綜合勘探法在路基塌陷分析中的應用

孟維正, 李思江, 劉欣悅

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031)

中國是世界上黃土分布最廣的國家。中國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導致水利樞紐的受力異常，進而造成大壩壩體損壞。濱河大道路面下有天然氣管線，路基路面塌陷會導致部分管線懸空甚至斷裂，影響市內用氣并威脅人身安全。濱河大道東面居民區(qū)修建時，也曾出現過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隱患勘察中有廣泛的應用。宋希利[1]等人利用高密度電法在濟南市區(qū)舊房改造中準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]等人對呼武公路四座橋梁處利用高密度電法準確地劃分了地質結構；黃毓銘[4]等人利用綜合物探法探明了南寧市內9處地下溶洞，為地鐵設計建造提供了準確的工程資料。

為了尋找此次塌陷的原因，需對濱河大道進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)地質水文概況

項目所在地區(qū)的地表水流屬黃河水系，黃河流經市區(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、降水及水庫調節(jié)影響，年內水位變化較大，變化幅度一般為2～6m。

工區(qū)位于黃河東岸，為黃河堆積階地，地層產狀平緩，地下水流會對孔隙充填物質和上覆層沉積物潛蝕、沖刷并產生掏空作用。上部為細粒砂土層，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地質單元)，屬鄂爾多斯古大陸的一部分，本區(qū)地質構造簡單。表層主要為粉砂、細砂、含礫中細砂，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基坑降水速度過快，水流沿著土層裂隙將右岸地下土骨架中的大量粉細顆粒帶走，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，導致地下部分區(qū)域土質疏松。2011年病害發(fā)生后，該市對病害邊坡采取了高噴防滲墻等措施治理，對路基塌陷處進行了碎石等粗細骨料填充，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，現針對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

常用的工程地質勘探手段有開挖勘探、鉆孔勘探和地球物理勘探(簡稱物探)。地球物理勘探，是根據不同巖土層的變化在密度、導電性、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備，測量工區(qū)地球物理場變化，從而推斷水文地質情況的一種方法。物探按其所利用巖土物理性質的不同分為電法勘探、地震勘探、聲波探測、磁法勘探等。

電阻率與土體的物理性質、土體孔隙率以及土體孔隙中液體的性質有著十分密切的關系，電成像探測會對識別采空區(qū)、溶洞、斷層、軟弱土層等方面非常有效。目標區(qū)域具備進行物探的地球物理前提條件。

高密度電法具有剖面法和測深法的功能，可進行二維地電斷面的測量、地層的劃分、潛在斷層構造和巖溶空洞以及地層疏密情況的探測等。高密度電法是先在探測剖面上預先安裝多個電極，然后通過電極向地下輸送直流電，使地下形成穩(wěn)定的電流場，再用主機對所布設的探測剖面進行自動觀測和記錄，最后將主機內的數據傳入計算機。在計算機中采用瑞典Res2D軟件包進行電成像反演計算,進行圖像重建和處理步驟如下：剔除觀測中明顯錯誤的數據點，用線性插值補充剔除點位的數據，進行數據預處理；對地形起伏較大的地段進行地形校正；用偽剖面法建立高精度初始模型；用有限元法計算正演理論值；根據已得到的正演理論值和實測值得殘差，用最小二乘法修改模型數據，進行反演迭代；整理數據成圖。

本項目選用鉆探配合高密度電法的綜合勘探法。由于物探無法直接觀測地質狀況，故在塌坑出現后，先對塌坑附近地層進行了鉆探取樣。

2.2 勘探方案

2015年4月24日，位于黃河東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，詳見圖1。以塌坑為中心，距塌坑5m，按5～8m的孔距，采用用3臺工程汽車鉆機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的“DZD-6A”及“DUK-2”高密度電法測量儀，該儀器具有自動存儲，自動計算等功能，操作簡便。在工區(qū)內，由于場地限制，根據現場實際情況只能沿已鋪設完成的天然氣管線布設高密度電法勘探測線，由于場地長度滿足不了60道，每道10m的場地鋪設要求，經估測測線首尾距離，決定采用60道，每道5m的鋪設方式，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，詳見圖2測線剖面中心基站布置圖。

