王瑞芳

（武漢科技大學 城建學院土木系，湖北武漢430065）

0 引言

隨著城市化進程的推進，交通擁堵問題越來越突出。城市主管部門為緩解交通壓力、增加機動車的出行方式，采取向空中（高架橋）和地下（地鐵、隧道）延伸的方式來緩解交通堵塞的問題。地鐵、隧道建設若穿越巖溶地帶，巖溶會增加工程建設的難度，使造價提高。近年來關于巖溶方面的研究越來越多，如蔡晶晶[1]以南京地鐵3 號線將穿越崗谷地和巖溶區(qū)為工程背景，根據(jù)等值線圖中低電阻率分布特征推斷巖溶發(fā)育情況，其結果與鉆探結果較為吻合，取得了較好效果。劉猛[2]在鄂西山區(qū)某高速鐵路隧址區(qū)勘察過程中采用綜合勘探手段，通過鉆探與物探的相互驗證,較好地查清了隧址區(qū)鈣質膠結礫巖區(qū)巖溶發(fā)育、富水情況及斷層破碎帶分布情況。鄭江波[3]以廣州市地鐵某車站為例，采用鉆探和地震CT，對該車站的巖溶發(fā)育情況進行勘測。周大海、秦志明[4]以廣西隆林縣境內的克長至巖茶公路的巖溶塌陷為背景，提出合理有效的地質災害勘查手段，取得了預期的資料成果。

1 工程概況

某湖底隧道工程是穿越城市內湖的一條城市主干路，是城市二環(huán)線的分流通道。該項目包含地表及穿越內湖的隧道，隧道主線全長19.25km[5]。沿線地理環(huán)境較復雜，地面建筑物較多，地下管網(wǎng)較復雜，且兩次下穿地鐵線路。湖底隧道主要采用地下隧道形式建設，岸上段采用明挖法建設，水底段采用盾構法建設，隧道斷面為14.5m，單管雙層雙向4 車道，盾構段長8485.1m。根據(jù)隧道初、詳勘結果[5]，湖底隧道與道路相接段下伏基巖主要為C-T 石灰?guī)r等可溶巖，約合2010m 長。巖溶對設計、施工和隧道運營安全影響較大，為了查明巖溶發(fā)育特征，建設單位擬對已揭露碳酸鹽巖的區(qū)段進行巖溶專題勘察工作。

鉆孔過程中，工作人員發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r面上往往分布著一層軟弱的黏性土，增加了鉆探難度。石灰?guī)r內溶洞多，鉆探過程中漏水嚴重，導致巖渣難以排出，為下管鉆進造成了阻礙。另外，溶洞充填物往往容易垮塌，也增加了下管繼續(xù)鉆進難度。為提高對巖溶分布情況的勘探準確率及保證湖底盾構機的安全施工，項目采用鉆探與物探相結合的綜合手段，對場區(qū)巖溶發(fā)育特點進行分析，重點探查隧道底板以下一倍洞徑范圍內巖溶，評價其對隧道工程的影響，為隧道巖溶加固與處理提供可靠的地質資料。

2 勘察工作

該隧道為城市交通隧道，地表標高為15.8～26.3m，水位一般在19.5m 左右，隧道頂部標高為3.0～10.0m，隧道底部標高為-26～-5m（均為絕對標高）。以YRK155～YRK167 剖面圖為例，隧道頂板、底板與剖面圖的關系如圖1 所示。

圖1 彈性波隧道CT 地質剖面圖

由于巖溶發(fā)育具有隨機性以及隧道工程的重要特性，本次勘察所有鉆孔均不在隧洞軸線上，鉆探揭露的溶洞不在隧道部位。擬在隧道兩側布置勘探孔，鉆孔間距一般控制在10 ～12m，實際施工過程中根據(jù)地質條件可適當調整，對于物探CT 探查異常地段，適當布置鉆孔驗證。

在隧道洞身穿過的可溶巖區(qū)域進行專項勘察勘探孔布置，沿隧道軸線法線方向上，鉆孔盡量布置在隧道開挖邊界外側3～5m 范圍內，將法線方向上勘探孔間距控制在25m 以內（隧洞寬度14.5m），最大不超過30m[6-9]，如圖2 所示。

