233cm，壁厚为1cm，则外径为235cm（主桥外护筒内径为240cm）。当遇到第二层溶洞时，第二层溶洞的内护筒（即第三次护筒）选用220cm内径。
2．2．3溶洞顶部冲孔
根据超前钻的资料，当钻孔施工接近溶洞顶部时，提起钻头、钻杆，移开钻机（gps－30），采用冲击钻机ykc－30冲孔，冲孔钻头外径235cm。用冲击钻冲孔时，要求轻锤慢打，使孔壁圆滑坚固，提升高度一般不超过50cm。所有卡扣及钢丝绳必须先经测试检查，其它施工工艺及注意事项与常规相同。
2．2．4内护筒的沉放方法
（1）当冲击穿过溶洞顶部时要反复提升冲锤，在顶部厚度范围上下慢放轻提，冲锤不明显受阻碍，说明顶部已成孔并且是圆滑垂直的，此时用钢丝绳活扣绑住内护管，用吊机（或冲机自吊）把内护筒放入外护筒内至孔底。到孔底后，内护筒不会靠自重沉到溶洞底部（因溶洞底有沉渣、沉淀物等）。此时，gps－30钻机重新就位。
（2）护筒沉设利用gps－30钻机进行，在钻机的钻杆上附加压架，利用钻机的钻进压力和钻杆、钻头的重量，使内护筒随钻头的钻进而下沉，直到溶洞的底部（如图2）。
2．2．5内、外护筒间空隙及内护筒与溶洞底部间空隙的处理
（1）在内护筒底部及顶部100cm范围内回填砂、碎石，中部回填中砂（见图3）。
（2）用高压喷射灌浆法（施喷法）对回填体进行灌浆处理。灌浆后，内护筒上下两端空隙被砂、碎石及浆液冲填固结，固结强度要求达到30mpa，其抗渗系数可达10－7m／s。灌浆处理后，即可重新冲孔。
（3）在内护筒顶部及底部100cm范围内回填小碎石素水泥混凝土，内护筒中部回填砂，同样能起到堵塞空隙的目的。
（4）对于需要处理多层溶洞的桩基，一般仍采用上述灌浆法填充固结空隙进行施工。目的是为了增加溶洞底部（同时有可能是下层溶洞的顶部）附近填充物的密度和强度，并且增加内、外护筒间的胶合力。
（5）重新冲钻，直至嵌入完整基岩。当符合设计及规范要求时，经监理工程师同意即可终孔，此桩即成孔。成孔后的工序工艺与常规相同，并不赘述。
3结语
3．1根据溶洞的不同类型，用方案a、方案b进行分类处理，处理方法可靠，各项技术指标均能满足设计要求。
3．2化学灌浆法对溶洞的预处理达到预期目的，有效防止了钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔现象，可保证成孔及水下水泥混凝土浇注等工序顺利完成。套内护筒法要求对施工过程的每个环节（从确定内护筒长度、内径到沉放方法乃至内外护筒间空隙、内护筒与溶洞底部间空隙的处理）都必须落实到位，便可顺利成孔。
3．3只要对其施工过程严格把好技术关，可有效缩短工期，保证了工程质量与经济效益的双赢。
（二）广州花都新雅桥
广州花都新雅桥位于新华镇建设南路与雅瑶镇交界处，是连接城区重要交通纽带。由于地质情况复杂，地下溶洞有3种情况：①覆盖层中的土洞内一般有充填物，但不密实，空洞范围一般不大；②基岩中的小溶洞，洞内无充填物，或有充填物，但不密实，即小空洞；③基岩中的大溶洞，洞内无充填物，或有充填物，但不密实即大空洞。
溶洞桩基施工方案：
1、对①、②两种情况，要求施工采用常规的溶洞处理方法，即洞顶打穿后抛填粘土、碎石、整包水泥后冲挤压密实，凝固后复冲。
2、对③种情况，则要求施工先进行溶洞内的充填加固，把土、溶洞用水泥、粉煤灰浆填满，7天后再进行成孔。对少量上面覆盖层地质较差的、砂砾层很厚的、一旦漏浆会塌孔情况，则采用加打钢护筒护壁措施。
溶洞桩基处理方案：
1、对于封闭的比较小的溶洞，采取注浆措施，提供成孔条件穿过溶洞。若洞内无填充物，则采取先填充碎石或干砂，然后注浆；若充填物呈软塑状态时，直接注浆固结。
2、溶洞内无填充物需向洞内填充砂子的，选择一个合适的孔位，放入并固定钢套管，将注砂管与钢套管相连接，在注浆前灌砂。用压风机将干砂压入，为防止洞内高压阻止灌砂，利用其它孔作为减压孔。待达到计算的填充体积，压力稳定，即可停止。
3、对于一些溶槽、溶沟、小裂隙等，冲孔时可采取投放片石、粘土，甚至投入整袋水泥堵塞起到护壁作用，保证泥浆不流失，使钻孔顺利通过岩溶区。
桩基套管钢护筒要求
φ1200mm桩的套管钢护筒的内径为1350mm，采用10～12mm厚的钢板卷制而成。采用的钢护筒长度为24～32m，分节运到现场。有大溶洞需要打钢护筒的桩基，先用φ1350mm的桩机锤成孔至溶洞顶，采用60kW以上的振动锤和25t以上的吊机配合打设钢护筒。钢护筒采用分节吊装焊接，分节高度为8．0～10．0m，孔口对焊，振打入桩孔内，一般每节振打只需5～20分钟。
实施情况：
施工过程中，曾发生过以下几方面的情况，按相应要求采取了岩溶地区桩基冲桩施工技术处理，取得很好的施工效果：
1、原设计桩底岩层不好。多次遇到冲孔快到终孔标高时，但岩样不是微风化岩，不能终孔，需超前钻取样重新确定桩底标高。
2、意外跑浆。地质资料揭示无溶洞或只有很小的溶洞，但突然发生跑浆，估计是挤破了旁边大溶洞的洞壁，或小溶洞与旁边的大溶洞是相连的。采取投放片石、碎石夹粘土，甚至投入整袋水泥堵塞起到护壁作用，使钻孔顺利通过岩溶区。
3、遇到岩面是斜面，发生了偏孔，应低锤轻冲击、慢冲击，要多次抛块石纠斜，因为打斜岩应低锤轻冲击、慢冲击。
4、遇到较大的土洞、空溶洞时，或连体薄层深洞迅速跨塌，出现掉锤现象，在快到溶洞项板2m距离位置时应低锤轻冲击、慢冲击，减少溶洞大面积跨塌锤现象。
5、遇到混凝土卡管及混凝土不合计量的现象，测试分析混凝土由于坍落度为12cm及施工人员未用水冲洗湿润管，混凝土和易流动性差是造成塞管的原因，混凝土坍落度以18～22cm为宜；浇筑导管必须密闭良好，浇筑时先放置隔水塞，浇注混凝土必须连续、快速；混凝土灌注与计算偏大是孔中有浆浸入溶洞，在溶洞地区浇筑桩基混凝土应增加，备料应不少于十立方米。
施工验桩结果：
整座桥桩基的质量是符合设计要求的，达到优良级标准（超声波检测结果一类桩占98％以上，其余也均为合格桩）。尽管岩溶地区地下情况千变万化，但通过我们的认真分析，采取有效的岩溶地区桩基冲桩施工技术对策、措施来处理施工，做好超前钻孔，重点注意冲桩成孔，控制灌注混凝土，岩溶地区桩基冲桩施工质量安全也是容易控制的。
通过本工程的实践，我们认为：岩溶地区桩基冲桩施工的施工技术措施，应做好超前钻孔，重点注意冲桩成孔，控制灌注混凝土，一定能达到我们施工的期望。
（三）京珠高速公路靠椅山至大镇段
京珠高速国道主干线粤境南段靠椅山至大镇段54座桥梁中，有17座处于溶洞地区。其中练屋中桥、坝子中桥和横石水大桥岩溶极为发育，桩的垂向溶洞个数为1 ~ 13个，其中最大的达22.1m。溶洞内有的有充填物，多为亚粘土或亚砂土；有的为半充填或无充填(空洞)；有的溶洞不漏水，有的为半漏水。在这桥梁施工中，遇到许多问题，经采用相应措施，比较圆满地完成了桩基的施工任务。
2 溶洞地质桩基的施工方法
2.1 常规成孔法(按照无溶洞地质考虑)
当溶洞内有充填物，是可塑或软塑的亚粘土，并且溶洞不漏水，这时不官溶洞有多大，也不管溶洞垂向数量多少，都可以不考虑溶洞的存在，而按照正常的地质情况施工。可以采用人工挖孔或冲击钻成孔。练屋中桥大多数溶洞内充填物为亚粘土，物理力学性质较好，湿密度1.88g/cm3，天然孔隙比为0.899，塑性指数为12.3%，容许承载力为190kPa，洞内的土质和溶洞外的土质没有什么区别，可以按无溶洞的情况施工。练屋中桥和横石水大桥在桩的上部采用人工挖孔，自地表挖至11 ~ 17m时，已经穿透了透水层和一些溶洞，施工没有受到溶洞的影响。再往下改为冲击钻成孔，也不骨出现漏浆和坍孔现象，按照正常的地质情况施工。
