■ 上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 王威汐

濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司 郭建民

濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院 薛明華

前言

濟(jì)南市區(qū)南部普遍分布著寒武—奧陶系石灰?guī)r，常見(jiàn)溶溝、溶槽、溶洞、溶蝕裂隙等巖溶發(fā)育現(xiàn)象，受構(gòu)造、巖性、地下水等因素影響，部分地段巖溶較發(fā)育，給工程建設(shè)帶來(lái)了不利影響。巖溶對(duì)軌道交通區(qū)間隧道工程安全的影響突出表現(xiàn)在：溶洞的存在導(dǎo)致巖石地基承載力降低，增加了圍巖的不穩(wěn)定因素，溶洞頂板的坍塌可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的沉陷，給盾構(gòu)施工帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)；洞穴充填物較松軟，使周邊地層應(yīng)力重分布，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響；隧道切穿巖溶有壓通道出現(xiàn)突水，涌水將洞內(nèi)堆積物攜出造成突泥等安全事故。[1]-[2]因此，在隧道施工前查明巖溶的發(fā)育位置、規(guī)模及巖溶水的賦存情況，采取合理的處治措施，對(duì)規(guī)避軌道交通建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)極為重要。

濟(jì)南軌道交通某區(qū)間隧道位于市區(qū)南部，擬采用盾構(gòu)法施工，結(jié)構(gòu)底板埋深20.0m ～30.0m，隧道洞身位于中風(fēng)化灰?guī)r層，隧道直徑6.4m。根據(jù)初勘、詳勘資料，下伏基巖以中風(fēng)化石灰?guī)r為主，局部地段較破碎，溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，鉆孔見(jiàn)洞隙率高達(dá)40%，線巖溶率為2.76%～33.58%，平均線巖溶率7.2%，前期鉆孔揭露溶洞46個(gè)，其中，位于隧道頂板以上溶洞5個(gè)，隧道洞身范圍內(nèi)溶洞11個(gè)，底板以下0m ～5m 范圍內(nèi)溶洞14個(gè)，底板以下5m ～10m 范圍內(nèi)溶洞12個(gè)，底板以下大于10m 深度溶洞4個(gè)。

區(qū)間隧道位于快速路市政道路下，市政道路于近期進(jìn)行改造，在區(qū)間隧道上方擬建設(shè)綜合管廊，管廊先于區(qū)間隧道建設(shè)，若快速路建成后，采取地面注漿方式對(duì)溶洞處理會(huì)面臨困難。因此，需在快速路施工前探明巖溶的發(fā)育情況，提前采取處治措施。

勘察方法的選擇

因巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，僅靠鉆探手段難以查明其發(fā)育特征，且地鐵線路多沿市政道路下敷設(shè)，鉆孔布置常受道路交通、地下管線等因素影響，導(dǎo)致在勘察階段，鉆孔密度不宜過(guò)大，因此，對(duì)于軌道交通工程而言，巖溶的探查常利用鉆探與物探相結(jié)合的方法。

在充分考慮場(chǎng)地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件等因素的基礎(chǔ)上，本區(qū)間巖溶專項(xiàng)勘察的工作流程為：沿區(qū)間隧道左右線布置地面物探測(cè)線，結(jié)合前期初勘、詳勘鉆孔資料，圈定物探異常區(qū)（巖溶發(fā)育地段），在巖溶發(fā)育地段布置勘察鉆孔，在鉆孔之間進(jìn)行跨孔CT 測(cè)試。

由于物探是通過(guò)儀器測(cè)試獲得巖土層物性差異的信息，并推測(cè)介質(zhì)體內(nèi)的目標(biāo)，由于不同場(chǎng)地的地質(zhì)條件差異較大，物探使用的限制性較為明顯，因此，需要根據(jù)探測(cè)目標(biāo)選擇適合的方法。綜合各因素后，該工程擬采用高密度電法和淺層地震反射波法地面物探手段進(jìn)行掃面，選擇跨孔電磁波CT 探測(cè)兩鉆孔之間的巖溶發(fā)育情況。

該項(xiàng)目沿線場(chǎng)地地形較為平坦，覆蓋層厚度約12.5m ～ 27.0m，覆蓋層厚度相對(duì)較淺，下伏中風(fēng)化灰?guī)r，沿線地層電性差異化明顯。巖土體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、孔隙度及含水量等特征均會(huì)影響其電阻率[3]，完整的灰?guī)r孔隙度小、含水量小、電阻率較高，受溶蝕后，裂隙發(fā)育、空隙度增大、含水量升高，電阻率值會(huì)明顯低于周圍圍巖的電阻率值，若溶蝕范圍很大，形成很大的空洞，電阻率反而增大，在電阻率剖面上呈現(xiàn)高阻異常，電性差異為高密度電法勘察提供了充分的物性基礎(chǔ)。

