涂 婧， 曾 嘉， 刘鹏瑞， 刘 帆， 陈标典， 李慧娟， 陈梦源

(1.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034; 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北 武汉 430034)

武汉市岩溶地质条件十分复杂，岩溶地面塌陷问题尤为突出。近年来，随着经济社会的不断发展，重大城市工程建设日益增多，岩溶地面塌陷对工程建设的影响也日趋严重，影响和制约着武汉市城市规划和建设。监测是预防地面塌陷发生、减少地质灾害损失的有效手段之一。然而岩溶地面塌陷具有突发性和隐蔽性特点，而且受到不断变化的多因素的影响，使其监测预报难度较大。近年来，武汉市投入大量人力、物力和财力开展了岩溶地面塌陷监测和研究工作，积累了丰富的成果资料和经验。然而目前针对武汉市岩溶地面塌陷监测方法的选取和布设，仍处于探索阶段，尚未形成完整的理论体系。

沈铭等[1]分析了地下水位监测、土体变形监测等方法的优缺点和适用性。李海涛等[2]从岩溶地面塌陷的分布规律和形成条件出发，总结了岩溶地面塌陷监测内容和相应的监测技术、方法和手段。蒋小珍等[3]系统介绍了岩溶地下水气压力监测技术及其应用成果。高宗军等[4]以山东省孟家庄地区为例，通过岩溶水位、水量、浊度及主要化学组分等指标分析，提出了短时间、小范围、较高精度的岩溶地面塌陷预测预报方法。蒙彦[5]从岩溶地面塌陷关键触发因素出发，运用地下水水位变幅、流速、水化学特征和浑浊度四个指标组合进行了岩溶地面塌陷多参数监测预警研究。黄文龙[6]以广东肇庆地区某自然村为例，提取水位变化速率、水力梯度等数据，对相关数据进行了对比分析。目前的研究多偏向于单个监测方法的分析，而武汉市岩溶区地下水、地面荷载和人类工程活动等叠加作用突出，地质环境和塌陷成因复杂且影响因素不确定，如何因地制宜地选择多维度监测方法是发展趋势[5]，从而集约高效地保障城市安全。

本文基于武汉市岩溶地面塌陷实时监测预警体系工作经验，结合岩溶地质环境条件和岩溶地面塌陷特征，探索合适的监测方法组合，为武汉市岩溶地面塌陷监测网建设提供依据，为武汉市城市空间优化布局、地下空间建设及安全防护提供技术保障。

1 现有岩溶地面塌陷监测网

1.1 监测网建设依据和过程

1.1.1理论基础

不同的岩溶地质结构具有不同的塌陷机理，其塌陷行为特征差别也较大[7]。岩溶地面塌陷监测工作应以岩溶地面塌陷机理为理论基础，选择适宜的监测指标和监测方法。本文以罗小杰等[8]提出的“三机理理论”为依据，即土洞型、沙漏型和泥流型塌陷机理。土洞型塌陷是在黏性土和密实砂性土层中，随着土洞的形成、演化和向上迁移，在外力作用下因土洞顶板拱效应失效而形成的地面塌陷。沙漏型塌陷是在诱发因素触发下，砂颗粒连同地下水一起向下漏失，同时在地面产生的变形反应。泥流型塌陷是软弱土体沿着岩溶通道发生流动变形，并逐渐在地面产生变形效应而形成的。

1.1.2基础监测网的建设

武汉市70%以上的岩溶地面塌陷为沙漏型塌陷，其主要分布于中心城区，该类型塌陷中地下水起关键性作用，因此在沙漏型塌陷地区首选地下水位监测。武汉市多数土洞型塌陷是由于抽排地下水、钻探或桩基施工造成地下水位剧烈波动，导致真空吸蚀、冲刷潜蚀等作用而诱发产生的。泥流型塌陷中软弱土的流动变形也与地下水作用密切相关。因此，地下水位监测是武汉市应用最为广泛的手段之一。武汉市依托岩溶塌陷调(勘)查等项目，逐步构建了以地下水位监测为主的基础监测网(图1)。