2.2 片石粘土筑壁法
溶洞内无充填或半充填，溶洞高度不太大，一般在3m以内，但存在严重漏水,护筒内水头高度不能保持时，可采有片石加粘土(按1:1体积比)回填冲击，使其形成泥石护壁。反复多次回填片石粘土，反复冲击直至形成泥石护壁不再漏浆为止。练层中桥和横石水大桥大部分桩基是采取这种方法成孔的，这也是个比较成熟的施工方法。粘土片石筑壁法施工时，钢护简必须穿透砂砾及卵石层等透水层，座落在不透水的亚粘土层上，这样可以防止由于溶洞漏水，水头高度急剧下降而造成的坍孔。在地下水容易控制的地质情况下，也可以采取人工挖孔砼护壁的方法施工，并且 要穿 透透水层，座落在亚粘土层上。练屋中桥、横石水大桥均采取这种方法施工。有些桩在施工中几次严重漏水，护筒内水头高度急剧下降，均未出现坍孔现象。练屋中桥第一次进场的施工队，就是因为钢护筒很短，没座在亚粘土层上，造成坍孔，导致钻头被 埋在孔内。打油林小桥4#桩、坝子中桥14#桩也都由于这个原因造成坍孔。坝子中桥9#桩坍孔时还将钻头埋在孔中。
2.3 钢护筒跟进法
溶洞较大，洞内无充填物或流塑充填物，漏水很严重，采取片石加粘土反复打密，仍然无法形成泥石护壁的，可采取钢护筒跳进法施工。该方法就是一面冲孔，一面接高护筒，并且将其震动下沉至已钻成的孔内，有以隔断溶洞内流塑充填物或水的活动。
钢护筒跟进有两种施工方法。一是冲击钻成孔钢护筒跟进法。还有一种情况就是桩孔穿过多个溶洞，并且均已成功造壁，在下面冲孔时，上面已形成的泥石护壁坍塌漏水并且无法解决时，可以钢护筒跟进到这个溶洞位置堵漏，漏几个溶洞钢护筒跟到几个溶洞。
当地下水很小并且容易控制时，应优先采用人工挖孔、砼护壁的方法施工。这种方法的优点是速度快、质量好、成本低。
人工挖孔桩所有桩孔可以同时开工，进展快。砼护壁的中心、垂直度及孔径大小易于控制，使钢护筒和井壁有较小的间隙，利于钢护筒下沉，给一层护筒到底创造了条件。人工挖桩设备简单、成本低。但人工开挖法受一定深度限制，并要注意工人的安全。
在地下水非常丰富、桩孔内的水不易抽干、人工无法挖孔作业时，可采用冲击钻成孔钢护筒跟进法施工。施工中应充分利用冲击钻的扩孔性能，使钢护筒能顺利下沉。一般钻头外径和钢护筒内径空隙控制在3 ~ 5cm，保证冲击店在护筒内顺利提升或下冲为度。在护筒跟进很困难时，可以先下在大护筒后下小护筒，然后割掉在大护筒下缘以上的内护筒，以保证桩砼与外护筒的连接。
如果冲击钻在坚硬的岩石中的扩孔系数较小，不能使钢护筒下沉时，可采用小量电雷管焊破，保证 钢护筒顺利下沉，可在井口上部估一个简易导向装置进行控制。
在井口用20槽钢焊一个井字架，两槽钢间的距离大于钢护筒外径10mm左右。在距孔口4 ~ 5m的位置 设一个导向用的环形钢筋，内径也是大于钢护筒外径10mm左右，锚固在砼护壁上，钢护筒沿这两个定向装置下滑。上下钢护筒拼接时，用2台经纬仪(或2人持垂球)在两个垂直方向看护筒边缘均在竖直线上，护筒是竖直的。拼好的钢护筒沿导向装置下滑。
为保证钢护筒顺利下滑，要求桩孔要竖直，无歪斜、缩颈。钢护筒孔径要准确，连接要顺直，用卷板机成型。钢护筒要有一定的刚度，钢板厚为8 ~ 10mm为宜。
由于钢护筒外缘与人工挖桩砼护壁或冲击钻的孔壁还有一定的问隙，桩顶在水平力作用下可能产生一定的水平位移，在施工中可采取一些措施予以解决。
(1)将钢护筒上端4 ~ 5m左右高度割掉(在人工挖桩有砼护壁的情况下可以这样做，否则易坍孔)，浇注桩身砼并与砼护壁连在一起，5m以下的部分也可渗入一些砂浆，使钢板和孔壁也能连接在一起。这样做既保证了桩的质量，还可节约一部份的钢板。
(2)在孔口浇注厚30cm的砼封盖。在封盖上钢护筒和井壁间预留2个孔，一个孔用作注浆，一个孔留作排气。用灰浆泵将水泥浆压入护筒与护壁间的孔隙中，将灌注桩与井壁连在一起。
3 坍孔
钢护筒只有1 ~ 2m高，座落在砂砾和卵石层上。当冲击到溶洞后，突然漏浆造成水头高度急剧下降，砂砾和卵石层失去稳定，形成漏斗状的坍孔。坝子中桥9#孔、打油林小桥4#孔均由于钢护筒埋得太浅，没有座落在亚粘土不透水层上，造成坍孔。
3.1.1 预防坍孔的方法
(1)在地下水可以控制的情况下，可优先考虑人工挖桩砼护壁，穿过透水层座落在不透水的土层上，这种方法预防坍孔比较有效。练屋中桥和横石水大桥都采用了人工挖孔砼护壁，并且都座落在亚粘土层，即使溶洞漏水很厉害，在回填片石粘土反复冲击反复漏水的情况下，仍未出现坍孔现象。
(2)采用冲击钻冲孔施工时，可将钢护筒座落在亚粘土层上，再继续冲击成孔，也可避免坍孔。
(3)发现漏浆及时补水。
3.1.2 坍孔的处理方法
(1)当成孔深度不大时，可全孔回填粘土，并暂停一段时间后，再深埋钢护筒不透水层方可重新钻孔。
(2)当成孔深度较大时，可将钢护筒一直座落在坍孔的嗽叭口下缘的亚粘土层上，护筒周围回填粘土，挤实，再重新钻孔。
3.2 卡钻
卡钻的原因和处理方法：
(1)冲击钻刃脚磨钝、孔径变小，造成卡钻。应经常对冲击钻进行补刃。
(2)孔不圆，形成梅花孔。最好用6刃和4刃钻头打圆孔，不用一字钻。
(3)钻头在冲击填充的片石时，进起的石块将钻头和孔壁的空隙挤住，钻头不能上下。可放小炮震活钻头，也可用小冲击钻冲动，或用冲吸的方法将卡在钻头的石碴松动再提出。
(4)钻头冲破溶洞顶板，掉入溶洞，钻头倾斜，提不出来，应放小炮炸顶板岩。一般用量为300 ~ 500g即可，一次不行可反复几次。
(5) 卡钻时不宜强提，免得拉坏机械，拉断钢丝绳，掉钻头。练屋中桥在刃脚焊2圈钢筋扩孔，卡住了，用卷扬机强拉，结果卷扬机拉坏了。
3.3 斜孔
斜孔是由于岩石表面倾斜或出现探头石，致使钻头沿软的低的部位下滑造成的。解决的方法是回填片石，也可以灌注水下砼，待强度形成后用小冲程打紧绳反复冲击，直至调正过来为止。过大的冲程会成孔不圆，造成斜孔，一般应采用1 ~ 4m为宜。
3.4 漏浆
在冲击成孔中，由于有的溶洞与地下暗河或其他溶洞相通，泥浆迅速流走，水头高度急剧下降，造成漏浆。在溶洞桩基施工中，要在孔边备足一定数量的片石和粘土，一旦出现漏浆，要及时回填片石粘土冲击造壁，并且马上补水，防止水头高度继续下降。
3.5 坍孔埋钻
埋钻的原因是坍孔造成的。施工中发现漏浆应立即将钻头提到孔外，如果未及时提钻，漏浆后坍孔，钻头便被埋在孔中。
(1)人工挖土钢护筒跟进法。桩孔进尺较短，地下水易于控制，没有大的承压力，人可以下到桩孔中去挖坍落的泥石，边护筒跟进。要注意工人的安全，一直挖到钻头的位置，护筒也跟进到钻头位置。
(2)真空吸渣法。将导管置于坍孔的底部，用9m3空压机通过钢管压入空气吸出沉渣。这种方法适用于坍孔的石子粒径小于25cm(导管的内径)。 在溶洞地区进行桥梁桩基施工是比较困难的，如何在施工中实施对桩基质量的有效控制显得爓为重要。本方结合京珠高速公路粤境南段靠椅山至大镇段的实践经验，对如何根据工程特性选择合适的施工方法，保证桩基的质量作了初步探讨，希望在同类的工程施工中提供参考

