孟維正, 李思江, 劉欣悅

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)

中國(guó)是世界上黃土分布最廣的國(guó)家。中國(guó)黃土集中分布于黃土高原，其中濕陷性黃土約占黃土分布總面積的3/4,常常導(dǎo)致工程病害。

該市濱河大道地處黃土高原北部，緊鄰黃河，濕陷性黃土廣泛分布。濱河大道在2011年和2015年發(fā)生兩次路面塌陷。濱河大道西鄰水利樞紐，路基路面大面積塌方會(huì)導(dǎo)致水利樞紐的受力異常，進(jìn)而造成大壩壩體損壞。濱河大道路面下有天然氣管線，路基路面塌陷會(huì)導(dǎo)致部分管線懸空甚至斷裂，影響市內(nèi)用氣并威脅人身安全。濱河大道東面居民區(qū)修建時(shí)，也曾出現(xiàn)過(guò)住宅基坑附近地面塌陷。

高密度電法在地下空洞和堤壩公路地質(zhì)隱患勘察中有廣泛的應(yīng)用。宋希利[1]等人利用高密度電法在濟(jì)南市區(qū)舊房改造中準(zhǔn)確探明了地下空洞的位置及范圍；劉文偉[2]等人在常張高速公路中利用高密度電法勘測(cè)了地下軟土的分布范圍并分析了病害原因；李東林[3]等人對(duì)呼武公路四座橋梁處利用高密度電法準(zhǔn)確地劃分了地質(zhì)結(jié)構(gòu)；黃毓銘[4]等人利用綜合物探法探明了南寧市內(nèi)9處地下溶洞，為地鐵設(shè)計(jì)建造提供了準(zhǔn)確的工程資料。

為了尋找此次塌陷的原因，需對(duì)濱河大道進(jìn)行鉆探及高密度電法的綜合勘探，確定地下軟弱土層分布位置及范圍，探討導(dǎo)致濱河公路路面塌陷的可能原因。

1 工程概況

1.1 塌陷區(qū)地質(zhì)水文概況

項(xiàng)目所在地區(qū)的地表水流屬黃河水系，黃河流經(jīng)市區(qū)105km，平均河寬150～500m，水深2.5～11.6m，多年平均徑流量269×108m3。黃河水由于受上游融雪、降水及水庫(kù)調(diào)節(jié)影響，年內(nèi)水位變化較大，變化幅度一般為2～6m。

工區(qū)位于黃河?xùn)|岸，為黃河堆積階地，地層產(chǎn)狀平緩，地下水流會(huì)對(duì)孔隙充填物質(zhì)和上覆層沉積物潛蝕、沖刷并產(chǎn)生掏空作用。上部為細(xì)粒砂土層，厚度不大，中部為卵礫石層，平均厚度40m，下部為河相沉積物及基底。

工區(qū)地層為第四系上更新統(tǒng)沖積、湖積(Q3al+l)堆積層(第Ⅲ地質(zhì)單元)，屬鄂爾多斯古大陸的一部分，本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。表層主要為粉砂、細(xì)砂、含礫中細(xì)砂，夾有黏性土透鏡體和少量砂礫石。在地表6.5m以下為褐色黏性土層，為具有強(qiáng)烈濕陷性的馬蘭黃土。

1.2 工程病害

2011年7月濱河大道路面塌陷，塌陷長(zhǎng)約10m、寬約10m、深約10m，塌陷處距離地下管線約20m。濕陷性黃土地區(qū)質(zhì)地疏松，孔隙和裂隙大量發(fā)育，易發(fā)生潛蝕。2011年修建黃河水利樞紐工程時(shí)基坑降水速度過(guò)快，水流沿著土層裂隙將右岸地下土骨架中的大量粉細(xì)顆粒帶走，形成地下水流通道。地下通道形成后，地下水又從不同方位向通道匯集，使通道逐漸變寬變高，導(dǎo)致地下部分區(qū)域土質(zhì)疏松。2011年病害發(fā)生后，該市對(duì)病害邊坡采取了高噴防滲墻等措施治理，對(duì)路基塌陷處進(jìn)行了碎石等粗細(xì)骨料填充，順利完成大壩修建[5]。但2015年4月24日又發(fā)生了塌陷，事發(fā)位置與2011年7月塌陷坑基本相鄰，現(xiàn)針對(duì)2015年路基塌陷做以下勘探分析。

