深圳某明挖地鐵車站勘察方法研究及處理技術(shù)

賈振坡 梁曉輝

(1.中國礦業(yè)大學(xué),北京 100083; 2.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,北京 100101)

1 概述

深圳地區(qū)的可溶巖主要為覆蓋型和埋藏型，覆蓋型可溶巖分布于龍崗區(qū)大部分地區(qū)，屬可溶巖相對緩坡帶；埋藏型可溶巖主要分布于龍崗及坑梓地區(qū)的第四系谷、盆邊緣及兩側(cè)山體低洼處的測水組砂頁巖之下；巖溶不良地質(zhì)的勘察及處理技術(shù)成為該地區(qū)工程建設(shè)的主要難題之一，如何合理、準(zhǔn)確的探明巖溶分布位置、類型和規(guī)模成為工程建設(shè)成功與否的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

2 工程概況

深圳市某地鐵車站設(shè)計(jì)全長為225 m，結(jié)構(gòu)標(biāo)高約為21.8 m，底板埋深約為18 m。本次施工方法采用明挖法施工，擬建場地內(nèi)巖溶為覆蓋型巖溶，發(fā)育類型主要有溶洞和溶隙。

3 勘察方法與手段

根據(jù)已掌握的地質(zhì)資料和地質(zhì)情況，綜合選擇鉆探、地球物理勘探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)、水文地質(zhì)試驗(yàn)等方法，并結(jié)合鉆探物探相互驗(yàn)證、兩種或兩種以上物探方法共同驗(yàn)證等手段[1]，有針對性地進(jìn)行巖溶專項(xiàng)勘察。

3.1 工程地質(zhì)調(diào)查

為了深入研究勘察區(qū)域巖溶發(fā)育的區(qū)域地質(zhì)背景，收集了深圳市1∶5萬地質(zhì)圖、《深圳市龍崗區(qū)巖溶塌陷災(zāi)害勘查報(bào)告》(廣東省深圳市地質(zhì)局，深圳市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1998年7月)、《深圳地質(zhì)》(地質(zhì)出版社，2009.08)和相關(guān)區(qū)域道路及房屋建筑勘察資料，并對曾經(jīng)發(fā)生過巖溶地面塌陷的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查核實(shí)。

3.2 工程地質(zhì)鉆探

鉆探的目的主要是查明施工場地下伏基巖埋深和巖面起伏情況，查明可能存在的巖溶洞穴的發(fā)育程度和空間分布以及洞穴中巖溶水的埋深、動(dòng)態(tài)、水動(dòng)力特征等；為物探提供CT孔，驗(yàn)證物探發(fā)現(xiàn)的異常情況；開展溶洞充填物原位測試和取樣試驗(yàn)。

鉆探勘探點(diǎn)的布置主要遵循以下原則。

3.2.1鉆孔平面布置

按車站輪廓線沿車站敷設(shè)方向布置三排鉆孔，鉆孔間距為15 m。其中車站兩側(cè)邊線鉆孔利用詳勘鉆孔。

3.2.2鉆孔深度布置

1)控制性勘探孔進(jìn)入結(jié)構(gòu)底板下不小于25 m或進(jìn)入結(jié)構(gòu)底板以下中等風(fēng)化或微風(fēng)化不小于5 m，一般性勘探孔進(jìn)入底板下不小于15 m或進(jìn)入結(jié)構(gòu)底板以下中等風(fēng)化或微風(fēng)化不小于3 m；要求深度內(nèi)遇微風(fēng)化巖時(shí)，控制性勘探孔可鉆入微風(fēng)化巖3 m～5 m，一般性勘探孔可鉆入微風(fēng)化巖1 m～2 m；要求巖溶發(fā)育地段鉆孔孔深至少要進(jìn)入結(jié)構(gòu)底板或樁端平面以下10 m；揭露溶洞時(shí)可根據(jù)工程需要適當(dāng)加深。