㈤ 岩性识别的主要方法

(一)用多波谱遥感资料识别岩性

用航空或卫星多波段遥感资料来识别岩性(蚀变岩及含矿地质体的多波段遥感也属广义岩性识别)是用得最多、最成熟的一种技术方法。彩版Ⅲ-左上是新疆阿尔泰半裸露地区的卫星假彩色合成图像。图像上侵入体、沉积岩层及松散的沉积物的影像特征截然不同极易区分。这是因为在半裸露区内土壤、植被以及人为干扰因素极弱的缘故。

Crowley J.K.(1984)对美国犹他州康菲森岭的志留、泥盆纪白云岩类多波段航空遥感资料的岩性识别。研究用Bendix24通道航空扫描仪的第4、6、10、12、13波段。目的是为取得①0.55μm的三价铁的吸收带②0.6μm及1.0μm处把叶绿素在0.67μm的反射值强烈上升处与岩石土壤分开,③2.2μm则是 根的吸收带的波段。然后用主组份变换矢量矩阵的PC₂(第二主组份,通道6),PC₃(第三主组份,通道10),PC₄(第四主组份,通道12),分别以红、蓝、绿作假彩色合成图像。与原有地质图件相比(图7-14右图),遥感解译出的①Gt(吉尔梅特组,D2-3),灰色块状细晶灰岩,②Si(西蒙森组,D2)浅灰、暗色白云岩互层;③Se(塞维组D1-2)风化较强的浅灰色细晶白云岩;④Lk(莱克敦组S₃)上部有浅色粗晶灰岩层的致密块状白云岩(图7-14,A)。与原有地质图相比,Lk,Se都可进一步分出层组。但在图幅西南部的划分不佳。断裂与原有资料都有较大改动。

图7-14 美国犹他州康菲森岭地质图(A)及据主成份分析增强资料解译出的影像地质图(B)

(二)利用岩石热惯量识别岩性

热惯量是物体(包括地质体)阻止温度变化的热反应的一种量度,单位是卡/厘米²· ·度。热惯量值大,则地物周日地表温度变化幅度小;反之则温度变化幅度大。表7-3煤层周日变量为47℃,而灰色灰岩为20.2℃。煤层热惯量值小。由于求热惯量的相对大小只需测得岩石的反射率。及地面昼夜温差值(△T)即可计算出热惯量值。技术方法比较简便,因而是一种有发展前景的岩性识别方法。河北洡源木吉村一带碳酸盐岩实测热学性质的结果成功地将未蚀变白云岩、硅化白云岩、鲕状灰岩、泥灰岩夹页岩区分开来。如果利用热惯量值作为新图像的象元值,制成热惯量图,用它来区分岩性。这是一种有发展前景的方法,但当前还处在试验应用阶段。表7-6是一些矿物及岩石的热惯量数据(崔承禹,1992)