圖1 濱河路塌坑

圖2 測線剖面中心基站布置

3 勘探結果及討論

3.1 鉆探結果及討論

由于道路不能長時間封閉，利用一晝夜開挖了5個鉆孔，其中2個鉆孔因塌陷嚴重，未能鉆至預定深度，其他3個鉆孔有2個發(fā)現有軟弱土層存在。代表性鉆孔柱狀圖參數表ZK2和ZK4分別見表1和表2。ZK1號鉆孔，位于塌坑北側，據塌坑邊5m，鉆進深度50m，未發(fā)現有明顯的軟弱土層，標貫擊數變化不大，無突變現象；ZK2、ZK3號鉆孔，位于塌坑的西北側，距塌坑邊5m，因塌陷嚴重，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號鉆孔位于塌坑西側，距塌坑邊5m，鉆進深度50m。在孔深25～33m孔段(絕對標高1 055～1 047m)，鉆進速度突然加快，不用給壓進尺依然很快，泥漿消耗增加，但不漏漿掉鉆，標貫擊數突然變小，為軟弱土層。

本次鉆探地層結構簡述如下：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、密實狀態(tài)；6～21m深度范圍，以沉積形成的細砂或粉砂為主，呈飽和狀態(tài)，密實度較好，鉆孔在水位處易坍塌；21～25m深度范圍，以粉土或粉質黏土為主，夾雜細砂薄層，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)，原始地層密實度較好，但在25～33m深度范圍很松散，鉆進情況類似淤泥。

表1 ZK2鉆孔柱狀圖參數

表2 ZK4鉆孔柱狀圖參數

3.2 物探結果及討論

通過地球物理探測，將7個剖面中心基站所得的高密度電阻率剖面圖拼接后，發(fā)現四段地質異常區(qū)段，見圖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深度范圍內依次為填土(碎石、砂土)、細砂和粉砂、礫砂、粉土和粉黏土、粉砂等。由于填土層和粉細砂層過薄，電阻率變化不大，統(tǒng)一記為填土層，各層地下介質電阻率表見表3。

表3 地下介質電阻率 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，說明了路基壓實度較高，上部土層整體較密實，但部分區(qū)域土層疏松，含有不均勻介質。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，但仍在第四紀沖積層土層范圍之內，說明該區(qū)域土質較緊密，固結度較高；部分區(qū)域電阻率明顯偏低，說明該區(qū)域還未形成空洞或已經形成的空洞由地下水等導電性較好的材料所填充，土質密實度較低，并未達到該深度的土層應有的固結度，說明該區(qū)域土層曾發(fā)生過水流對細粒土的掏空運動。各測線詳細塌陷危險區(qū)見圖3加粗實線圈定區(qū)域。

圖3 高密度電阻率等值線拼接剖面

在1號剖面勘探測線上中心基站北30m到2號剖面中心基站南40m之間，路面下10～40m深度內，存在半徑約10m的低電阻率區(qū)域(地下一號軟弱土區(qū))，最低電阻率在17～20Ω·m之間，明顯低于第四紀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，由于汽車荷載的長期作用，極有可能發(fā)生塌陷。在一號剖面中心基站附近，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)域需要進行重點治理。

在3號剖面中心基站到4號剖面中心基站南60m之間，路面下30～80m深度范圍內，存在半徑約40m的低電阻閉合圈(地下二號軟弱土區(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，較一號和二號電阻率更小，說明該區(qū)土質更為疏松，飽水程度更高。該區(qū)同一深度的周圍土層電阻率高，說明周圍土體較密實，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，存在半徑20m左右的低電阻率閉合線圈(地下三號軟弱區(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，酌情進行治理。

在7號剖面勘探中心基站南30～110m之間，路面下25～60m深度范圍內，存在半徑約12m的低電阻率閉合線圈(地下四號軟弱區(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、二號、三號軟弱區(qū)更廣。地下四號軟弱區(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)筑物、天然氣管道等公共設施的安全使用，需重點治理。

由鉆探資料得知強濕陷性的馬蘭黃土主要分布在地面23m以下，與地下二號、三號、四號軟弱區(qū)頂層位置一致，說明這三個區(qū)域土層軟弱的一個原因是馬蘭黃土的濕陷性，在進行病害治理時應注重地下黃土的濕陷性。

4 結論

(1)通過塌陷發(fā)生時的現場鉆探，發(fā)現塌坑西北側路基已無承載能力，類似淤泥。塌坑西側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)由鉆探結果發(fā)現位于穩(wěn)定水位線之下的強濕陷性馬蘭黃土開始分布深度與物探結果發(fā)現的軟弱土層開始分布深度一致，故地下土層穩(wěn)定性降低與黃土的濕陷性有關。