圖2 勘察平面布置圖

圖3 中，以YRK13 為例進行分析，巖土層分布不是很均勻，分別是淤泥質粉質黏土、粉質黏土、紅黏土、中風化石灰?guī)r，隧道穿越的土層主要為中風化泥質粉砂巖。從圖3 可以看出，巖溶發(fā)育嚴重。

圖3 剖面圖

3 物探方法選取

物探利用地下巖土體物理性質的差異來探測地層巖性、地質構造等地質問題，通常單一的物探手段對巖溶勘察精度是有限的，本次物探工作按下述方法進行[10]。

3.1 鉆孔彩色電視

采用鉆孔彩色電視進行鉆孔內溶洞和土洞的原位觀察，該系統(tǒng)的原理是采用反光錐鏡攝取360°孔壁圖像，由計算機對圖像進行采集處理，形成連續(xù)的全孔壁展開圖像，孔壁圖像的展開按N →E →S →W →N 的順序。該系統(tǒng)可進行孔壁圖像實時采集、展開處理、拼接、實時存盤，現(xiàn)場直接觀察全孔壁展開拼接圖像，實現(xiàn)電視探頭下鉆孔全孔壁一次成像，大大提高了生產(chǎn)效率和鉆孔資料的質量， 儀器裝置如圖4 所示。

為了查清場地巖層的產(chǎn)狀，本次勘察挑選了5 個孔進行孔內電視，采用GD3Q-GA6 型號，鉆孔直徑為500mm。由于擬建工程場地位于東湖水域，施工期間受季風氣候影響，波浪較大，造成孔內水渾濁，故實際只有一組孔YZ6 鉆孔有彩色電視成果，如圖5 所示。在鉆孔深度35.0～36.0m 深度處，有豎直裂隙，裂隙寬度為2mm 左右，為張開裂隙。從圖4 可以看出，巖層溶隙孔洞發(fā)育較多。通過觀察鉆孔彩色電視成果，發(fā)現(xiàn)巖層風化嚴重，且有溶蝕現(xiàn)象[5，11]。

圖4 鉆孔彩色電視儀器

圖5 YZ6 鉆孔在不同深度的巖層狀態(tài)

3.2 孔間電磁波CT 層析成像

本次巖溶專項勘察主要采用孔間電磁波CT 層析成像，目的是探查湖底下隱伏巖溶、破碎帶、溶蝕裂隙帶的發(fā)育及分布規(guī)律，根據(jù)測區(qū)的溶洞及裂隙在剖面上的異常特征，可以反映其分布形態(tài)及地下隱伏的地質構造情況。

湖底隧道下伏基巖主要以灰?guī)r為主，灰?guī)r強度高、裂隙較少、電阻率較高，對電磁波的吸收能力弱。對于泥巖、砂巖、頁巖、硅質巖等電磁波無法穿透的非可溶性碳酸鹽巖區(qū)域，沒有劃分基巖較完整的分界線。各地層時代巖性視吸收系數(shù)特征如表1所示。

表1 各地層時代巖性電磁波CT 視吸收系數(shù)特征表

現(xiàn)場物探拍攝圖片及數(shù)據(jù)分析結果如圖6 所示。

圖6 孔間電磁波CT 射線與成果分布圖

圖6（a）中，巖層深度較淺范圍內出現(xiàn)視吸收系數(shù)高值區(qū)域，呈現(xiàn)為深色區(qū)塊 ；隨著深度的增加，巖層出現(xiàn)裂隙，巖溶的比例也在增大，說明盾構機在湖底隧道施工需重點關注深度大的巖溶、裂隙。

3.3 孔間彈性波CT

彈性波層析成像（CT）基本原理同電磁波CT 原理類似，曲線如圖6（b）所示。在彈性波CT 地質剖面圖上確定剖面異常的原則有兩個[12-13]：（1）在較完整巖體里，波速值≥4000m/s；（2）在巖體較差或土巖結合部視波速值比背景值小1000 ～2000m/s。同時結合具體的地質、鉆孔資料，對異常進行分類，基巖面界線大致以波速值≥2400m/s 為界劃分。根據(jù)波速的變化來反映地質體的特征，一般情況下巖溶、破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)等地質異常區(qū)會表現(xiàn)出低波速異常，CT 彈性波圖像特征見表2。