對(duì)于淺層地震法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地震反射試驗(yàn)和表層低速帶調(diào)查資料表明，測(cè)區(qū)第四系地層介質(zhì)、基巖破碎帶、風(fēng)化帶或溶洞表現(xiàn)為具有低密低速的物性特點(diǎn)，而相對(duì)較完整的灰?guī)r地帶具有較高密度和高速特點(diǎn)。利用不同介質(zhì)波阻抗差異較大特點(diǎn)，具備開(kāi)展淺層地震縱波反射法探測(cè)的物理前提。

在物探異常區(qū)布置鉆孔，鉆孔布置在隧道結(jié)構(gòu)外邊線3m左右，沿輪廓線交錯(cuò)布置，鉆孔間距控制在20m以內(nèi)，鉆孔深度進(jìn)入結(jié)構(gòu)底板以下10m，在鉆孔中遇溶洞充填物進(jìn)行取樣和原位測(cè)試工作，以查明充填物的力學(xué)性質(zhì)。

圖1 高密度電法工作原理

在正式探測(cè)前，對(duì)選擇的物探方法進(jìn)行了有效性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇了合適的裝置和參數(shù)。

物探方法原理及儀器選用

高密度電法

高密度電法勘探系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和資料處理兩部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，把電極布設(shè)在一定間隔的測(cè)點(diǎn)上，利用多芯電纜將其連接到程控式多路電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上，電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是一種受微片機(jī)控制的電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，可以根據(jù)需要自動(dòng)進(jìn)行電極裝置形式、電極距及測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。測(cè)量信號(hào)通過(guò)電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)送入微機(jī)工程電測(cè)儀，并將測(cè)量結(jié)果依次存入隨機(jī)存儲(chǔ)器后，利用微機(jī)便可按給定程序?qū)υ假Y料進(jìn)行處理。高密度電法勘探系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)信息量大、工作效率高、裝置形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理見(jiàn)圖1。

此次勘察儀器使用的是青島驕鵬工程技術(shù)研究所生產(chǎn)的E60DN 型高密度電阻率儀，儀器采用程控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和電極控制。考慮到此次對(duì)物探探測(cè)的精度要求較高，勘察擬聯(lián)合使用溫納裝置（α 排列裝置）和三極裝置，電極距為2m。

淺層地震縱波反射

淺層地震反射波探測(cè)是在離震源較近的若干觀測(cè)點(diǎn)上，測(cè)定地震波從震源到不同彈性的地層界面反射回到地面的旅行時(shí)間，測(cè)線不同位置法線反射時(shí)間的變化反映了地下地層的構(gòu)造形態(tài)，從而達(dá)到劃分地層層位或斷層、巖溶的目的[4]。此次探測(cè)采用單邊激發(fā)多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)，工作采用的裝置道間距2m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果采用不同的偏移距，接收道數(shù)為72道，覆蓋次數(shù)為9次。震源激發(fā)采用連續(xù)變頻掃描方式，頻率掃描范圍為20Hz-120Hz，掃描長(zhǎng)度10s，起始和終了斜坡取0.5s，采樣間隔0.5ms，記錄長(zhǎng)度1000ms。在每條測(cè)線探測(cè)工作實(shí)施前，均進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)試驗(yàn)、激發(fā)能量試驗(yàn)以及環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)。

淺震勘探的資料處理采用Vista 地震數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖2。

圖2 淺震勘探數(shù)據(jù)處理流程

若地震時(shí)間剖面上有反射波同相軸錯(cuò)斷或缺失、波形紊亂、反射波頻率降低、能量增強(qiáng)、速度降低等特征，推測(cè)為破碎帶或溶洞。

跨孔電磁波CT 測(cè)試

跨孔電磁波CT 是一種高頻的電磁波物理勘探方法，根據(jù)地下介質(zhì)對(duì)高頻電磁波的吸收差異，達(dá)到圈定異常體（如溶洞、斷裂帶等）的目的。電磁波在地下巖體中傳播時(shí)，由于巖體電阻率和介電常數(shù)的不同，它們對(duì)電磁波能量吸收不同，完整的灰?guī)r呈現(xiàn)高阻、衰減較小，而灰?guī)r中的斷層破碎帶或裂隙發(fā)育區(qū)，對(duì)電磁波的吸收能力增強(qiáng)，遇充泥、充水溶洞時(shí)，透視的電磁波能量大量被吸收。相比于彈性波CT、超聲波CT，電磁波CT 成像的優(yōu)點(diǎn)是儀器輕便、探測(cè)精度較高。