1.1.3重点监测区的建设

随着城市工程建设活动的增多，武汉市岩溶地面塌陷范围不断扩大，逐渐由中心城区向远郊新城区扩张，岩溶地质结构和诱发因素也呈现多样化发展，土洞型塌陷和泥流型塌陷比例增加，外加荷载或振动、土洞顶板弱化、人类活动破坏等也成为塌陷的主要诱发因素。由于多因素叠加作用日益突出，仅采用地下水单指标监测已无法满足武汉市岩溶地面塌陷防治要求，在此背景下，武汉市逐步开展了岩溶地面塌陷专业监测工作，因地制宜地选择适宜的多维度监测方法组合，构建了重点监测区专业监测网(图1)，开展精细化监测。

图1 武汉市岩溶地面塌陷监测网结构图

1.2 监测网现状

武汉市岩溶地面塌陷监测网分为两个层次，即全岩溶区的基础监测网和高易发区的重点监测网。

1.2.1基础监测网

基础监测网以区域性的整体控制为主要目的，全面控制武汉市8条岩溶条带(图2)，覆盖武汉市覆盖型和浅埋藏型岩溶发育区。武汉市岩溶地面塌陷基础监测网以地下水位监测为主，已基本实现武汉市岩溶水系统监控，可以为保护地质环境提供优质服务。

图2 武汉市岩溶地面塌陷监测网分布图

地下水位的快速或大幅波动可加速土洞的发展，水位的迅速下降可导致地下水渗透力的增加和负压的产生，从而增加致塌力，因此地下水位变化是监测区岩溶地面塌陷产生的主要诱发因素之一。尤其在人类活动引起岩溶水位波动剧烈的地段，地下水位监测是目前应用最为广泛的监测方法[9-10]。

1.2.2重点监测区

在基础监测网的基础上，依据岩溶地质环境条件、岩溶地面塌陷分布特征和人类工程活动条件等，选取重点监测区建立专业监测网。

武汉市有记载以来共发生38次岩溶地面塌陷，其中27次都集中在白沙洲长江沿岸。该地段水文地质条件和岩溶地质环境复杂，岩溶发育广泛，地下水径流强烈，且位于武汉市规划的主城区长江段和城市中轴文明景观带，区内中高层民用建筑、轨道交通、高架桥梁等工程建设活动增多，在一定程度上加剧了岩溶地面塌陷的风险。该地段的社会防灾减灾需求非常迫切，是开展岩溶地面塌陷重点监测的区域之一[11]。

江夏区扼守武汉南大门，是武汉市南部新城组群建设的重点区域，正处在快速发展时期，有较多的大规模工程建设活动。近年来武汉市岩溶地面塌陷也由中心城区向江夏区扩散，该市仅有的三例大型岩溶地面塌陷分布于江夏区和汉南区(分别位于纸坊—庙山、法泗、陡埠村)。前期地勘单位在纸坊—庙山、陡埠村—金水闸、法泗地段开展了1∶1万岩溶地面塌陷专项调查工作，为监测工程的设计和建设奠定了基础。纸坊—庙山地段为江夏区中心地段，人口密集且工程建设活动较多，区内岩溶强发育，分布有鹏湖湾、实验高级中学等多处岩溶地面塌陷。陡埠村—金水闸地段位于长江沿岸，为“上黏下砂”双层结构土体覆盖型岩溶区，地下水径流强烈，地形平坦低洼，岩溶地质环境脆弱，是发生岩溶地面塌陷的高危地段，区内发生过金水一村、金水办事处等岩溶地面塌陷。法泗地段位于长江一级阶地后缘、金水河沿岸，为“上黏下砂”双层结构土体覆盖型岩溶区，地下水径流强烈，岩溶强发育，也是发生岩溶地面塌陷的高危地段。

综上所述，选择白沙洲、纸坊—庙山、陡埠村—金水闸和法泗4个地段作为重点监测区，监测方法包括地下水位监测、微震监测、光纤传感技术监测、GNSS地表变形监测和降雨量监测等。

