城市人防工程地質勘查探討

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1城市地面塌陷災害

城市地下空間是以巖土體為介質和環境，地下防空洞所引發的地質災害因地質構造、巖土體性質、工程規模和施工方法而異，核心地質問題是巖土體強度、變形、水文條件以及巖土體與地下結構相互作用下的穩定性問題．一般情況下，由地下防空洞引發的地質災害破壞機制為:上部(荷載、水浸等)作用→洞室頂板受壓變形、巖土體局部屈服變形→洞頂、拱腳及洞腳附近應力集中→頂板彎曲變形(伴有局部脫落)→巖土層發生拉伸或局部剪切破壞→頂拱附近塑性破壞區擴展并與地表貫通→上覆巖土體剪切錯動→洞室破壞→地基基礎懸空→地面變形(不均勻沉降→塌陷→地面裂縫產生)→地表建筑物變形破壞(墻體裂縫、局部傾斜)→危害城市建設、威脅人身財產安全．由于城市地下防空洞是隱蔽的，幾乎無任何外在的直觀信息，如果頂板突然坍塌，時間短暫，一旦發生，造成的后果相當嚴重．例如，大連市某大樓因防空洞塌陷造成基礎懸空;清華大學第三教學樓配電間因防空洞影響產生局部沉降，導致墻體開裂;西寧市人防工程失效產生的地面變形已構成環境地質問題等．

2城市地面塌陷災害勘查與防治

2．1工程測量與現場調查相輔助

在現場進行細致的調查、記錄，對災害區實測定點，掌握原始的基礎資料，為后期的綜合分析提供直接的依據和支撐，同時也有利于治理方案的適宜性選擇．

2．2工程物探與鉆探相結合

對城市地下防空洞引發的地質災害進行工程地質勘查，其目的是查明淺埋洞室的范圍、規模、賦存的地質條件，提供圍巖的物理力學性質，分析其穩定程度，從而判斷其引發的地質災害的危害程度，預測發展趨勢并提出預防和治理方案．目前淺埋洞室的勘查手段較多，一般采用物探加鉆探等綜合勘查方式，常用的物探方法有:高密度電阻率法、地質雷達等，數字化采集設備及專業處理軟件等都對淺埋地下洞室的地面勘測定位提供了條件．在物探的基礎上，再通過鉆探驗證，可進一步對淺埋洞室做精確、合理的定位和探查，對物探成果也可做出準確的解譯．

2．3定性分析與定量評價相統一

勘查定位之后，就需要對地下結構的穩定性和安全性等問題進行分析和評價．經過幾十年的發展，研究地下結構穩定性的方法和手段已經越來越豐富．淺埋地下洞室圍巖穩定性分析和評價經歷了從定性到定量的過程，具體評價可概括為:實際洞體→幾何模型→力學模型→數學模型→計算方法→結論．其核心內容是數學模型、計算方法以及力學模型模擬的研究，近幾年來，隨著計算機的廣泛應用，數值模擬分析方法的運用越來越多．定性分析方法適用于初勘階段選擇場地及一般工程，洞室圍巖穩定性定性分析方法主要有綜合分析法、工程類比法等．定量分析法有荷載傳遞線交匯法、頂板厚跨比法、結構力學近似分析法(按梁板抗彎估算安全厚度和按梁板抗剪估算安全厚度)、普氏壓力拱理論分析法等，在具體確定圍巖穩定性時，還需依靠現場工程人員的經驗．此外，隨著現代化的計算手段和計算工具的發展，具有考慮各種因素、描述材料非線性和幾何非線性等能力和特點的數值分析方法的應用較為廣泛，其分析方法和成果更接近工程實際，成為近年來的方向和趨勢．

2．4城市地面塌陷災害防治

對于防空洞引發的地面塌陷災害防治，應結合現場地質條件、防空洞的現狀以及建筑物基底壓力等多種不同情況，綜合考慮采取防治措施．由于不同工程所處地質、水文環境條件和防空洞形式有較大差異，可采用的處理方法較多，處理效果差別較大．因此，需要根據具體情況選擇合理的處理方法，方法是否得當將關系到工程建設的經濟合理性與建筑的安全性．若地下防空洞洞頂距離基礎底面較淺，洞頂覆土不足以承受上部結構傳來的荷載，防空洞又無利用和加固價值，上部存在擬建建筑時，一般可采用揭露回填壓實的辦法進行處理，即采用灰土夯填壓實等方法，加強地基土強度，提高地基承載力．若防空洞上方存在正常使用建筑設備，為不破壞原有基礎，需盡可能小地擾動地基土，可選擇樁基加固法．即用基礎外擴承臺梁+托換樁的加固處理方案，將基礎上的荷載擴散傳至承臺梁，再由承臺梁通過托換樁(灌注樁)傳至深部較硬地層來加固處理．