表7-6 三大岩类的热性质

(据崔承禹,1992;其中*据Jadza)

(三)用高光谱分辨力多通道成像波谱仪资料来识别岩性

通过地物波谱来识别岩性常常因为植被、土壤的掩盖,岩石风化与人为破坏、或者岩体岩层出露面积较小等种种因素而增加识别难度。提高图像的光谱分辨力和应用更多通道的成象仪器是克服上述困难的一种技术选择。即用窄波段、多通道、高光谱分辨力的遥感器来获取地物波谱。如美国地球物理环境研究(GER)公司研制64通道机载高光谱分辨率扫描仪(AIS)。其中0.4-1.0μm分为24通道,1.0-2.0μm分7个通道,2.0-2.5μm分32个通道,另一道用储存陀螺仪信息。在6000m高成像时其地面分辨率为12×22m。机载可见光-红外成象波谱仪(AIS-2)划分成高达220个波段,工作范围为0.43-2.42μm,平均波谱分辨力为10nm。这样的遥感资料,使得定量检测单种或多种矿物存在以及编制相应图件成为可能。其原理是:

第一,各种岩性和矿物都有一些可做为标志性的矿物,而这些矿物又都各有自己的波谱特征(表7-7)。图7-15是高岭石、蒙脱石、伊利石和明矾石(它们都与热液蚀变有关的标志性矿物)的波谱曲线。四种矿物的吸收谷都在2.2μm附近,其中高岭石曲线的“肩部”在2.18μm处,明矾石的吸收谷在2.21μm,都落在TM-7波段内。根据石榴子石Fe³⁺离子在0.770.87μm处吸收的特征,D.S.WindelerJr(1993)利用VNIR图像数据,识别出石榴子石辉-石蚀变带来。

第二,利用多通道的机载高光谱分辨力成像波谱仪获得波谱曲线,与某些标志性矿物的实验室实测的典型曲线对比,能半定量地确定标志性矿物的存在。由于AIS可以取得多达220个波谱数值,由它测得的波谱曲线更接近实验实测得到的曲线。图7-16是AIS的反射波谱曲线,其波长从2.0-2.3μm,波长间隔为0.01nm,共分为30个波段。其取样点的位置见图右侧。从图上方两条波谱曲线与实验室内测得明矾石的波谱曲线相比较,其形态很相似。可知这两处分别是明矾石与高岭石含量较高的地段。

第三,通过某些标志性矿物的检测,来达到找矿和编制分布图的目的。

表7-7 波长范围和矿物标记

(据薛重生等)

图7-15 2.0-2.5μm大气窗口的实验室波谱曲线

图7-16 AIS反射波谱曲线

(四)用图像的影纹和结构来解译岩性

合成孔径雷达(SAR)图像的空间信息非常丰富。空间信息包括结构(纹理)、局部组织及形状三类。影纹(或称影纹图案)是遥感图像上很细小的几何形状。因为不同岩性的抗风化能力不同,发育其内的节理等构造裂缝的优势方向,长度与密度不同,微水系(末级支流、冲沟等)的发育特点也不同。因而产生的影纹图案也不一样。广西等地大片碳酸岩岩溶发育区,其TM、MSS图像上影纹呈核桃状、蠕虫状、花生壳状等。可以根据各种影纹图案不同,通过目视解译来区分岩性。

通过付利叶滤波,根据遥感图像结构进行岩性识别。R.G.Blom等人(1982)对雷达图像增强处理研究认为岩性(岩类)识别,以付利叶带通滤波较为有用。朱亮璞等人(1991)用付利叶功率谱法(即频谱分析法)对岳阳地区SAR样区进行连续频谱取样分析,得到频谱功率谱曲线和功率分布曲线(图7-17)。通过对曲线的研究分析,认为从曲线中可取得四点地学信息:①从功率谱角分布曲线的峰值确定能代表坡面、层面、断裂面产状的,产生最大散射的面的方位角,②确定两个散射较强的面的夹角,③推算出样区水系密度,④用功率谱角分布曲线与功率谱曲线两者总的形态特征,可以分析样区的地形基本特征。

(五)用多源地学信息资料识别岩性

利用遥感资料来识别岩性最基本的方法仍然是目视解译。上述五种方法中,以多光谱遥感资料解译岩性比较常用,技术也比较成熟。高光谱分辨力多通道成像波谱仪的应用,实际上是前者的发展,很有发展潜力。方法(三)、(四)则完全处在试验应用的阶段。多源地学信息资料识别岩性,近年来不断取得进展。这部分内容将留在第十章第二节内述明。

图7-17 岳阳冷家溪群板岩频谱功率谱角分布曲线

㈥ 岩溶塌陷与地裂缝的调查

地球物理方法是一种成本低、效率高的有效勘探手段，对于岩溶、塌陷及地裂缝地区的勘探尤其显得突出。其目的是与其他勘探手段相配合，以达到更迅速、经济地取得正确而全面的地质成果。其基本任务是通过测定地质体的物理场的变化及有关物理参数，来探查隐伏目标地质体的分布与特征。

11.2.3.1 调查中的地球物理方法

不同地质目标调查的地球物理方法见表11.4。由于岩溶发育区的地质条件差异很大，所以地球物理方法的使用也要“因地制宜”。从近年来国内外岩溶地质调查的方法应用情况来看，各种地球物理方法在一定程度上均可用于岩溶的调查和研究。

表11.4不同地质目标调查的地球物理方法

续表

11.2.3.2 地球物理方法的应用

(1)评价与监测由岩溶引起的地面沉陷

岩溶区溶洞的发育是造成地面沉陷的直接原因。为了有效地评价可能发生的地面沉陷，需要查明溶洞的发育规律和分布特征。例如在美国北卡罗来纳州威尔明顿西南17km处的一条铁路干线时常出现地面沉陷直至崩塌现象。这一地区地质剖面自上而下分为砂层、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于地下发育有直径很小的岩溶管。岩溶管最初发源于灰岩中的小溶洞，然后逐渐扩展到上覆的粉砂质粘土层、砂层，直到地表。尽管这种岩溶管在地下的直径很小，但一旦引起地面塌陷，其范围可达到6～15m(直径)。为研究和摸清该地区岩溶管的发育特征，研究人员最初沿铁路干线打了一百多口浅孔，但结果很不理想。为此，研究人员选择了探地雷达进行试验。初步的测量结果表明，虽然其探测深度达不到基岩的深度，但粉砂质粘土层顶部的形态特征可作为指示地表沉陷的一个标志，而雷达可有效地探测到这一标志。通过钻孔对探地雷达异常也进行了验证，结果在异常处打到了岩溶溶洞。

