综合勘测方法在城市人防工程地质勘查中的应用

王迎霜，苏志军

(中化地质矿山总局化工地质调查总院，北京 100013)

我国20 世纪60、70 年代大中型城市老城区大多建设有地下人防工程，由于条件限制及原材料的缺乏，这些防空洞一般以砖砌结构为主［1］． 随着时间的推移，不少防空洞已经废弃并停止使用，由于外部条件(如荷载、水浸等)的变化，容易引发地面塌陷、地基基础不均匀沉降等城市地质灾害，影响城市建设的安全发展． 因此，需要采用适宜、可行的综合勘测方法对城市人防工程引发的地质灾害进行勘查，为后续防治措施的合理选择提供基础依据．

笔者首先阐述城市地下防空洞引发的地质灾害特征及危害，综述目前常用的勘查评价方法及防治措施．在此基础上，以郑州市某小区地下防空洞引发的地面塌陷地质灾害勘查为例［2］，根据其现状特点，采用综合地质勘测方法，在全面了解建筑物地下人防地道分布及地质地层条件的基础上，选取适宜的地质模型，应用FLAC 有限差分软件进行数值模拟，分析地下防空洞顶板在完整和破坏两种情况下对地面塌陷的影响．

1 城市地面塌陷灾害

城市地下空间是以岩土体为介质和环境，地下防空洞所引发的地质灾害因地质构造、岩土体性质、工程规模和施工方法而异，核心地质问题是岩土体强度、变形、水文条件以及岩土体与地下结构相互作用下的稳定性问题．

一般情况下，由地下防空洞引发的地质灾害破坏机制为:上部(荷载、水浸等)作用→洞室顶板受压变形、岩土体局部屈服变形→洞顶、拱脚及洞脚附近应力集中→顶板弯曲变形(伴有局部脱落)→岩土层发生拉伸或局部剪切破坏→顶拱附近塑性破坏区扩展并与地表贯通→上覆岩土体剪切错动→洞室破坏→地基基础悬空→地面变形(不均匀沉降→塌陷→地面裂缝产生)→地表建筑物变形破坏(墙体裂缝、局部倾斜)→危害城市建设、威胁人身财产安全．

由于城市地下防空洞是隐蔽的，几乎无任何外在的直观信息，如果顶板突然坍塌，时间短暂，一旦发生，造成的后果相当严重． 例如，大连市某大楼因防空洞塌陷造成基础悬空;清华大学第三教学楼配电间因防空洞影响产生局部沉降，导致墙体开裂;西宁市人防工程失效产生的地面变形已构成环境地质问题等．

2 城市地面塌陷灾害勘查与防治

2．1 工程测量与现场调查相辅助

在现场进行细致的调查、记录，对灾害区实测定点，掌握原始的基础资料，为后期的综合分析提供直接的依据和支撑，同时也有利于治理方案的适宜性选择．

2．2 工程物探与钻探相结合

对城市地下防空洞引发的地质灾害进行工程地质勘查，其目的是查明浅埋洞室的范围、规模、赋存的地质条件，提供围岩的物理力学性质，分析其稳定程度，从而判断其引发的地质灾害的危害程度，预测发展趋势并提出预防和治理方案．

目前浅埋洞室的勘查手段较多，一般采用物探加钻探等综合勘查方式，常用的物探方法有:高密度电阻率法、地质雷达等［3］，数字化采集设备及专业处理软件等都对浅埋地下洞室的地面勘测定位提供了条件．在物探的基础上，再通过钻探验证，可进一步对浅埋洞室做精确、合理的定位和探查，对物探成果也可做出准确的解译．

2．3 定性分析与定量评价相统一

勘查定位之后，就需要对地下结构的稳定性和安全性等问题进行分析和评价．经过几十年的发展，研究地下结构稳定性的方法和手段已经越来越丰富．浅埋地下洞室围岩稳定性分析和评价经历了从定性到定量的过程，具体评价可概括为:实际洞体→几何模型→力学模型→数学模型→计算方法→结论．其核心内容是数学模型、计算方法以及力学模型模拟的研究，近几年来，随着计算机的广泛应用，数值模拟分析方法的运用越来越多．

定性分析方法适用于初勘阶段选择场地及一般工程，洞室围岩稳定性定性分析方法主要有综合分析法、工程类比法等．定量分析法有荷载传递线交汇法、顶板厚跨比法、结构力学近似分析法(按梁板抗弯估算安全厚度和按梁板抗剪估算安全厚度)、普氏压力拱理论分析法等，在具体确定围岩稳定性时，还需依靠现场工程人员的经验．此外，随着现代化的计算手段和计算工具的发展，具有考虑各种因素、描述材料非线性和几何非线性等能力和特点的数值分析方法的应用较为广泛，其分析方法和成果更接近工程实际，成为近年来的方向和趋势．