此次電磁波CT 探測(cè)使用廊坊市迪遠(yuǎn)儀器有限公司生產(chǎn)的JW-6型地下電磁波儀系統(tǒng)，主要由鉆孔發(fā)射機(jī)、鉆孔接收機(jī)、地面控制和數(shù)據(jù)采集器，天線及其輔助設(shè)備、充電器等組成，以跨孔方式探測(cè)鉆孔間的剖面。觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置見(jiàn)圖3。

圖3 JW-6型地下電磁波儀現(xiàn)場(chǎng)布置圖

成果分析

地面物探

（1） 高密度電法探測(cè)

圖4為高密度電法剖面5及地質(zhì)解釋圖，從圖像分析可知：視電阻率大致均勻分布，物性層位清晰，有一定規(guī)律，能夠反映土層、巖石內(nèi)部情況?？傮w來(lái)看，在縱向上，視電阻率值呈現(xiàn)高—低—高特征，其電性分布特征反映出了巖性的差異，橫向上視電阻率在剖面中部出現(xiàn)低阻異常。

縱向上約0m-4m 之間淺部地表內(nèi)有相對(duì)高阻，主要是由于淺層的人工雜填土的影響；縱向上約4m-16m之間視電阻率阻值變化相對(duì)較低，該層主要為第四系土層，局部包含碎石土；縱向上約16m-40m 之間視電阻率阻值相對(duì)較高，推斷16m-40m 之間為較完整石灰?guī)r，需要注意的是，橫向上100m 附近在35m-40m 深度位置出現(xiàn)明顯的低阻異常，推測(cè)此處可能為巖溶發(fā)育，橫向上160m 附近剖面中部出現(xiàn)了明顯的低阻異常條帶，寬度約30m，推測(cè)此處可能為構(gòu)造破碎帶或溶蝕裂隙發(fā)育帶。

（2） 淺層地震探測(cè)

因市政道路交通車流量大、背景干擾較大，為規(guī)避干擾，保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量選擇在夜間10時(shí)至凌晨4時(shí)施工。

圖5為測(cè)線III 疊加時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋圖，測(cè)線長(zhǎng)度406m，該測(cè)線的地下反射信息單一。根據(jù)剖面反射波場(chǎng)特征，在該剖面上共解釋了1組特征明顯的地層反射，即在剖面圖中的標(biāo)識(shí)為T(mén)1波組。T1波組對(duì)應(yīng)基巖頂面，依據(jù)鉆探資料校正計(jì)算得到T1時(shí)深埋深的等效速度約為1320m/s，測(cè)線范圍內(nèi)基巖面在9m ～18m 之間。

結(jié)合疊加時(shí)間剖面和鉆探資料，在CDP18-70、CDP120-190、CDP195-270和CDP280-320反射信息弱至不可見(jiàn)，推測(cè)為異常區(qū)域。

跨孔電磁波CT

根據(jù)物探解釋成果，場(chǎng)地巖溶發(fā)育不規(guī)則，根據(jù)跨孔CT 的探測(cè)結(jié)果與鉆孔資料的對(duì)比分析，跨孔CT 反映的結(jié)果與鉆探資料基本吻合，鉆孔揭示的溶洞在電磁波成像上均有反映，圖6為部分鉆孔間獲得的電磁波吸收系數(shù)成像剖面，色標(biāo)顏色的差異體現(xiàn)了地層對(duì)電磁波吸收程度的差異。

圖4 高密度電法剖面及地質(zhì)解釋圖

圖5 測(cè)線III 疊加時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋圖

圖6 跨孔電磁波測(cè)試成果圖

跨孔電磁波CT 根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播差異解釋巖溶的發(fā)育情況及邊界情況，受地質(zhì)模型的簡(jiǎn)化、介質(zhì)各向異性、成像算法等因素影響，跨孔CT 解譯的溶洞邊界與鉆探有少量偏差，需加強(qiáng)與鉆探資料的對(duì)比解譯。