(1) 白沙洲重点监测区。该监测区位于汉阳区江堤街—洪山区青菱乡，分别地处长江西、东两岸一级阶地。据相关调查资料[12-13]显示，该监测区处于新隆—豹子澥复式倒转向斜核部，近EW向断裂(吴家山—花山断裂)和NNW向断裂(长江断裂、蒋家墩—青菱湖断裂)交汇部位，发育纵横交错的网格状裂隙系统，且分布有白沙洲古河道；另外上覆盖层主要为“上黏下砂”双层结构土体，局部地段分布多层结构土体，使得该区岩溶地质条件脆弱，岩溶地面塌陷频发，为武汉市岩溶地面塌陷最为集中的区域[14]。

该监测区主要开展地下水位监测。地下水位监测网由24个自动地下水位监测孔构成，依据地质条件及地下水径流方向，沿白沙洲岩溶条带长江两岸布设。长江西侧汉阳锦绣长江—国博一带分布有4对地下水位监测孔，每对监测孔包括1个裂隙岩溶水位监测孔和1个孔隙承压水位监测孔；长江东侧从阶地前缘—后缘分布有6对地下水位监测孔，另有4个孔隙承压水位监测孔。为了对比监测，还建设了10对光栅光纤渗压计地下水气压力监测孔，分别监测岩溶裂隙或管道系统水气压力和第四系含水层水气压力；另建设了15个振弦式渗压计地下水气压力监测孔，全部监测岩溶裂隙或管道系统水气压力。此外，在岩溶地面塌陷高易发区和工程施工密集区建设了23个垂直光纤监测点、2个水平光纤监测点、3个GNSS地表变形监测点(含1个基站和2个监测站)。在锦绣长江塌陷处布设了4个三分量振动监测设备，用于监测季节性水位变动、降雨、人类工程活动等对应的土体性质变化。另外在该监测区建设了1个降雨量监测点。通过上述多种监测手段达到相互验证、互为补充的效果。

(2) 纸坊—庙山重点监测区。该监测区位于江夏区都市发展区。据相关调查资料[15]显示，该监测区为单层黏土覆盖型岩溶区，局部地段分布有第四系残积层红黏土。浅层岩溶强发育，灰岩表面溶沟和溶槽较发育，使得其与覆盖层接触部位起伏大。区内发育有鹏湖湾、实验高级中学等多处岩溶地面塌陷，其中鹏湖湾岩溶地面塌陷为武汉市3个大型岩溶地面塌陷之一。

建设该监测网时，首先通过地质雷达和高密度电法分别探测土洞和溶洞发育地段；然后在岩溶地面塌陷高易发区(施工区、居民密集区、重要交通干线沿线等地的土洞或溶洞发育地段)建设了7个垂直光纤监测点、3个GNSS地表变形监测点(含1个基站和2个监测站)。垂直光纤布设至灰岩下2 m左右，实时监测第四系土体分层位移形变情况；GNSS基站建于不会发生地面沉降或变形的稳定地段(非岩溶区或岩溶不发育地段)，GNSS监测站则建于岩溶地面塌陷高易发区。此外，在有工程施工且岩溶发育、岩溶水水量较丰富的地段，沿岩溶水径流方向建设了7个地下水位监测点。另外在该监测区建设了1个降雨量监测点。

(3) 陡埠村—金水闸重点监测区。该监测区位于汉南区陡埠村—江夏区金水农场一带，地处长江西、东两岸一级阶地前缘。该监测区为“上黏下砂”双层结构土体覆盖型岩溶区，岩溶地面塌陷高易发，发生过陡埠村、金水一村、金水办事处等岩溶地面塌陷，其中陡埠村岩溶地面塌陷是武汉市3个大型岩溶地面塌陷之一。

目前在该监测区陡埠村建设了2对地下水位监测点(2个孔隙承压水位监测点、2个裂隙岩溶水位监测点)、4个GNSS地表变形监测点、1个降雨量监测点和1个声光报警点；在长江村、赤矶山村建设了2对地下水位监测点(2个孔隙承压水位监测点、2个裂隙岩溶水位监测点)。