2)根據(jù)物探(跨孔CT、管波測試)要求，為消除測試盲區(qū)，巖溶發(fā)育區(qū)所有要進(jìn)行測試的勘探孔深度應(yīng)在滿足規(guī)范要求的深度基礎(chǔ)上再加深5 m。

3.2.3鉆孔性質(zhì)布置

本次專項(xiàng)勘察分為控制性勘探孔和一般性勘探孔，其中控制性勘探孔不少于總孔數(shù)的1/3，取樣及原位測試孔不少于總孔數(shù)的1/2。

3.2.4驗(yàn)證孔

為了進(jìn)一步確認(rèn)物探試驗(yàn)推測的關(guān)于巖溶發(fā)育情況的成果資料是可靠的，在進(jìn)行跨孔彈性波CT測試之后，在物探推測的巖溶部位又選取3個(gè)鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。根據(jù)以上布置原則，擬建地鐵車站共布置鉆孔45個(gè)，其中28個(gè)為利用詳勘鉆孔。

3.3 物探

針對本工程巖溶問題，主要采用跨孔彈性波CT法和管波探測法兩種物探方法進(jìn)行勘察。

3.3.1跨孔彈性波CT法

1)原理簡介。跨孔彈性波CT法(亦稱為跨孔地震CT法)是通過將收集的有關(guān)地質(zhì)體的走時(shí)、能量、波形變化等信息輸入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)對信息的處理并重建地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的一種跨孔物探方法，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代地震數(shù)字觀測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[2]。

跨孔彈性波CT法的工作原理是以一個(gè)鉆孔為發(fā)射孔，在發(fā)射孔中按0.5 m～1.0 m間距發(fā)射高頻彈性波(聲波),并以相鄰鉆孔為接收孔，在接收孔中按與發(fā)射點(diǎn)相同的間距接收彈性波，接收孔中接收點(diǎn)布置要和發(fā)射孔已知，以便能夠做到全孔接收，發(fā)射孔發(fā)射出的聲波以交叉網(wǎng)狀的射線穿透兩鉆孔之間的巖土層，通過拾取每個(gè)發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)聲波的走時(shí)或幅度等信息，通過計(jì)算機(jī)反演計(jì)算，得到兩孔之間的波速影響，并通過與地質(zhì)資料綜合分析，得到鉆孔所不能揭示的巖土分界面、巖溶空間發(fā)育況和分布情況。

2)CT孔布置圖示。根據(jù)鉆探情況，對巖溶相對發(fā)育區(qū)(根據(jù)鉆探)布置CT孔，相鄰的兩個(gè)鉆孔進(jìn)行配對掃描(如圖1所示)。

3.3.2管波探測法

1)原理簡介。管波探測法是在鉆孔中利用特殊的彈性波(“管波”)，探測鉆孔周邊一定范圍內(nèi)可能存在的溶洞、溶蝕裂隙和軟弱夾層等不良地質(zhì)體的最新孔中物探方法[3]。

管波探測法的工作原理是：在鉆孔中利用“管波”這種特殊彈性波作為探測物理場，通過對反射波的收集，分析波幅特征，并對產(chǎn)生波阻抗差異的界面進(jìn)行解釋，從而可以推斷孔旁溶洞、溶蝕裂隙和軟弱夾層的發(fā)育情況[4]。

2)異常特征及其地質(zhì)解釋。管波探測法異常主要表現(xiàn)為兩種：一種是在界面處的管波反射，另一種是在不良地質(zhì)體處的管波能量變化。

鉆孔中可能產(chǎn)生管波反射的界面主要有：基巖面、溶洞頂和底面、裂隙、孔底、水面等。引起管波能量變?nèi)醯牟涣嫉刭|(zhì)體主要有：溶洞、溶蝕、軟弱巖層、土層等。