溶洞發(fā)育特征

本段共探測(cè)到溶洞146個(gè)，其中無(wú)充填的空洞13個(gè)、半充填的溶洞1個(gè)，其余均充填可硬塑狀黏土或黏土混少量碎石，最大洞高4m。從探測(cè)結(jié)果來(lái)看，巖溶多沿裂隙、層面溶蝕擴(kuò)大為巖溶化裂隙或小型洞穴，部分溶洞上下連通，在同一個(gè)鉆孔中表現(xiàn)為串珠狀。溶洞高度H＜1m 的71個(gè)，占48.6%；1m ≤H＜3m 的67個(gè)，占45.9%；H＞3m 的8個(gè)，占5.5%。結(jié)合物探測(cè)試成果來(lái)看，溶洞的洞高和平面尺寸集中在0.5m ～3.0m 范圍內(nèi)。

根據(jù)鉆探及物探資料，溶洞的垂直分布特征見(jiàn)表1，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，巖溶主要分布在隧道洞身范圍內(nèi)及底板下0～5m 范圍內(nèi)。

表1 溶洞的垂直分布特征統(tǒng)計(jì)一覽表

巖溶處治措施

根據(jù)溶洞發(fā)育特征及與隧道的位置關(guān)系，一般可劃分為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[5]，地鐵隧道輪廓線兩側(cè)及上部3m范圍內(nèi)和下部5m 范圍內(nèi)為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其余區(qū)域?yàn)榈惋L(fēng)險(xiǎn)區(qū)。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的溶洞處理原則是保證填充密實(shí)。

高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的全填充型溶洞，若填充物為硬塑狀且溶洞無(wú)滲漏水現(xiàn)象，一般可不予處理，對(duì)于空洞、半充填型溶洞或充填物較軟弱、或滲漏水明顯的溶洞，則需對(duì)此類溶洞進(jìn)行注漿加固處理。隧道高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)正上方若有半填充溶洞或空洞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行注漿處理。

巖溶對(duì)區(qū)間隧道的影響與其分布的部位及巖溶發(fā)育的規(guī)模大小有關(guān)，按巖溶分布深度與基礎(chǔ)底板的關(guān)系分別評(píng)價(jià)如下：

（1）頂板以上：共揭示溶洞41 個(gè)，洞高0.20m ～3.10m，平均1.13m，均為硬塑黏土或黏土混碎石充填，且溶洞均位于地下水位以上不含水，可不予處理。

（2）洞身范圍內(nèi)：共揭示溶洞56個(gè)，洞高0.20m ～ 4.10m，平均1.10m，其中空洞7個(gè)、半充填1個(gè)，余為硬塑狀黏土或黏土混碎石充填。根據(jù)物探及鉆探成果，溶洞具有一定的連通性，且鉆探過(guò)程中普遍漏水，因空洞規(guī)模較小，可通過(guò)高壓灌漿處理。

（3）底板以下0 ～5m 范圍：共揭示溶洞30 個(gè)，洞高0.20m ～3.90m，平均1.16m，其中空洞3個(gè)，其余為硬塑狀黏土或黏土混碎石充填。根據(jù)物探及鉆探成果，溶洞具有一定的連通性，且鉆探過(guò)程中普遍漏水，因空洞規(guī)模較小，可通過(guò)高壓灌漿處理。

（4） 底板5m以下范圍：共揭示溶洞19個(gè)，洞高0.50m～3.30m，平均1.20m，其中空洞3個(gè)，其余為硬塑狀黏土或黏土混碎石充填。因其在隧道底板以下5m 范圍外，對(duì)隧道建成后運(yùn)行影響小，但該深度處于地下水的季節(jié)性波動(dòng)范圍以內(nèi)，溶洞具備繼續(xù)發(fā)育的條件，基于地鐵工程為百年運(yùn)營(yíng)周期，從安全角度考慮，建議對(duì)其進(jìn)行注漿加固處理。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，巖溶勘察利用綜合勘察手段，可以減少鉆探數(shù)量，降低鉆探風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省勘察成本和工期；根據(jù)勘察的目的和任務(wù)要求，充分利用前期勘察成果，分析各地層或目標(biāo)物的特點(diǎn)和物理性質(zhì)差異，選擇合適的探測(cè)手段，對(duì)探測(cè)的精度具有至關(guān)重要的影響；任何一種物探方法都有其局限性，需要多種勘察手段綜合應(yīng)用，且需要結(jié)合一定數(shù)量的鉆孔資料分析，進(jìn)行互補(bǔ)、驗(yàn)證，以提高資料的解譯精度和成果的可靠性。