2 塌陷區(qū)勘探方法及方案

2.1 勘探方法

常用的工程地質(zhì)勘探手段有開(kāi)挖勘探、鉆孔勘探和地球物理勘探(簡(jiǎn)稱物探)。地球物理勘探，是根據(jù)不同巖土層的變化在密度、導(dǎo)電性、磁性、彈性、放射性等方面的差異，選用不同的物理方法和勘探設(shè)備，測(cè)量工區(qū)地球物理場(chǎng)變化，從而推斷水文地質(zhì)情況的一種方法。物探按其所利用巖土物理性質(zhì)的不同分為電法勘探、地震勘探、聲波探測(cè)、磁法勘探等。

電阻率與土體的物理性質(zhì)、土體孔隙率以及土體孔隙中液體的性質(zhì)有著十分密切的關(guān)系，電成像探測(cè)會(huì)對(duì)識(shí)別采空區(qū)、溶洞、斷層、軟弱土層等方面非常有效。目標(biāo)區(qū)域具備進(jìn)行物探的地球物理前提條件。

高密度電法具有剖面法和測(cè)深法的功能，可進(jìn)行二維地電斷面的測(cè)量、地層的劃分、潛在斷層構(gòu)造和巖溶空洞以及地層疏密情況的探測(cè)等。高密度電法是先在探測(cè)剖面上預(yù)先安裝多個(gè)電極，然后通過(guò)電極向地下輸送直流電，使地下形成穩(wěn)定的電流場(chǎng)，再用主機(jī)對(duì)所布設(shè)的探測(cè)剖面進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄，最后將主機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中采用瑞典Res2D軟件包進(jìn)行電成像反演計(jì)算,進(jìn)行圖像重建和處理步驟如下：剔除觀測(cè)中明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用線性插值補(bǔ)充剔除點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；對(duì)地形起伏較大的地段進(jìn)行地形校正；用偽剖面法建立高精度初始模型；用有限元法計(jì)算正演理論值；根據(jù)已得到的正演理論值和實(shí)測(cè)值得殘差，用最小二乘法修改模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行反演迭代；整理數(shù)據(jù)成圖。

本項(xiàng)目選用鉆探配合高密度電法的綜合勘探法。由于物探無(wú)法直接觀測(cè)地質(zhì)狀況，故在塌坑出現(xiàn)后，先對(duì)塌坑附近地層進(jìn)行了鉆探取樣。

2.2 勘探方案

2015年4月24日，位于黃河?xùn)|岸的濱河大道路面發(fā)生了塌陷，塌坑呈圓形，直徑3m，深度4m，詳見(jiàn)圖1。以塌坑為中心，距塌坑5m，按5～8m的孔距，采用用3臺(tái)工程汽車鉆機(jī)呈放射狀向四周布置施工鉆孔，孔深為50m，探查地下空洞或軟弱土層的情況。

本次物探使用重慶奔騰儀器廠生產(chǎn)的“DZD-6A”及“DUK-2”高密度電法測(cè)量?jī)x，該儀器具有自動(dòng)存儲(chǔ)，自動(dòng)計(jì)算等功能，操作簡(jiǎn)便。在工區(qū)內(nèi)，由于場(chǎng)地限制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況只能沿已鋪設(shè)完成的天然氣管線布設(shè)高密度電法勘探測(cè)線，由于場(chǎng)地長(zhǎng)度滿足不了60道，每道10m的場(chǎng)地鋪設(shè)要求，經(jīng)估測(cè)測(cè)線首尾距離，決定采用60道，每道5m的鋪設(shè)方式，所有道間距采用米尺丈量，電極采用溫納排列。從北至南建立第一至第七剖面中心基站，詳見(jiàn)圖2測(cè)線剖面中心基站布置圖。