(4) 法泗重点监测区。该监测区位于江夏区法泗街，地处长江一级阶地后缘、金水河沿岸，为“上黏下砂”双层结构土体覆盖型岩溶区，岩溶地面塌陷高易发，区内发生的法泗岩溶地面塌陷为武汉市3个大型岩溶地面塌陷之一。

目前在该监测区金水河两岸建设了9个地下水位监测点(4个孔隙承压水位监测点、5个裂隙岩溶水位监测点)；在居民密集区、武嘉高速沿线地段建设了7个垂直光纤监测点、2个GNSS地表变形监测点(含1个基站和1个监测站)；另建设了1个降雨量监测点。

2 监测工作经验

单种监测方法在岩溶地面塌陷监测中都有其局限性，因此岩溶地面塌陷监测应是一个系统工程，需综合运用多种监测方法。

2.1 地下水位和地下水气压力监测

地下水位监测对于岩溶地面塌陷的预警时效性处于地表变形监测之前，能有效地起到预警作用，但仍有许多方向需要进一步研究，如地表水与地下水之间的水力联系、地下水波动的预警阈值等。

地下水气压力监测与地下水位监测数据反映的结果总体是一致的，但是地下水气压力监测较地下水位监测更为敏感。监测点周边工程施工会造成地下岩溶空腔内水气压力频繁跳动，使得针对岩溶地面塌陷相关的水位波动幅度和频率阈值难以掌握。目前来看，在“上黏下砂”双层结构土体岩溶区内，地下水位监测比地下水气压力监测更适宜。

2.2 降雨量监测

降雨是武汉市早期岩溶地面塌陷(2001年以前)产生的重要诱因之一，在这些岩溶地面塌陷发生前往往都有一次持续时间较长的降雨。而2001年以来，随着武汉市城建的高速发展，大范围硬化地面使得表层渗透系数极小，加上第四系表层粉质黏土层的阻隔，造成降雨难以入渗直接诱发岩溶地面塌陷。目前武汉市城区地下水位与降雨量监测数据关系不明显，降雨已不再是武汉市城区岩溶地面塌陷的直接诱发因素，城区开展降雨量监测的敏感度和准确性相对较低。

2.3 微震监测

微震监测为岩溶地面塌陷监测的新方法，其采用地震波实现监测区面状监测和实时监测[16]，能起到预警作用。但由于震动事件不一定会引发地表形变，因此需要通过波形判断排除干扰杂波(如人类活动引起的)。正确识别微震事件能确保在岩溶地面塌陷发展到地表出现变形前发出预警，因此下一步需要在微震事件的自动判别、精准定位及其与地表形变的关系方面加强研究。该方法的缺点是设备成本较高，同时易遭受人为或塌陷破坏。

2.4 光纤传感技术监测

光纤传感监测技术的监测范围较小，但是敏感度较高，需要配合地球物理勘探(查)工作，在掌握土洞和岩溶发育情况后进行布设，主要适用于岩溶地面塌陷高易发区内重大建设工程的实时监测。目前从经济性、野外操作便利性和监测效果的角度比较，垂直光纤传感技术优于水平光纤传感技术。水平光纤传感系统埋设于浅层土体，采用人工回填和表层压实，在自重和雨水入渗等长期作用下，土体压实度会逐渐增加，易产生数据异常变化，而垂直光纤传感系统用于土体变形监测时可以很好地反映出深层土体的变化情况。振弦式渗压计对工程施工产生的振动和压力变化较为敏感，但难以针对岩溶地面塌陷起到预警预报的效果，而光纤光栅渗压计监测数据稳定性较好。

2.5 GNSS地表变形监测

GNSS地表变形监测在岩溶地面塌陷监测工作中能起到宏观监测的作用，但监测成果存在滞后性，无法起到实时预警的作用。该方法能很好地反映整个区域的变形趋势，可作为岩溶地面塌陷后期发展的预判依据，从而为岩溶地面塌陷过程和机理研究提供基础数据。