继该试验取得成功之后，又开展了以探地雷达为主，结合地震折射和微重力的综合地球物理测量。通过对不同测量结果的分析和对比，可较好地查明覆盖层和基岩中是否存在着已有的或潜在的岩溶特征。例如，若重力显示出低异常且雷达剖面亦有异常反映，则在基岩中存在着溶洞，且上覆的盖层中也发育有岩溶管特征;若重力剖面有低异常而雷达剖面无异常反映，则表明基岩中有溶洞但尚未发育岩溶管。根据折射测量结果可确定出基岩的深度，并可判断出有利于发生塌陷的强风化和溶蚀的基岩地段。此外，通过深入分析探地雷达剖面上的异常细节可以对岩溶的发育特征以及可能发生的地面沉陷所处的发育阶段进行正确的评估。

(2)探测矿区的地下硐室和矿山巷道

在开采区，地下硐室的探测已成为一项重要任务，地球物理方法在这一领域可发挥重要作用。国内外的资料显示，地震方法，特别是高分辨率地震反射法，电阻率法和一些放射性方法等可用于矿山开采中的地下废巷道、硐室等洞穴的探测，并且有许多成功的应用实例。

美国科罗拉多大学利用地震方法对探测和定量描述废弃的煤矿巷道进行了理论研究和实际探测。理论研究表明，三种物理效应使地震方法完全适用于洞穴的探测:①洞穴的直接反射或散射;②由洞穴共振诱发的二次反射或散射;③应力诱发的速度效应。其中第三种效应的实质内容是:空洞的存在会大大影响到其周围的原始应力分布而诱发速度的变化。由于洞穴周围的侧向挤压增强，使得洞穴上方传播速度增大。这样，用地震测量便可探测出地下洞穴。研究人员在美国中西部三个煤矿区作了野外测量，取得了较好的探测效果。美国堪萨斯州地质调查所利用浅层高分辨率地震反射法探测煤层内的洞穴。利用地震反射法确定洞穴位置，在12次覆盖的共深点剖面上，可以明显地看到，洞穴与煤层相比，波的振幅较低、频率较高、相干性差、信噪比低，二者易于区分。地震测量结果得到钻探的证实。此外在另一个实行水采的盐矿上，直接探测到了地下50m深处岩盐溶蚀形成的洞穴。

煤炭部科学研究院从20世纪80年代开始用二维自动地电阻率系统探测地下废巷道、洞穴等。在门头沟区，确定出了老窑分布。为验证解释结果，专门设计了验证孔，结果两个验证孔都见到了老窑采空区，表明该方法的探测效果良好。

图11.3一条隐伏裂缝的实测剖面

(3)确定裂隙破碎带

地球物理用来圈定裂缝和岩溶带主要方法是音频大地电场法，它用来测量频率在20～20000Hz间的大地电磁场的电分量，在隐伏的裂缝和空洞上，无论它们是否充填，都出现明显的电分量E_x和视电阻率异常(图11.3)。该方法在链子崖查出宽度几厘米至几米的隐伏裂缝5条，地表明缝的隐伏段13处，推断出一条近南北向、长约200m、宽数米的隐伏岩溶发育带。在随后布置的距地表数十米的勘探平硐中，在所推测的岩溶发育带的位置上揭露出岩溶盲竖井，水平截面3.4m×5.3m，向下可见延深约20m，证实了音频大地电磁法成果的可靠性。

在评价危岩的破坏程度时，查明裂缝的下延深度是很重要的，为此作了井间声波测量。在一条裂缝的两侧布置了两个钻孔，ZK1和ZK2，在一个孔内激发声波，在另外一个孔中放置可贴壁的三分量检波器进行接收，从孔口(或孔底)开始，以一定点距同步发射和接收信号，结果发现2～16m井段可以接收到可靠的信号，但走时逐渐拉长、振幅逐渐减小。从19m以下，完全无法辨认波形，再往下直至130m均收不到信号，如图11.4(a)所示。

图11.4裂缝的检测

如果两孔之间没有裂缝，在2～4m深度内(覆盖层)，接收信号应最小，走时最长。因为低速覆盖层对弹性波的衰减大于基岩，在进入基岩后振幅应增大而走时缩短。实测结果与此相反，因此可推断，在5m以下，从基岩顶部开始便存在至少一条以上张开裂缝，5～17m接收的信号是通过覆盖层绕射或从地面反射至接收点的，如图11.4(b)所示，故裂缝至少贯穿到150m，以上推断得到了室内模拟试验的证实。

(4)确定水库区(湖区等)裂隙泄漏带

可以利用自然电场法和电阻率法确定渗漏点或圈定泄漏带，并且效果颇为明显。在水库、湖区渗漏地点上往往出现明显的自电负异常。电阻率法的使用应根据实际情况采用不同的排列装置。在美国佛罗里达州中西部兴建了一些用于旅游、农业的人工湖。由于地处岩溶区，人工湖出现严重的泄漏现象，为此使用了电阻率测量。测量结果显示出与线性裂隙(是引起湖区泄漏的原因)有关的异常，由此成功地探测到泄漏地带，这为后来采用的补救方案和措施提供了必要的信息。

㈦ 岩溶塌陷实时监测

雷明堂蒋小珍李瑜蒙彦

（中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林，541000）

【摘要】我国可溶岩分布面积达365万km²，占国土面积的1/3以上，是世界上岩溶最发育的国家之一。近年来，随着岩溶区城市化建设的飞速发展，岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发的不断增强，由此而引发的岩溶塌陷问题日益突出，已成为岩溶区城市主要地质灾害问题，严重妨碍城市经济建设与发展。由于岩溶塌陷的产生在时间上具突发性，在空间上具隐蔽性，在机制上具复杂性，因此，被普遍认为难以采取地面常规监测手段，对塌陷进行监测预报。另一方面，试验研究表明，岩溶水气压力变化对塌陷具有触发作用，可以以此作为衡量塌陷发育的临界条件。这就意味着通过对岩溶管道系统的水（气）压力的动态变化进行观测，可以达到对塌陷进行预报的目的。本文以位于广西桂林柘木村的岩溶塌陷监测站为例，探讨这一技术的基本方法。

【关键词】岩溶塌陷岩溶管道水（气）压力临界水力坡度监测

1 研究区概况

研究区位于桂林市东南约15km漓江西岸柘木村（见图1），面积约0.2km²，现有居民116户。该区于1997年11月11日因漓江河道爆破引发严重塌陷，造成民房倒塌4户、房屋开裂64户。由于近年来塌陷仍在发展之中，时刻威胁着人民群众的生命财产安全，所以，我们以此作为本项目的现场试验场地，建立岩溶塌陷灾害监测站，开展研究工作。1.1岩溶塌陷发育特征

图1研究区地理位置

柘木塌陷发生于1997年11月11日，首先是河漫滩发生2起塌陷，然后是柘木村10多处地面冒水喷砂（水柱高出地面3米多），接着就发生大面积的塌陷和地面开裂，形成塌坑35个，到1998年底形成塌坑共计50多个（图2）。

