张野
北京帝测科技股份有限公司 北京市 100012
摘要：地面塌陷是在一定条件下,自然动力或人为动力造成地表浅层岩土体向下陷落,在地面形成陷坑的动力地质作用，是一种常见的地质灾害,会对人们生产生活造成不同程度的影响和破坏，因此查明造成地质灾害的具体原因，及时采取有效措施尤为重要。
本文结合工程实例，探讨物探测试[1]与传统勘察钻探相结合的方法，查明地面塌陷的原因，并提出有效建议。传统的勘察钻探只是揭露钻孔位置以下的地层情况，物探测试是通过电波、地震产生的振动波的波形变化判断地层变化，波速相同的不同物质则无法从波形上做出准确的判断，钻探则弥补了物探测试的局限性。
关键词：地面塌陷，物探测试，钻探技术
一、工程概况
某项目主楼地上4层，高18.0m，地下1层，框架结构，筏板基础。于2016年开工，2017年竣工，2018年正式投入使用。不到1年的时间，主楼西北角约5m处突然坍塌，形成一个直径5.0m，深度约6.0m呈井筒形垂直塌落的大坑，塌陷实土体积约100m3。踏勘发现坑内主楼基坑护壁锚杆从北侧全部削断，南侧的钢筋向下弯曲，可以看出，塌陷速度快，能量大，危险性高。（见照片1-1、1-2）。
本次勘查的任务是对塌陷区域进行调查并分析，确定洞体塌落原因，并提出塌陷的处理建议。
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二、工程地质条件
根据区域地质资料，拟建场地位于山前台地，上部覆盖层为人工堆积层、新近沉积层和一般第四纪沉积层，覆盖层厚度20~50m；其下为古生代石炭纪太原组的沉积岩，沉积厚度120~240m。
三、洞体形成原因分析及工作思路
1、形成原因分析
场区60年代为砖窑；70年代主楼北侧建设两排厂房，厂房可能存在地下设备间；位于山前，有存在暗河的可能；场地覆盖层下为沉积岩，存在岩溶、基岩裂隙的可能，是本场区潜在的塌陷内在原因。
历史上附近未出现过塌陷。由于主楼荷载较大，使四周土层应力改变，影响土层原有的应力平衡，可能是地面塌陷的外在原因。
2、工作思路
针对以上论述，从三个阶段展开工作。
第一阶段：采用共振法探测地层情况，查明是否存在人防、地下暗河、基岩裂隙、岩溶溶洞。
第二阶段：采用钻探方法对场地塌陷区域进行探测，查明地下土层岩性、密实度情况，对物探测试结果进行验证。
第三阶段：通过物探和勘探的结果进行综合分析[2]，判断塌陷的原因并提出相关建议。
四、共振成像系统
1、共振成像原理
各地质体有其自身的固有频率，当有一个宽频的震动传播到该地质体，特征固有频率能量将被放大，通过观测被放大的特征频率信号，对特征频率信号成像获得地下精细成像。
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固有频率与地质体的厚度，纵波速度，横波速度，密度等有关，从而有函数：
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根据函数建立方程组，通过反演就可以得到各地质体的厚度等参数[4]。
2、共振成像的特点与优势
①层析速度快、稳定性好；
②具有较高分辨率；
③探测深度大，可以达到150m。
3、共振成像探测
共振成像[3]使用正交三分量高灵敏度长周期宽频地震仪，为节点式地震仪，可单独使用，内置3x32位高精度ΔΣ模数转换器，瞬时动态范围优于144dB，主要用于微震、共振成像勘探。
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4、成果分析
（1）异常点分析
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line1断面：0～-8m深度等值线以低值为主，为粘质粉土填土、粉质粘土及粘质粉土不均匀结构的综合反应； 8～13m桩号-3～-22m和-37～-50m深度在横向上有较明显的畸变，为本次解释YC1位置；15～23m桩号-12m深度附近有较明显的低值异常，为本次解释YC2位置。