圖1 濱河路塌坑

圖2 測(cè)線剖面中心基站布置

3 勘探結(jié)果及討論

3.1 鉆探結(jié)果及討論

由于道路不能長(zhǎng)時(shí)間封閉，利用一晝夜開(kāi)挖了5個(gè)鉆孔，其中2個(gè)鉆孔因塌陷嚴(yán)重，未能鉆至預(yù)定深度，其他3個(gè)鉆孔有2個(gè)發(fā)現(xiàn)有軟弱土層存在。代表性鉆孔柱狀圖參數(shù)表ZK2和ZK4分別見(jiàn)表1和表2。ZK1號(hào)鉆孔，位于塌坑北側(cè)，據(jù)塌坑邊5m，鉆進(jìn)深度50m，未發(fā)現(xiàn)有明顯的軟弱土層，標(biāo)貫擊數(shù)變化不大，無(wú)突變現(xiàn)象；ZK2、ZK3號(hào)鉆孔，位于塌坑的西北側(cè)，距塌坑邊5m，因塌陷嚴(yán)重，未鉆成功，從取樣情況看，主要為人工填入的碎石料，可能是打在了上次塌坑邊緣；ZK4、ZK5號(hào)鉆孔位于塌坑西側(cè)，距塌坑邊5m，鉆進(jìn)深度50m。在孔深25～33m孔段(絕對(duì)標(biāo)高1 055～1 047m)，鉆進(jìn)速度突然加快，不用給壓進(jìn)尺依然很快，泥漿消耗增加，但不漏漿掉鉆，標(biāo)貫擊數(shù)突然變小，為軟弱土層。

本次鉆探地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述如下：工區(qū)地下水位線在地面下6.5m左右；0～6m深度范圍，以路基填土、礫砂為主，呈中密、密實(shí)狀態(tài)；6～21m深度范圍，以沉積形成的細(xì)砂或粉砂為主，呈飽和狀態(tài)，密實(shí)度較好，鉆孔在水位處易坍塌；21～25m深度范圍，以粉土或粉質(zhì)黏土為主，夾雜細(xì)砂薄層，呈硬塑狀；25～50m深度范圍主要為粉砂層，夾黏性土薄層，呈飽和狀態(tài)，原始地層密實(shí)度較好，但在25～33m深度范圍很松散，鉆進(jìn)情況類似淤泥。

表1 ZK2鉆孔柱狀圖參數(shù)

表2 ZK4鉆孔柱狀圖參數(shù)

3.2 物探結(jié)果及討論

通過(guò)地球物理探測(cè)，將7個(gè)剖面中心基站所得的高密度電阻率剖面圖拼接后，發(fā)現(xiàn)四段地質(zhì)異常區(qū)段，見(jiàn)圖3高密度電阻率等值線拼接剖面圖，剖面為沿天然氣管線走向，為NS方向。

由鉆探資料得知，由地面至地下50m深度范圍內(nèi)依次為填土(碎石、砂土)、細(xì)砂和粉砂、礫砂、粉土和粉黏土、粉砂等。由于填土層和粉細(xì)砂層過(guò)薄，電阻率變化不大，統(tǒng)一記為填土層，各層地下介質(zhì)電阻率表見(jiàn)表3。

表3 地下介質(zhì)電阻率 Ω·m

在高密度電阻率剖面圖上，土層上部總體電阻率較高，局部電阻率較低，說(shuō)明了路基壓實(shí)度較高，上部土層整體較密實(shí)，但部分區(qū)域土層疏松，含有不均勻介質(zhì)。土層下部高電阻率區(qū)域與低電阻率區(qū)域相間分布，雖然部分區(qū)域電阻率偏高，但仍在第四紀(jì)沖積層土層范圍之內(nèi)，說(shuō)明該區(qū)域土質(zhì)較緊密，固結(jié)度較高；部分區(qū)域電阻率明顯偏低，說(shuō)明該區(qū)域還未形成空洞或已經(jīng)形成的空洞由地下水等導(dǎo)電性較好的材料所填充，土質(zhì)密實(shí)度較低，并未達(dá)到該深度的土層應(yīng)有的固結(jié)度，說(shuō)明該區(qū)域土層曾發(fā)生過(guò)水流對(duì)細(xì)粒土的掏空運(yùn)動(dòng)。各測(cè)線詳細(xì)塌陷危險(xiǎn)區(qū)見(jiàn)圖3加粗實(shí)線圈定區(qū)域。