图2工作区塌陷分布图

柘木村的塌陷平面形态绝大多数为圆形和椭圆形，仅有个别为不规则形；剖面形态以坛状为主，除了位于河漫滩的基岩塌陷直径（或长轴）达到30m、深14m以上外，村中的土层塌陷直径（或长轴）从0.5m到10m不等、深几十厘米到5m。塌陷在平面分布上具有明显的成带性和方向性，所有塌陷都是呈 NW向发育的，其中大多数塌陷又是沿f1和f2断层成带状分布。塌陷在时间上的具有延续性，根据1986年、1996年项目组对桂林市塌陷的详查，该区均无塌陷记录，自1997年第一次发生塌陷以来，每年都有塌陷的发生。

1.2地质条件

研究区地貌上处于漓江一级阶地和河漫滩的结合部位，覆盖层厚度15～40m。其中，柘木村所在的一级阶地覆盖层可归结为三元结构：上部为粘性土层，一般为粘土、粉质粘土和杂填土（含卵石和砖块等硬质物）等；中部为砂卵石层，本层不含粘粒，以卵石为主，一般顶部有厚1m左右的砂层，局部有中粗砂的夹层；下部为混合土，以粘土卵石和卵石粘土层为主，两者分界不明显，经常互相交替，粘粒含量变化较大。ZK1钻孔附近还夹有粘土层透镜体，ZK4孔底部还见有厚约10m的软土层。下伏基岩为泥盆系上统融县组灰岩（D_3r），是桂林市岩溶最发育、塌陷最多的地层。

1.3构造条件

研究区位于二塘向斜核部及NW向龙家断层和NE向毛家断层的交汇部位，其中 NW向的龙家断层正好从柘木穿过。龙家断层（f₁）是一条规模较大的断层，早期为压扭性，晚期表现为明显的扭性—张性特点，它控制了漓江部分河道的走向，该断层是一条富水断层。

浅层地震物测显示，柘木除发育龙家断层（f₁）外，另外还发育一条走向也是近 NW向的断层（f₂）（图2）。

1.4水文地质条件

根据地下水的赋存条件，研究区地下水有两类：第四系孔隙水和岩溶水。第四系含水层为砂卵石层，是当地农民生活用水的主要来源。岩溶水为桂林最丰富的泥盆系上统融县组灰岩水，与第四系孔隙水之间有一层混合土相隔，该层土主要由粘土卵石和卵石粘土组成，其隔水性一般至中等，岩溶水与第四系孔隙水具有较强的水力联系。研究区为地下水的排泄区，第四系孔隙水主要靠大气降水、地表水入渗、漓江和地下径流补给；岩溶水主要由第四系孔隙水越流补给、降雨入渗、地下径流以及漓江的补给，岩溶水一般具有微弱的承压性。由于紧靠漓江，地表水丰富，除了使用手摇井或民井提取第四系砂卵石含水层的少量水作为饮用水外，研究区未进行过大量地抽取过地下水（包括岩溶水和第四系水）的活动，就是说，本区地下水受到人类活动的影响较小，其水位波动基本上主要受自然条件的影响和控制。

1.5人类活动条件

工作区人类活动类型单一，村中各户均有手动压水井，以满足日常生活用水，井深小于10m，开采第四系砂卵石层中的孔隙水。

自1997年塌陷以后，工作区已完全停止爆破活动，因此，后来的新塌陷，均属于受扰动的土体在自然条件影响下产生。

2监测预报思路

2.1岩溶塌陷发育机理与影响因素分析

根据现场调查分析，当时漓江中正在进行航道基岩爆破，导致地下河出口附近的基岩塌陷及由此产生的塌陷地震是引发后续大范围塌陷的根本原因。

由于高压水流的作用使工作区第四系底部土层受到了严重的扰动，大大降低了使之发生渗透变形的临界水力坡度，降低土层的抗塌能力。地下水只要有较大的变动，就会引发新的塌陷。这是近年来塌陷不断的根本原因，这与岩溶塌陷物理模型试验的结果是一致的（图3）。

图3模型试验图示

新塌陷的产生主要受几个方面的影响：

一是岩溶管道（裂隙）系统和第四系底部土层中的水气压力的变化：当岩溶管道（裂隙）系统的水气压力变化或作用于第四系底部土层的水力坡度达到某一定值时，第四系土层就会发生破坏，进而产生地面塌陷。目前，通过孔隙水压力传感器和数据自动采集系统已完全可以记录到岩溶管道（裂隙）系统的水气压力动态变化，并计算出作用于第四系底部土层的水力坡度。

二是第四系底部土层的组成与性质：组成和性质不同，发生渗透变形的临界水力坡度就会不同。目前，通过现场钻孔取样和室内渗透变形试验的方法，可以测定出不同土层发生渗透变形的临界水力坡度值。

所以，我们可以通过对地下水（包括岩溶水—传感器 A、土层孔隙水—传感器 B）的压力变化进行监测，达到对地面塌陷进行预报的目的。

2.2预测预报思路

基于以上认识，采取如图4所示的研究思路开展工作，即：

图4研究工作思路

（1）首先，以已有岩溶塌陷及其影响因素的调查结果分析为基础，通过渗透变形试验和土工试验等分析测试，初步确定塌陷发育的临界条件。

（2）通过传感器及数据采集系统，直接监测主要诱发（触发）因素（包括岩溶水—传感器 A、土层孔隙水—传感器 B）的动态变化。

（3）结合地质雷达探测显示的异常区，建立临界条件的修正模型，使室内模型试验与渗透变形试验成果实用化。

（4）当主要诱发（触发）因素的数值满足临界条件时，直接发出预报。

3塌陷发育的临界条件试验研究

以49组土样渗透变形试验结果为基础，初步确定工作区3种类型土体发生塌陷的临界条件（临界水力坡降I₀表示）如表1所示，表中临界速率是根据项目组以往对桂林岩溶塌陷模型试验研究结果取得。

预报中，主要采用第四系底部土层的临界条件作为判据。勘探结果表明，在整个工作区，第四系底部存在连续性较好的粘土卵石层，而且受过较强烈的扰动，因此，临界条件为：I₀=0.79,V₀=0.06kPa/s。

预报时，通过两种方法进行判断：

（1）岩溶水压力波动速率V与V₀的比较：当 V≥V₀时，基岩面附近的土层将可能发生渗透破坏，有产生塌陷的可能。

（2）由岩溶水压力、土层水压力以及两个传感器距离计算出来的水力坡度（I）与临界坡降（I₀）的比较：当I≥I₀时，基岩面附近的土层将可能发生渗透破坏，有产生塌陷的可能。

表1柘木塌陷的临界条件

4监测技术与方法

4.1监测内容与监测方法

地下水（气）压力：包括岩溶管道裂隙系统水（气）压力监测和第四系底部土层水压力，采用孔隙水压力传感器进行监测，数据采集方式有计算机自动采集和便携仪人工读数两种。

土层变形破坏：在工作区设置固定测线，定期采用地质雷达监测。

民房裂缝变化：对监测区民房裂缝设置监测点，定期测量裂缝变化，采用钢尺监测。

民井水位：对工作区的两个露天水井定期测量水深，采用测绳人工监测。

4.2监测设备

4.2.1传感器

振弦式仪器自20世纪30年代发明以来，由于其独特的优异特性如结构简单、精度高、抗干扰能力强以及对电缆要求低等而一直受到工程界的注目。然而，由于历史的原因，振弦式仪器的长期稳定性一直是争议的话题。直到70年代，随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术才得以完善并真正能满足工程应用的要求。目前，性能完善的弦式仪器已成为新一代工程仪器的潮流。为此，监测站全部采用振弦式孔隙水压力传感器，由加拿大洛克泰斯特公司和美国基康公司生产。