line2断面：0～-8m深度等值线以低值为主，为粘质粉土填土、粉质粘土及粘质粉土不均匀结构的综合反应；9～14m桩号-6～-20m深度等值线值与两侧相比浅部偏大，深部偏小，为场地塌陷位置，解释YC1位置；18～24 m桩号-12m深度附近有较明显的低值异常，为解释YC2；48～54m桩号的-38～-50m深度有较明显的低值异常，为本次解释YC4位置；68～86 m桩号-5m深度附近有明显的低值异常，与地下室位置相对应；90～94m桩号-4～-22m深度、-35～-50m深度有明显的低值异常，为本次解释YC5位置。
line3断面：0～-8m深度等值线上以低值为主，为粘质粉土填土、粉质粘土及粘质粉土不均匀结构的综合反应；塌陷填土位置位于7～12m桩号，在断面上为高值异常，13～20 m桩号处-6～-16m深度有较明显的低值异常，为解释YC2位置。
line4断面：15～48m桩号-3m深度附近有较明显的低值畸变，为地下室影响；72m和80m桩号附近在-35.0m和-38.0m处纵向上有较明显的地值异常，可能为岩溶裂隙，为解释异常YC6和YC7。
（2）基岩裂隙分析
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从共振成像分析，基岩埋深为25.0~38.0m，场区覆盖层以下基岩可能存在隐伏断裂带。隐伏断裂在上覆土层固结后再次活动的话，就有因断裂错动出现缝隙的可能，由于土层应力环境改变和水的作用，就会形成塌陷漏斗。
五、钻探验证
在塌陷区域附近选取两个位置进行钻探查看地层，按岩性特征、物理力学性质分为7个大层8个亚层，自上而下为：
人工堆积层①层房渣土，杂色，稍密，稍湿。
新近沉积层②层粉质黏土，褐黄色，湿，可塑；②1层碎石，杂色，中密，湿。
一般第四纪沉积层③层黏质粉土及粉质黏土，褐黄色，密实，湿，硬塑；③1层碎石，杂色，密实，湿；④层粉质黏土，褐黄色，很湿，可塑；④1层碎石，杂色，密实，湿；⑤粉质黏土褐黄色，密实，湿，硬塑；⑤1碎石，杂色，密实，湿；⑥碎石，杂色，密实，湿；⑥1粉质黏土，褐黄色，很湿，可塑。
石炭纪沉积岩⑦灰岩，灰黑色，上部较破碎形成空洞，50m以下完整性好。
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六、综合分析
通过对钻探结果和共振成像综合分析发现，塌陷区域地层主要以粉土、粘性土为主，局部出现由于塌陷导致的密实度较差的地层，1#钻孔于35.4m处出现掉钻现象，为地下空洞，判断为存在基岩裂隙发育带，2#钻孔为正常基岩地层，分析为从西北向东南延伸，裂隙发育最宽（约8m）存在塌陷洞体附近（物探异常YC1点），其余异常点深度也在30~38m左右，分析为基岩裂隙，但裂隙较窄，地面塌落的可能性较小。
地下基岩裂隙发育带及地下空洞原因是早期地块运动、断裂构造引起，形成年代久远。本场地原为厂房，多为轻钢结构，荷载较小，裂隙上方土层应力未发生变化，地层结构稳定，未出现地面沉陷等灾害。场区主楼2016年开工并于2018年3月竣工完成，由于规范要求抗震级别较高，钢筋混凝土用量较大。主楼荷载和基础埋深较大，主楼的基底及侧向应力作用使得基岩裂隙上覆的土层应力环境发生改变，从而发生土层失稳、塌落现象。
七、建议
（1）建议采用高压灌浆对地下空洞进行填充，从根源上杜绝地面塌陷[2]的形成。
（2）对场区地面全部进行硬化处理，硬化材料采用加钢筋网混凝土，钢筋混凝土的强度较高，会对局部出现土层塌陷起到支撑作用，给人员安全带来一定保障。
（3）建议对场区内及主楼进行监测，防患于未然。
结论：
（1）通过进行对塌陷区域的专项地质调查、物探及钻探勘察，查明了本项目塌陷的具体原因是地面以下35m～50m为基岩裂隙发育带形成的空洞，使得上覆的土层应力环境发生改变，从而发生土层失稳、塌落现象。
（2）对地下空洞进行填充、地面的硬化处理可以使地层相对稳定，减少对地表的影响，保障建构筑物及人员安全。
（3）通过对本项目的研究发现采用物探测试与勘察钻探的结合[3]的方案，弥补了传统勘察钻探的单一性，补充了物探测试的多解性，为专项勘察的准确性提供了有力保障，避免产生人员伤害和经济损失。
参考文献：
[1].胡巧. 工程物探在勘察中的应用. 49. 2016.
[2].王宗涛. 综合勘探方法在地面塌陷勘察中的应用分析[J]. 智能城市, 2020.
[3].黄金莉, 刘家琦, 欧阳代俊,等. 工程物探中地震层析成像的研究. 2018.