3工程實例

3．1工程概況

鄭州市某小區建于20世紀70年代，建筑區存在地下防空洞，因年代久遠，地下防空洞發生一定程度的破壞，引發了地面塌陷，造成地面住宅樓墻體裂縫發育并貫通，威脅住戶安全．由于資料記載缺失，且沒有統一的標準和圖紙，僅搜集到早期簡要的手繪圖紙．因此，在治理之前必須進行勘查工作，查明場區的工程地質條件以及淺埋洞室的位置，分析地面塌陷的成因、分布范圍和規模、發展趨勢及對建筑物的危害情況，為治理工程設計提供地質依據．

3．2勘查方案(方法)制定

由于已有資料相對簡單，不能滿足現行地質災害防治的需求．因此，本次采用綜合勘探方法，以工程地質測繪、工程物探、鉆探以及土工試驗為主，并輔以現場調查等手段，對獲得的數據資料進行綜合分析．

3．2．1既有建筑物現狀調查

經調查，該小區住宅樓共5層，總高度約15m，條形基礎，磚混結構，埋深1．5m，下設0．3m厚三七灰土墊層．資料顯示，地下防空洞洞寬約1．5m，洞高約2．0m，埋深約10．0m，磚砌拱形結構．小區地面局部已發生塌陷脫空現象，如圖2所示．曾采取素土輕壓回填措施，未壓實．對現狀墻體的裂縫發育情況進行調查，主要特征有:①多處發育斜向裂縫，高端指向地面塌陷一側，長度1．0～3．0m，寬度0．5～1．0cm，部分裂縫已貫通;②豎向裂縫，主要分布在發生沉降的橫、縱墻交接部位，呈撕裂狀．根據該建筑物發生裂縫的部位及形態，經判斷裂縫的發生系地面塌陷導致地基基礎不均勻沉降所致，且裂縫最集中的區域為地面塌陷脫空部位．

3．2．2現場勘探(物探、靜探、鉆探等)

現場勘探的目的是查明場區的工程地質條件以及淺埋洞室的位置，布設高密度電法物探、工程鉆孔、靜力觸探和探坑．在鉆孔內取原狀土樣進行土工試驗，同時在現場勘探過程中加強對軟弱地層(人工回填土等)的勘探．根據調查結果，選擇在地面塌陷、建筑物墻體裂縫發育較多的區域布設物探線，采用溫納裝置測量，電極間距為1．0m．根據物探成果解譯出異常區位置和走向，進而在異常區布置勘探點，以提高工效．經鉆探驗證，淺部異常區是淺埋排水管道局部滲漏及地表局部下陷積水所致，深部異常區則為地下人防工程塌淤所致．現場鉆探與物探成果相互驗證，吻合較好．考慮到需對現狀地基、基礎進行保護，防止地表水和地下水沿著鉆孔、探坑入滲浸泡地基而使其軟化，勘探結束后對鉆孔、探坑進行黏性土分層回填、壓實．現場勘探驗證地下人防工程存在塌落及泥土淤埋，查明的人防工程位置、走向以及不均勻沉降及塌陷部位情況均與搜集的資料基本吻合．

3．2．3室內試驗

根據資料及現場勘探情況，場地土自上而下主要劃分為7層，對所取的土樣進行了物理力學試驗，對主要土層物理力學指標進行數理統計。

3．3人防工程圍巖穩定性分析

3．3．1定性分析

根據現場調查情況，結合勘查揭露的地下土層情況、地下防空洞的分布及現狀條件，對其穩定性進行的定性分析如下:地下防空洞埋深較淺，約10．0m，橫斷面寬度1．2～1．5m，防空洞存在變形，且場地土層主要為粉土、粉質黏土，滲透性較強，防空洞穩定性較差．

3．3．2定量分析

利用快速拉格朗日有限差分法FLAC軟件進行數值模擬定量研究，分析驗證地面塌陷地質災害與下伏防空洞圍巖穩定情況的相互關系．

4結語

1)城市地下防空洞引發的地質災害主要為不均勻沉降及地面塌陷，采用綜合勘測方法———工程測量、鉆探、靜探以及土工試驗，并結合高密度物探，確定了地下防空洞與既有建筑物的相對位置，查明了既有建筑物基礎持力層巖性特征及土的物理力學性質指標，同時運用FLAC進行數值模擬，綜合分析地面塌陷災害的成因及影響因素，提出符合實際情況的設計參數，為后續的防治措施提供依據．2)住宅樓裂縫及地面塌陷的主要成因為地下防空洞的破壞變形以及地基土水浸后變軟、承載力下降引起的不均勻沉降．該防空洞為磚砌筑的拱形結構，由于建設時間較久，局部出現變形破壞，不宜承受過大荷載，存在安全隱患，需采取治理措施．3)結合該工程特點，建議采用基礎外擴承臺梁+托換樁的加固處理方案;建筑物局部脫空部位建議采用半干水泥砂漿進行擠密式充填，充填后上部做防滲處理;對上部結構建議選取適宜的設計方案做加固性處理．

作者:王迎霜 蘇志軍 單位:中化地質礦山總局化工地質調查總院