4.2.2数据采集系统

为了实现数据的自动采集和远距离传输，采用了美国基康公司生产的MICRO-10X数据自动采集系统以及由美国Canary Systems公司开发的数据采集软件Multiloggorl.48，此外，还采用了美国基康公司生产的VW-403C便携式振弦式读数仪。

4.2.3地质雷达

最早是在越南战争中为了探测地道而研制的地质雷达，20世纪80年代初期在美国开始用于潜在塌陷勘察，90年代在我国得到推广。它是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～1GHz）电磁技术，基本原理是：通过发射天线向地下发射雷达信号（频率为80～1000MHz的高频电磁波），再通过接收天线接收从地下不同电性界面上反射回来的信号。只要地下物体的介电常数有明显差异，就会形成反射界面，电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及几何形态而变化。所以，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断介质的结构。因此，地质雷达可以探测到地下土洞等土层扰动带。地质雷达具有方便、快捷、准确地生成地下连续剖面的优点。

监测站采用美国的SIR-10A型地质雷达。

4.3传感器标定

为了建立水压力与传感器读数的关系，在室内，利用高3m的水箱以及深20m的地下水位观测井进行传感器标定工作，建立各传感器的标定方程。

4.4传感器安装方法

每个测点安装两支传感器，其中一支安装在岩溶管道裂隙中，用于监测岩溶水压力，另一支安装在第四系含水层中（图5），用于监测土层水压力的变化。

4.5监测点布置

根据工作区岩溶塌陷发育特点、基础地质条件以及柘木村中建筑物的重要性和破坏程度，将工作区分为4个监测区，共设置16个监测点。其中，岩溶系统的水（气）压力和第四系底部土层孔隙水压力监测点各8个、民井水位监测点2个、民房裂缝变化监测点4个、第四系土层变形破坏的地质雷达监测线12条，图6给出各监测点（线）的位置。

图5传感器安装位置图示

图6监测区划分与监测点布置图

4.6数据采集

共有8支传感器采用Micro-10X数据自动采集系统进行数据采集，从2002年2月27日开始试运行，通过采集软件（dataloggorl.48）对各传感器连接的通道进行设置，本项工作将读数间隔为10分钟。

采用便携式接收仪，对其余的8支传感器进行数据采集工作，其中安装在1^﹟、2^﹟、和3^﹟监测点的6支传感器从2000年3月3日开始监测，另2支埋设在4^﹟、5^﹟监测点土层中的传感器从2002年2月27日开始测量，传感器监测周期雨季为每天1次，平时为3天1次。

4.7土层扰动监测

通过地质雷达进行土层扰动情况的监测，在现场布置了12条测线，用地质雷达以相同的频率进行测量，每年测量一次。

5监测结果分析

自2000年开始实施以来，地面发生异常13次，其中2000年9次、2001年2次、2002年也是2次，表2为工作区地面发生异常情况一览表。

表2工作区2000年以来地面发生异常情况一览表

续表

从表中可以看出，近3年来的异常主要发生在位于I区，其次是II区和III区，而且，异常出现以前，水压力的监测均发生过突变，这种对应关系可以运用到塌陷预报之中。

由于2000年、2001年均采用人工监测，岩溶水（气）压力变化速度采用平均速度，无法得到瞬时速度，并以此预报塌陷。2002年5月16日唐朝息家出现的异常与ZK2、ZK5测点的压力变化关系明显，尤其是ZK5埋设了自动采集的传感器，监测到该点岩溶水压力变化速度为0.0057kPa/s，与室内实验得到的临界值相差较大，但渗透坡降为0.5左右，已接近室内实验得到的临界值。

从监测结果看，在墙壁裂缝变形监测中，基本上没有监测到变化，说明塌陷发育的突发性，通过裂缝监测难以达到预报目的。

6地质雷达探测结果

采用100MHz的地质雷达天线和连续扫描方式进行监测。2000完成首轮地质雷达探测1次，布置测线13条，2001年，对测线进行了优化，保留了原有测线8条、新增测线4条。

表3列出3次探测显示的异常点位置。从表可见，2001年有异常43处、2002年降为36处，位于I区的1、2号线。2002年的异常点分别比2001年增加5个、8个，这与监测 I区的ZK、ZK7、ZK8具有超过临界速度的水（气）压力波动速度有很好的对应关系。

2002年探测结果显示，在1^﹟线的30～40m、2^﹟线的41～47m和10^﹟线的0～3m位置，土体扰动已接近地面，极有可能产生新的塌陷。

表3地质雷达探测结果对比表

续表

续表

续表

7结论

通过本项研究，建成了国内第一个数据自动采集的岩溶塌陷灾害监测站，初步建立了岩溶塌陷预测预报的技术体系与方法，近3年的监测工作表明：

（1）在目前的技术条件下，地下水的活动而引发的岩溶地面塌陷是可以进行预测预报的。

（2）岩溶塌陷发育临界条件的确定、监测因素的选择、传感器的安装埋设，以及数据自动采集系统的应用，是开展塌陷预测预报工作的关键。

（3）本项目采用以岩溶管道裂隙系统中的水（气）压力以及第四系孔隙水压力变化的监测为主、地质雷达监测为辅的方法，是一个有效的预测预报方法。在监测期间发生12次地面异常，均与异常点附近监测点的岩溶水/气压力突变和第四系底部土层受到较高的渗透力作用有关。

（4）从传感器监测结果看：

a.Ⅰ区是最危险的地区，岩溶水/气压力变化最为强烈，2002年岩溶水/气压力的变化速度达0.47kPa/s，而作用在第四系底部土层的地下水渗透坡降为0.17～3.12，超过了临界条件，因此，该区是最危险的地区。

b.Ⅱ区2000年、2001年作用在第四系底部土层的地下水渗透坡降为0.55、0.79,2002年渗透坡降达0.78、岩溶水/气压力变化速度为0.085kPa/s，也达到了临界破坏条件。

c.Ⅲ区的地下水渗透坡降较小，2000、2001和2002年分别为－0.3、0.52和0.44。

d.Ⅳ区的地下水渗透坡降较小，为－0.44，岩溶水气压力变化速度为0.012kPa/s。

（5）地质雷达可以及时有效地发现土层的浅部异常点，连续三年的探测结果表明，2001年有异常43处、2002年降为36处，位于I区的1、2号线2002年的异常点分别比2001年增加5个和8个，这与监测I区的ZK、ZK7、ZK8具有超过临界速度的水（气）压力波动速度有很好的对应关系。其他各线的土层仍处在调整中。