2．4 城市地面塌陷灾害防治

对于防空洞引发的地面塌陷灾害防治，应结合现场地质条件、防空洞的现状以及建筑物基底压力等多种不同情况，综合考虑采取防治措施．由于不同工程所处地质、水文环境条件和防空洞形式有较大差异，可采用的处理方法较多，处理效果差别较大．因此，需要根据具体情况选择合理的处理方法，方法是否得当将关系到工程建设的经济合理性与建筑的安全性［4］．

若地下防空洞洞顶距离基础底面较浅，洞顶覆土不足以承受上部结构传来的荷载，防空洞又无利用和加固价值，上部存在拟建建筑时，一般可采用揭露回填压实的办法进行处理，即采用灰土夯填压实等方法，加强地基土强度，提高地基承载力．

若防空洞上方存在正常使用建筑设备，为不破坏原有基础，需尽可能小地扰动地基土，可选择桩基加固法［5］．即用基础外扩承台梁+托换桩的加固处理方案，将基础上的荷载扩散传至承台梁，再由承台梁通过托换桩(灌注桩)传至深部较硬地层来加固处理．

3 工程实例

3．1 工程概况

郑州市某小区建于20 世纪70 年代，建筑区存在地下防空洞，因年代久远，地下防空洞发生一定程度的破坏，引发了地面塌陷，造成地面住宅楼墙体裂缝发育并贯通，威胁住户安全．

由于资料记载缺失，且没有统一的标准和图纸，仅搜集到早期简要的手绘图纸．因此，在治理之前必须进行勘查工作，查明场区的工程地质条件以及浅埋洞室的位置，分析地面塌陷的成因、分布范围和规模、发展趋势及对建筑物的危害情况，为治理工程设计提供地质依据．

3．2 勘查方案(方法)制定

由于已有资料相对简单，不能满足现行地质灾害防治的需求．因此，本次采用综合勘探方法，以工程地质测绘、工程物探、钻探以及土工试验为主，并辅以现场调查等手段，对获得的数据资料进行综合分析．具体勘查程序如图1 所示．

3．2．1 既有建筑物现状调查

经调查，该小区住宅楼共5 层，总高度约15 m，条形基础，砖混结构，埋深1．5 m，下设0．3 m 厚三七灰土垫层． 资料显示，地下防空洞洞宽约1．5 m，洞高约2．0 m，埋深约10．0 m，砖砌拱形结构．小区地面局部已发生塌陷脱空现象，如图2 所示．曾采取素土轻压回填措施，未压实．

图1 勘查程序

图2 局部地面塌陷脱空

对现状墙体的裂缝发育情况进行调查，主要特征有:①多处发育斜向裂缝，高端指向地面塌陷一侧，长度1．0 ～3．0 m，宽度0．5 ～1．0 cm，部分裂缝已贯通;②竖向裂缝，主要分布在发生沉降的横、纵墙交接部位，呈撕裂状．

根据该建筑物发生裂缝的部位及形态，经判断裂缝的发生系地面塌陷导致地基基础不均匀沉降所致，且裂缝最集中的区域为地面塌陷脱空部位．

3．2．2 现场勘探(物探、静探、钻探等)

现场勘探的目的是查明场区的工程地质条件以及浅埋洞室的位置，布设高密度电法物探、工程钻孔、静力触探和探坑．在钻孔内取原状土样进行土工试验，同时在现场勘探过程中加强对软弱地层(人工回填土等)的勘探．

根据调查结果，选择在地面塌陷、建筑物墙体裂缝发育较多的区域布设物探线，采用温纳装置测量，电极间距为1．0 m． 根据物探成果解译出异常区位置和走向，进而在异常区布置勘探点，以提高工效．

经钻探验证，浅部异常区是浅埋排水管道局部渗漏及地表局部下陷积水所致，深部异常区则为地下人防工程塌淤所致． 现场钻探与物探成果相互验证，吻合较好．考虑到需对现状地基、基础进行保护，防止地表水和地下水沿着钻孔、探坑入渗浸泡地基而使其软化，勘探结束后对钻孔、探坑进行黏性土分层回填、压实．

