地面塌陷监测技术研究综述

梁丹　张金浩

摘 要：随着岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发以及工程建设等人类活动作用的不断增强，由此引发的岩溶塌陷灾害频繁发生，造成的岩损失越来越大，已成为溶区城市的主要地质灾害，严重妨碍城市经济建设与发展，本文就地面塌陷监测技术进行了总结。

关键词：地面塌陷；监测技术；研究现状；光导纤维TDR

1引言

近年来，随着岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发以及工程建设等人类活动作用的不断增强，由此引发的岩溶塌陷灾害频繁发生，造成的损失越来越大，已成为岩溶区城市的主要地质灾害，严重妨碍城市经济建设与发展。岩溶塌陷的形成，通常必须具备三个条件[1]：下部有岩溶地层，有溶蚀的空间（溶洞或土洞），为地下水和塌陷物质提供存储场所或通道；上部有一定厚度的盖层，盖层可以是基岩，也可以是松散土层；其三是产生岩溶塌陷的主导因素-致塌作用力。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[2]，采取地面常规监测手段来监测预报岩溶塌陷的产生非常困难。因此，选择有效的监测方法，对于岩溶塌陷的预测预报具有重要的意义。

2塌陷监测技术

目前，岩溶土洞塌陷监测方法归纳起来可分为直接监测法和间接监测法两类[3]。直接监测方法就是通过直接监测地下土体或地面的变形来判断地面塌陷的方法，如监测地面沉降、地面和房屋开裂等常规方法，以及地质雷达、浅层地震、高密度电法以及光导纤维（BOTDR）等监测地下土体变形的非常规方法。

间接监测方法主要有岩溶管道系统中水（气）压力的动态变化传感器自动监测技术。由于塌陷具有突发性，经过多年的研究和实践发现，采用监测地面沉降、地面和房屋开裂的方法来监测塌陷，效果并不好，而采用地质雷达以及光导纤维等直接监测和岩溶管道系统中水（气）压力的动态变化传感器自动监测的间接监测技术所取得的效果较好。

2.1直接监测方法

2.1.1地质雷达监测技术[4]

（1）监测原理

地质雷达的工作原理由发射天线向地下发射高频电磁波，通過接收天线接收从地下不同电性界面上反射回来的信号，该方法适用于探索洞穴，不宜用来监测地面塌陷。

2.1.2浅层地震

根据利用地震波的类型不同，浅层地震基本的方法有反射波法、折射波法、面波法。浅层地震法在监测地面塌陷时用得较少，主要由于地震波场复杂，而且不能动态实时连续化监测。

2.1.3高密度电法

高密度电阻率法在国外称为多电极电阻率法，与常规电阻率法没有本质的区别，只是实现了野外测量数据的快速、自动和智能化采集。通过一次性布设数十根电极如图3，进行不同方式的测量。

2.1.4 光导纤维监测技术

TDR技术监测岩溶土洞（塌陷）的原理主要是断点测量，就是通过同轴电缆与水泥砂浆胶结，在可能发现土洞（塌陷）地段水平布置同轴电缆，在上覆土层荷载的作用下，当土洞发育到一定规模时，同轴电缆水泥砂浆将断裂，折断同轴电缆，通过检测TDR电缆的特征信号，就可判断出土洞的确切发生位置如图1。

目前，具有分布式可用于持续监测远程控制准确定位土洞（塌陷）位置的方法有基于同轴电缆的TDR

技术和基于光纤的传感技术（如BOTDR、BOTDA、OTDR）[5，6]。TDR技术用于定位滑动面的方法是可靠的准确的，但其可靠性与同轴电缆类型埋设方法关系较为密切，因此，蒋小珍[7]等人组成的究小组在2006年开展了TDR技术用于岩溶塌陷监测的研究工作，主要通过室内试验与野外试验相结合的方法，研究同轴电缆的选型及埋设技术。

光导纤维监测技术既能对早期的土层小变形作出反应，又能对中后期土层的大变形（如垮塌）作出反应。因此，可利用光导纤维技术对土体内部的变形量进行监测来预报塌陷，尤其适用于线状工程如岩溶区高速公路塌陷监测中。实际使用过程中根据要求沿公路将光纤按一定的深度间隔铺设于路基以上路面以下，当公路投入使用后，即可不断获得路基不同位置的土层垂直变形情况，从而判断公路可能发生塌陷的时间和位置。尽管光纤监测技术在塌陷监测应用上还不成熟，但从光纤监测技术在滑坡变形监测应用上所取得的成果看[8]，光纤监测技术在塌陷监测预报工作中运用前景应该是光明的。

2.2 岩溶塌陷间接监测方法

2.2.1基于岩溶管道裂隙水（气）压力监测的触发因素监测法

室内岩溶塌陷模拟试验表明，频繁的地下水（气）压力的变化，会造成第四系土层的变形破坏。当水（气）压力变化或作用于第四系底部土层的水力坡度达到该地层土体的临界值，第四系土层就会发生破坏，进而产生地面塌陷。因此，通过监测地下水（气）压力的变化可以对岩溶塌陷进行监测预报。

3结论

尽管岩溶塌陷的形成机理非常复杂，其发生具有突发性和隐蔽性，但根据不同的情况，选择合理的监测方法，岩溶塌陷仍是可以监测和预报的。

（1）对于高速公路等线状工程可采用地质雷达和光导纤维等直接监测方法对岩溶塌陷进行监测和预报。不过，由于使用费用昂贵，地质雷达适于短距离、小范围的区域使用；而成本低廉，同时又能连续进行监测的光导纤维技术更适用于距离较长的线状工程的岩溶塌陷监测预报，但光导纤维监测成败的关键在于如何正确的埋设线网。

（2）对于岩溶管道裂隙水（气）压力监测经过多次实践验证，该方法实用性较强，监测效果显著，在其他监测手段受限时可优先考虑该方法，但决定监测成败的关键是要确定好临界水（气）压力值。

（3）在实际监测过程中，一种方法可能会因为环境条件限制导致监测不能正常实施或者会导致监测结果不准确时，可以考虑采用两种以上监测方法来辅助监测，以提高结果的准确性。

（4）浅层地震法和高密度电法由于易受周围环境的影响，在对监测结果进行解译分析时准确性不足，所以在选择时可作为辅助监测。

【参考文献】

[1]张丽芬，曾夏生.我国岩溶塌陷研究综述.中国地质灾害与防治学报，2007，18（3）：126-130

[2]雷明堂.岩溶塌陷预测评价系统及其应用：以唐山岩溶塌陷为例.中国岩溶，1997，16（2）：97-104

[3]李瑜，朱平，雷明堂，蒋小珍，戴建玲，蒙彦.岩溶地面塌陷监测技术与方法[J].中国岩溶，2005，24（2）：103-108.

[4]蒋小珍.线性工程路基岩溶土洞（塌陷）灾害防治综合研究[D].中国地质大学（北京）：中国地质大学（北京），2009.

[5]蒋小珍，雷明堂，顾维芳，等.线性工程路基岩溶土洞（塌陷）监测技术与方法综述[J].中国岩溶，2008，27（2）：172-176.

[6]蒋小珍，雷明堂，陈渊.岩溶塌陷的光纤传感监测试验研究[J].水文地质工程地质，2006，33（6）：75-79.

[7]蒋小珍，雷明堂，戴建玲，管振德，高明，王永辉.岩溶（土洞）塌陷TDR监测试验研究[J].水文地质工程地质，2011，38（1）：118-122.

[8] 张青. 滑坡地质灾害TDR监测技术研究[D]. 吉林大学： 吉林大学，2007.