3 现有监测工作的不足

武汉市岩溶地面塌陷监测工作取得了一定成效，但与地质灾害防治目标和任务需求相比，仍有一定的差距[17]。

3.1 监测点空间布局系统性不足，控制面积和精度不满足需求

武汉市自20世纪70年代以来就开展了地下水位监测工作，监测点数量逐年增加，形成了一定规模的地下水位监测网，为地下水开发利用、岩溶地面塌陷防治、城市发展建设和科研提供了大量的基础数据。但是由于监测点大多是依托各个不同项目建设的，受各项目的工作范围、目标任务、精度的限制，监测点的空间布局不够合理，大多集中在中心城区，在局部地段过于集中甚至重叠，造成监测信息冗余；而有的地段控制不足甚至存在监测空白区，难以有效监测地下水的动态变化情况。因此当前需要补充全武汉市基础监测网建设。

3.2 预警预报和服务能力不足，监测缺乏一定的针对性

近年来，岩溶地面塌陷的发生数量呈逐年上升趋势，且从城区到远郊扩散，均与人类工程活动的诱发有关，说明工程施工期间安全监测未得到足够重视和有效保障，采取的防治措施有待完善。需要依据武汉市岩溶地面塌陷易发分区和重大工程施工建设情况，开展岩溶地面塌陷专业监测网建设，以保障施工区及其周边的安全。

3.3 监测点保护续存力度不足，监测数据不连续

由于工程活动破坏、维护修缮不及时、失去监测功能被淘汰等因素影响，地下水位监测点数量大量减少，许多监测点数据被迫中断，造成监测数据连续性不足，从而无法实现持续性监测效果。因此需要加强武汉市岩溶地面塌陷监测网运行管理，以更好地保障监测点的持续性工作能力。

4 监测方法适宜性和选择思路

4.1 监测指标和监测方法

岩溶地面塌陷的发生具有突发性和隐蔽性特点，要对其发生发展过程进行监测必须选择合适的指标，通过这些指标的动态变化来直接或间接的反映塌陷的发育过程。岩溶地面塌陷监测指标主要包括动力条件、土体内部变形、地表变形和宏观前兆现象(表1、表2)。其中，动力条件监测主要包括地下水位监测、振动监测和降雨量监测等。土体内部变形监测指隐伏土洞或土层扰动带向上发展演化过程的变形监测，监测方法包括地质雷达监测、同轴电缆时域反射监测、光纤应变监测、微震监测等。地表变形监测指地面沉降、房屋开裂等引起的变形监测，监测方法包括水准及坐标测量、GNSS监测、裂缝计监测等。宏观前兆现象监测的内容主要为地表和地下水宏观异常，如监测区地下水位突变(突然上升或下降、干枯)、井水混浊等现象，该类监测主要通过简易监测完成。

表1 岩溶地面塌陷监测指标及监测方法[16]

表2 岩溶地面塌陷监测方法比选表

4.2 监测思路

岩溶地面塌陷监测以岩溶地面塌陷机理为基础，结合地质结构和塌陷诱发因素来选择监测指标，再根据监测等级选择适宜的监测方法(图3)。

图3 岩溶地面塌陷监测方法选择思路

4.3 监测等级划分

依据岩溶地质环境条件(易发程度)、岩溶地面塌陷危害对象的重要性、成灾后可能威胁的人数或造成损失的大小等进行岩溶地面塌陷监测等级划分，可参考《岩溶地面塌陷监测规范(试行)》(T/CAGHP 075—2020)[18]。

4.4 监测指标选取

4.4.1土洞型塌陷监测

在黏性土覆盖层岩溶区，由于网纹状黏土强度高、渗透性低，地下渗流潜蚀成洞的可能性较小，岩溶地面塌陷在自然情况下很难发生，其主要由外加荷载(静荷载和动荷载)、振动、大量抽排水等人类工程活动诱发产生。土层在地下水位波动产生的胀缩崩解、真空吸蚀等作用下，底部土体剥离并向开口洞隙中流失，在黏性土中形成土洞；当存在地表水入渗或外界开挖、荷载、机械振动、钻探、桩基施工等诱发因素时，扰动土层或土洞的应力平衡遭到破坏，土体结构变得松散，内部黏聚力降低，直至土洞顶板拱效应失效而产生塌陷。