现场勘探验证地下人防工程存在塌落及泥土淤埋，查明的人防工程位置、走向以及不均匀沉降及塌陷部位情况均与搜集的资料基本吻合．

3．2．3 室内试验

根据资料及现场勘探情况，场地土自上而下主要划分为7 层，对所取的土样进行了物理力学试验，对主要土层物理力学指标进行数理统计，具体见表1．

表1 土层物理力学指标

续表

由表1 可知:该区地基均匀，场地土层主要为粉土、粉质黏土，其中浅层粉土、粉质黏土的渗透系数较大，土的渗透性较强，外部渗漏水易通过该层粉土下渗，降低了浅部地基土层的承载力，加大了地基的不均匀沉降．

3．3 人防工程围岩稳定性分析

3．3．1 定性分析

根据现场调查情况，结合勘查揭露的地下土层情况、地下防空洞的分布及现状条件，对其稳定性进行的定性分析如下:地下防空洞埋深较浅，约10．0 m，横断面宽度1．2 ～1．5 m，防空洞存在变形，且场地土层主要为粉土、粉质黏土，渗透性较强，防空洞稳定性较差．

3．3．2 定量分析

利用快速拉格朗日有限差分法FLAC 软件进行数值模拟定量研究，分析验证地面塌陷地质灾害与下伏防空洞围岩稳定情况的相互关系．

1)网格划分:选择剖面，根据地层岩性将模型划分为7 种材料类型，剖面在x 和y 方向各有延伸，确定为100 m×30 m，网格划分及地质结构模型如图3 和图4 所示，其中洞跨约为1．2 m．

图3 网格剖分图

图4 地质结构模型

2)边界条件:模型两侧水平位移约束(x =0)，垂直方向自由(y≠0);模型底部垂直、水平位移均约束(x =0，y =0);模型顶部即地表为自由边界(x≠0，y≠0)，从而构成位移边界条件，以保持整个系统受力体系的平衡．

3)参数选取:根据土工试验结果(表1)选取计算参数，见表2．

表2 岩土计算参数

4)选择工况:根据该防空洞的埋藏情况，分别选取防空洞顶板完整及顶板破坏两种情况进行数值模拟．

5)模拟结果分析:通过数值模拟得出地面的竖向位移情况如图5 所示．由图可知，在防空洞顶板完整的情况下，地面最大竖向位移为5 cm，防空洞在顶板完整的情况下对沉降变形影响不大;在防空洞顶板破坏的情况下，地面最大竖向位移为45 cm，发生在住宅楼二单元附近区域，与现状调查情况相吻合．可见防空洞变形破坏后，加大了地基不均匀沉降，存在安全隐患，急需采取治理及防护措施．

图5 地面竖向位移图

4 结 语

1)城市地下防空洞引发的地质灾害主要为不均匀沉降及地面塌陷，采用综合勘测方法——工程测量、钻探、静探以及土工试验，并结合高密度物探，确定了地下防空洞与既有建筑物的相对位置，查明了既有建筑物基础持力层岩性特征及土的物理力学性质指标，同时运用FLAC 进行数值模拟，综合分析地面塌陷灾害的成因及影响因素，提出符合实际情况的设计参数，为后续的防治措施提供依据．

2)住宅楼裂缝及地面塌陷的主要成因为地下防空洞的破坏变形以及地基土水浸后变软、承载力下降引起的不均匀沉降． 该防空洞为砖砌筑的拱形结构，由于建设时间较久，局部出现变形破坏，不宜承受过大荷载，存在安全隐患，需采取治理措施．

3)结合该工程特点，建议采用基础外扩承台梁+托换桩的加固处理方案;建筑物局部脱空部位建议采用半干水泥砂浆进行挤密式充填，充填后上部做防渗处理;对上部结构建议选取适宜的设计方案做加固性处理．

［1］陈爱新，刘长青．既有建筑物加固修缮勘察与地基基础加固方案选择［J］．工程勘察，2010(4):27 －30．

［2］王迎霜，苏志军．郑州市某住宅楼不均匀沉降地质灾害治理工程勘察报告［R］．北京:中化地质矿山总局化工地质调查总院，2012．

［3］潘纪顺，连光明，冷元宝，等．综合物探方法在鹤辉高速公路溶洞勘查中的应用［J］． 华北水利水电大学学报(自然科学版)，2015，36(2):49 －53．

［4］张永钧，叶书麟．既有建筑物地基基础加固工程实例应用手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［5］郑玉元．基础工程中遇地下人防洞室的勘察与评价—以贵阳某环形商城为例［J］． 贵州地质，1999，16(2):162 －168．