（6）地质雷达发现了1线的30～40m、2线的41～47m和10线的0～3m共3个位置，土体扰动已接近地面，极有可能产生新的塌陷。

（7）监测结果显示，通过墙壁裂缝的人工监测，没有明显变化出现。

㈧ 岩溶塌陷调查与监测技术

一、内容概述

岩溶塌陷的产生在时间上具突发性，在空间上具隐蔽性的特点，常规的地面变形测量手段往往难以达到对岩溶塌陷监测预报的目的，正因为如此，长期以来，岩溶塌陷的监测预警问题一直是国际上极具挑战性的课题。本成果从岩溶塌陷发育的机理研究入手，明确了岩溶水的动态变化是工作区塌陷的触发因素，即当岩溶管道裂隙系统的水（气）压力变化速度、幅度或作用于第四系底部土层的水力坡度达到某一定值时，第四系土层就会发生破坏，进而产生地面塌陷。以此为基础，首次提出了以岩溶管道系统水（气）压力变化和第四系孔隙水压力变化监测为主，地质雷达、光纤传感监测为辅的岩溶塌陷监测技术与方法，初步形成了岩溶塌陷预测预报技术方法体系。该技术包括以下几个方面：

1.岩溶塌陷发育的动力学判据测试技术

在岩溶塌陷形成演化过程中，岩溶地下水运动是最为关键的触发条件。当岩溶管道裂隙系统的水（气）压力变化速度、幅度或作用于第四系底部土层（岩溶充填物）的水力坡度达到某一定值时，第四系底部土层就会发生破坏，形成土洞，进而产生地面塌陷。将岩溶管道裂隙系统中水（气）压力的变化速度和作用在基岩面附近土体的水力坡度两个参数作为触发岩溶塌陷发育的临界条件指标。这些数值可以通过模型试验（图1）和渗透变形试验获得。为此，建立了以大型物理模型试验和不同类型原状土样渗透变形试验为代表的岩溶塌陷临界条件分析测试成套技术。

2.岩溶塌陷动力监测技术

通过孔隙水压力传感器和数据采集系统技术的应用，实现对岩溶管道裂隙系统的水（气）压力的实时监测，获取监测区岩溶管道裂隙系统水（气）压力变化速度、幅度和第四系底部土层（岩溶充填物）的水力坡度等数据，通过综合分析，预测岩溶塌陷的危险性。（图2）

3.岩溶土洞形成分布式监测

包括光纤传感包括BOTDR（布里渊光时域反射）、OTDR（光时域反射）和同轴电缆时域反射（TDR），把光纤（同轴电缆）沿测线埋设在土体中，土体的变形、破坏将会引起光纤（电缆）发生相应的应变甚至断点，因此通过测量光纤（电缆）不同位置的应变量或断点位置，就可以计算出相应位置土体的变形量或破坏位置、规模，达到对岩土体变形破坏连续监测的目的，通过综合分析，获取测线不同位置的土体变形量，进而确定潜在塌陷的位置和规模。

4.岩溶土洞地质雷达监测技术

用地质雷达沿固定测线定期扫描，通过结果比对，直接圈定异常区，可实现对埋深10m以内、直径1m以上土洞或土层（图3）。

图1 岩溶塌陷模型试验

图2 岩溶塌陷动力监测

图3 岩溶土洞地质雷达监测

二、应用范围及应用实例

应用范围：本项目成果具有广阔的推广应用前景，所建立的岩溶塌陷监测预报理论、技术和方法可推广到城市岩溶塌陷地质灾害监测预警、工程场地岩溶塌陷危险性定量评价、岩溶区地下水资源安全开采监控、岩溶大水矿区岩溶塌陷监测预警等工作中。

应用实例：广西桂林岩溶塌陷监测站、广州市岩溶塌陷监测示范站、广西贵港西二线岩溶土洞监测站。

已制作电视专题片《预警岩溶塌陷》。

三、推广转化方式

主要包括：宣传报道、会议交流、人员培训、技术咨询。

四、技术依托单位

技术依托单位名称：中国地质科学院岩溶地质研究所

联系人：王珽雷明堂

通讯地址：广西省桂林七星路50号

邮政编码：541004

联系电话：13517731392，0773-5837272

电子邮箱：[email protected]，[email protected]

㈨ 岩溶注浆中用水玻璃该怎么检测

涌水段施工首先根据地质素描、超前钻探和设计文件及地质调查资料，在明确涌水水源补给、水质、涌水量、水压等情况后，采取先治水后开挖原则。根据超前探水孔出水空数及出水情况确定有针对性的治理方案。施工中严格遵循：“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤测量、早封闭”的原则进行施工。堵水措施：对于灰岩地段或断层破碎带采取全断面帷幕注浆技术进行封堵。超前帷幕注浆是通过在掌子面钻注浆孔，向孔内压注水泥或水泥-水玻璃等浆液，将开挖面及其周围一定范围内的岩石裂隙水挤出，保证围岩裂隙被具有一定强度的混合浆液充填密实，并与围岩固结成一体，形成止水帷幕。超前帷幕注浆，每一循环长度30m，浆液扩散半径为3.6m。对于局部涌水地段采取局部超前预注浆技术进行封堵。局部超前预注浆根据实际的岩溶管道位置、大小、地层孔隙率及浆液扩散等来确定注浆孔。固结范围为开挖线及岩溶管道线外5～6m，浆液扩散半径为3.6m。施工工艺：（1）孔口管安装：先用管棚钻机钻引导孔，孔深3.2m，再将直径φ108mm，长3m孔口管插入，外露20～30cm，管壁与孔口处用麻丝填塞，再向孔内注双液浆固结。对无水地段采用干硬性早强砂浆堵塞定位，涌水地段孔口管的埋设采用增强型防水剂和水泥配制的固管混合料来定位固管，埋设时将固管增强型防水剂与水泥按比例掺合拌搅均匀，装入数个塑料袋，将装有拌合料的塑料袋塞入出水孔内，再用堵塞物将孔口堵住，并顶入孔内，将孔内混合料塑料袋挤破，固管混合物遇水成浆，窜入管与孔壁之间，瞬间凝固将孔口管固定。孔口管在压力水中固位一定时间后即可钻孔或注浆。（2）钻孔：钻孔要点：先在掌子面用红油漆按设计标定孔位，再移动钻机，将钻头对准孔位，并按该孔偏角调整钻机角度后固定，开孔时做到轻加压，速度慢、给水要多的操作要点。（3）制浆、注浆：根据选定浆液的配合比参数拌好浆液，其中水泥浆拌好后用1×1mm网筛过滤，放入叶片立式搅拌机进行二次搅拌，确保浆液均匀。注浆方法主要有自掌子面向内的分段前进式；自内而外的后退式灌注法；综合灌注法；全孔一次灌注法；小口径钻孔孔口封闭灌浆法等。（4）水压试验：注浆管路按上图进行连接，并压水检查注浆管路的密封性，同时冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充填的密实性。