在土洞形成和发展的过程中，地层存在分层沉降现象，即地层整体都出现沉降，但不同深度的沉降量不等，越靠近基岩面沉降量越大。由于土洞型岩溶地面塌陷的土层从下至上均存在变形过程，因此适宜采用土体内部变形监测为主、地下水位和地表变形监测为辅的组合方法(表3)，且应根据地表沉降曲线的变化特征，选择合适的累计下沉量作为预警指标。针对大量抽排水因素，应密切关注监测区附近厂矿企业抽排岩溶水情况，将岩溶水位监测点布设于抽排水点附近。针对外加荷载因素，应重点关注建筑荷载对土洞稳定性影响，进而明确地面极限荷载，通过前期勘查资料明确地层几何结构，概化并建立相应的土洞稳定性评价模型，监测方法应以土体内部变形监测为主、地表变形或宏观巡查为辅。针对列车振动因素，可在列车运行线路左右一定范围内进行地球物理勘测，查明土洞发育分布情况，鉴于土洞顶板水平土压力和背离振源一侧洞肩竖直土压力变化敏感，应在相应部位布设土体内部变形监测点。

4.4.2沙漏型塌陷监测

在有砂性土的双层结构或多层结构覆盖型岩溶区，人类活动导致地质结构迅速被破坏，砂颗粒迅速漏失，砂层扰动带向上扩展的同时，横向扩展也在加快，土层顶板逐渐失稳而产生塌陷。地下水位变化是沙漏型岩溶地面塌陷产生的主要诱发因素之一，因此在此类区域应采用地下水位监测为主、土体内部变形监测为辅的组合方法(表3)。

表3 岩溶地面塌陷监测指标选取

4.4.3泥流型塌陷监测

软弱土体含水率高、孔隙比大、干密度低，呈软塑—流塑状，具有低的抗剪强度，因而具有较强的触变性及流变性，当岩溶通道和软弱土连通后(如钻探、桩基施工等)，受诱发因素(地下水活动或振动)触发，软弱土体可沿通道发生流动变形。若覆盖层上部为软弱土，则软弱土流动可以直接反映地表变形，可选择地表变形监测指标(表3)；若覆盖层上部为黏性土、下部为软弱土，软弱土体流失后，上部黏性土在振动、外加荷载或地下水活动等作用下发生变形，并逐渐发展至地表形成塌陷，此情况可选择土体内部变形监测，组合振动或地下水活动等诱发作用的监测指标(表3)。

4.5 监测方法选择

根据选取的监测指标，结合监测等级，选择适宜的监测方法组合(表4)。

表4 不同监测等级及其适宜的监测方法[16]

5 结论

(1) 武汉市现有岩溶地面塌陷监测网分为全岩溶区的基础监测网和高易发区的重点监测网，其中基础监测网以地下水位监测为主，覆盖了覆盖型和浅埋藏型岩溶发育区；重点监测网布设于白沙洲、纸坊—庙山、陡埠村—金水闸和法泗4个重点监测区，采用地下水位、微震、光纤传感技术、GNSS地表变形和降雨量监测等多种监测技术方法。

(2) 武汉市岩溶地面塌陷监测工作成效显著，但与地质灾害防治目标和任务需求相比，还存在监测点空间布局系统性不足、预警预报和服务能力不足、监测点保护续存力度不足等问题需要改善。

(3) 岩溶地面塌陷监测应以岩溶地面塌陷机理(“三机理理论”)为基础，结合地质结构和塌陷诱发因素来选择监测指标，再根据监测等级选择适宜的监测方法。对于土洞型塌陷，人类工程活动是主要诱因，宜采取土体内部变形监测为主、地下水位和地表变形监测为辅的组合方法；重点针对大量抽排水、外加荷载、振动等因素，结合土洞和溶洞探测结果，合理布设土体内部变形、地表变形和岩溶水位监测点。对于沙漏型塌陷，地下水位变化是主要诱因，宜采取地下水位监测为主、土体内部变形监测为辅的组合方法。对于泥流型塌陷，若覆盖层上部为软弱土，可选择地表变形监测；若覆盖层上部为黏性土、下部为软弱土，可选择土体内部变形监测，组合振动或地下水活动等诱发作用的监测指标。