圖3 高密度電阻率等值線拼接剖面

在1號(hào)剖面勘探測(cè)線上中心基站北30m到2號(hào)剖面中心基站南40m之間，路面下10～40m深度內(nèi)，存在半徑約10m的低電阻率區(qū)域(地下一號(hào)軟弱土區(qū))，最低電阻率在17～20Ω·m之間，明顯低于第四紀(jì)沖積層礫砂和粉黏土的電阻率。由鉆探資料得知在深度穩(wěn)定水位線以下，說(shuō)明該區(qū)土層疏松，土層孔隙由低電阻率的水分所填充。該區(qū)上部覆蓋層較薄，由于汽車荷載的長(zhǎng)期作用，極有可能發(fā)生塌陷。在一號(hào)剖面中心基站附近，低電阻區(qū)一部分已由地下延伸至地表，說(shuō)明了該區(qū)路基已被破壞，已不能滿足正常使用極限狀態(tài)的要求，路面塌陷可能性極高，此區(qū)域需要進(jìn)行重點(diǎn)治理。

在3號(hào)剖面中心基站到4號(hào)剖面中心基站南60m之間，路面下30～80m深度范圍內(nèi)，存在半徑約40m的低電阻閉合圈(地下二號(hào)軟弱土區(qū))，南北分布區(qū)域較窄，主要沿縱深分布，最低電阻率小于10Ω·m。該區(qū)域在穩(wěn)定水位線以下，較一號(hào)和二號(hào)電阻率更小，說(shuō)明該區(qū)土質(zhì)更為疏松，飽水程度更高。該區(qū)同一深度的周圍土層電阻率高，說(shuō)明周圍土體較密實(shí)，該區(qū)易形成地下空洞。雖然上部覆蓋層較厚，但仍有一定塌陷隱患。

在6號(hào)剖面勘探中心基站北30m至中心基站南30m之間，路面下45～90m深度范圍內(nèi)，存在半徑20m左右的低電阻率閉合線圈(地下三號(hào)軟弱區(qū))，最低電阻率在18Ω·m左右，該區(qū)主要沿縱深分布。該區(qū)與地下二號(hào)軟弱區(qū)類似，易形成地下空洞，上部覆蓋層較厚，仍有塌陷隱患，酌情進(jìn)行治理。

在7號(hào)剖面勘探中心基站南30～110m之間，路面下25～60m深度范圍內(nèi)，存在半徑約12m的低電阻率閉合線圈(地下四號(hào)軟弱區(qū))，最低電阻在18Ω·m左右，主要沿南北方向分布，影響范圍較地下一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)軟弱區(qū)更廣。地下四號(hào)軟弱區(qū)上覆土層較薄，但土層電阻率較穩(wěn)定，雖未發(fā)生路基路面塌陷，但塌陷發(fā)生概率較大，塌陷空間較大，波及范圍較廣，影響濱河大道、地面建(構(gòu))筑物、天然氣管道等公共設(shè)施的安全使用，需重點(diǎn)治理。

由鉆探資料得知強(qiáng)濕陷性的馬蘭黃土主要分布在地面23m以下，與地下二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)軟弱區(qū)頂層位置一致，說(shuō)明這三個(gè)區(qū)域土層軟弱的一個(gè)原因是馬蘭黃土的濕陷性，在進(jìn)行病害治理時(shí)應(yīng)注重地下黃土的濕陷性。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)塌陷發(fā)生時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)鉆探，發(fā)現(xiàn)塌坑西北側(cè)路基已無(wú)承載能力，類似淤泥。塌坑西側(cè)路基尚有一定承載能力，但路基下存在軟弱土層。

(2)由高密度電法勘探發(fā)現(xiàn)在塌坑西北-東南方向，地下存在4處軟弱土層區(qū)，雖并未形成地下空洞，但隱患較大。

(3)由鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn)位于穩(wěn)定水位線之下的強(qiáng)濕陷性馬蘭黃土開(kāi)始分布深度與物探結(jié)果發(fā)現(xiàn)的軟弱土層開(kāi)始分布深度一致，故地下土層穩(wěn)定性降低與黃土的濕陷性有關(guān)。