表2 CT 剖面圖像特征表

4 勘查和物探溶洞在高程上的分布特征

根據(jù)本次勘察期間水位觀測情況，鉆孔揭露溶洞均位于湖水地下水位以下。地下水位以下的溶洞基本處于飽水狀態(tài)，溶洞空腔富水性很強[14]，隧道開挖時應重點注意可能揭露富水含泥溶洞的突水、涌泥問題。

4.1 鉆孔溶洞在高程上的分布特征

在湖底隧道區(qū)間，鉆孔揭露的溶洞數(shù)量較多，溶洞頂板在高程上的分布統(tǒng)計見圖7。其中：T1d——三疊系大冶組，P1g+P1q——二疊系下統(tǒng)孤峰組和棲霞組，C2h+c——石炭系上統(tǒng)黃龍和船山組。

圖7 鉆孔溶洞頂板高程分布圖

由圖7 可知，鉆孔所揭露的溶洞頂板高程大多集中在5～-20m高程段，共有大小溶洞641 個，約占溶洞總數(shù)的86.70%，此高程段以外勘探深度范圍巖溶相對不發(fā)育，各巖溶層組的溶洞分布高程略有差異。T1d 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-10 ～10m，P1g+P1q 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-20 ～10m，C2h+c 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～5m。

4.2 物探CT 推測巖溶異常點在高程上的分布特征

由圖8 可知，物探所揭露的溶洞頂板高程大多集中在5 ～-30m 高程段，共有大小溶洞813 個，約占溶洞總數(shù)的79.7%。各巖溶層組的溶洞分布高程略有差異，T1d 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～10m，P1g+P1q 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～10m，C2h+c 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-30 ～5m。

圖8 物探CT 推測巖溶異常點頂板高程分布圖

電磁波CT 探測共發(fā)現(xiàn)異常點1020 個，其中537 個異常點與鉆孔揭露的溶洞相吻合，其余483 個異常點位于鉆孔之間。該項目共布置40 個物探異常驗證孔，實際完成35 個，其中33個異常區(qū)揭露為溶洞，2 個異常區(qū)揭露為巖體的碎裂結構。

結合鉆探、物探CT 探測成果分析，物探CT 推測的巖溶異常點的高程分布規(guī)律與鉆孔揭露的溶洞高程分布規(guī)律基本吻合。場地內溶洞頂板高程大多分布在5 ～-20m 高程段，其余高程段溶洞分布較少，表明場地灰?guī)r中溶洞、溶隙處于淺部巖溶發(fā)育帶內。

5 結論

本文采用鉆探和物探相結合的方法進行巖溶專項勘察，物探采用孔內彩色電視、孔間電磁波CT、孔間彈性波CT，彌補了鉆探以點代面的缺點，保證了工程的勘察質量，加快了工程的勘察進度。通過工程實踐，得出如下結論：

（1）該項目的勘測方法可直觀地探查隱伏巖溶、破碎帶、溶蝕裂隙帶的發(fā)育情況及分布規(guī)律，確定地層巖性及巖溶發(fā)育帶等異常地質體；

（2）鉆孔揭露巖溶分布，具有直觀可靠的優(yōu)點，但鉆探揭示的地質體情況是“點狀分布”，且施工費用高、時間長。物探方法屬于間接勘探方法，可從宏觀層面探測目標地質體的整體情況，具有勘測周期短、勘察范圍大的“面狀分布”特點。通過鉆探和多種物探勘測結合的方式進行綜合分析，可以提升勘察成果的準確率[15]；

（3）比較圖6 和圖7，鉆孔揭露的巖溶異常點分布和物探CT 推測的巖溶異常點在高程上的分布規(guī)律很相似，說明鉆孔和物探CT 相結合及相互驗證，能較好地查明湖底隧道巖溶洞分布等，進一步可分析成因與發(fā)展趨勢，及對工程可能產(chǎn)生的后果。

針對城市湖底隧道分布有巖溶，巖溶發(fā)育強、對施工及運行危害大的缺陷，采用多種物探技術與鉆探結合，對巖溶的分布狀況及溶洞的大小、充填情況進行勘探，取得了較好的勘探效果，可為后續(xù)盾構機在湖底隧道安全施工前對溶洞進行注漿處理提供有力的依據(jù)。