管波探測法的地質(zhì)解釋分為完整基巖段、裂隙發(fā)育段、溶蝕發(fā)育段、巖溶發(fā)育段、軟弱巖層和土層等6種情況。完整基巖段的特征是：管波無能量衰減，界面反射在段內(nèi)明顯甚至有多次反射；巖溶發(fā)育段的特征是：管波能量嚴(yán)重衰減，界面反射在段內(nèi)消失了；裂隙發(fā)育段、溶蝕發(fā)育段的特征是：段內(nèi)界面反射多，溶蝕發(fā)育段伴隨有能量衰減現(xiàn)象。軟弱巖層和土層的特征是：管波速度變低和有能量衰減。

根據(jù)以上原則，擬建車站(主體結(jié)構(gòu))共布置管波探測孔42個(gè)。

4 巖溶驗(yàn)證情況

本次勘察在鉆探上揭露的溶洞與物探CT的結(jié)果基本吻合，除個(gè)別溶洞因深度較大，物探未能反映。為了進(jìn)一步確認(rèn)物探試驗(yàn)推測的關(guān)于巖溶發(fā)育情況的成果資料是可靠的，在進(jìn)行跨孔彈性波CT測試之后，在物探推測的巖溶部位又選取3點(diǎn)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。驗(yàn)證孔的選取原則主要包括：

1)對工程安全有影響的溶洞；2)鉆孔沒有揭露而跨孔彈性波CT法有所反映的溶洞；3)物探揭示的巖面與已有鉆孔揭示的巖面差異較大的剖面。

根據(jù)上述原則，所選取的跨孔彈性波CT法剖面號(hào)分別為M16Z3S-TLCT32、驗(yàn)證孔孔號(hào)分別為M16Z3S-YZTL01，現(xiàn)將驗(yàn)證鉆孔相關(guān)情況分述如下，M16Z3S-YZTL01驗(yàn)證情況見圖2。

1)二者差別：巖面：物探推斷14.1 m，鉆探揭露13.6 m，誤差0.5 m，基本吻合。溶洞與巖溶發(fā)育區(qū)：物探推斷巖溶發(fā)育區(qū)1深度為21.6 m～23.4 m，鉆探揭露溶洞發(fā)育深度為24.4 m～25.3 m；物探推斷巖溶發(fā)育區(qū)2深度為34.3 m～38.52 m，鉆探在此深度范圍內(nèi)揭露見溶蝕現(xiàn)象及半邊巖，基本吻合。2)誤差分析：a.跨孔彈性波CT法根據(jù)波速差異解釋巖溶的存在情況，由于引起彈性波波速變化的因素很多，因此所圈定的巖溶發(fā)育區(qū)在宏觀上可能表現(xiàn)為溶洞、溶蝕裂隙等巖溶發(fā)育情況，其中會(huì)包含部

分孤立、規(guī)模較小的中、微風(fēng)化巖塊。b.跨孔彈性波CT法根據(jù)波速差異解釋巖溶的邊界，受走時(shí)觀測誤差的影響，存在一定誤差。c.對于物探推斷34.3 m～38.52 m的巖溶發(fā)育區(qū)，在鉆孔巖芯在對應(yīng)深度(33.8 m～34.0 m，35.0 m～35.3 m)存在明顯的溶蝕現(xiàn)象。

5 結(jié)語

1)鉆探施工獲得的資料具有直觀性、可靠性等特點(diǎn)，因此鉆探在工程施工中成為采用最多的勘探手段，但由于鉆探只能揭示鉆孔內(nèi)的目的物，在溶洞發(fā)育地區(qū)很難完整地反映地下溶洞的展布情況，又不能以極密的網(wǎng)度來查明復(fù)雜的空洞區(qū)的分布特征時(shí)，在巖溶發(fā)育區(qū)結(jié)合跨孔彈性波CT法，便可從鉆探的“一孔之見”擴(kuò)展到一個(gè)剖面，發(fā)現(xiàn)兩鉆孔之間可能存在的巖溶、溶蝕裂隙；

2)管波探測法能夠探測鉆孔旁一定范圍內(nèi)的溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)體，同時(shí)可以對跨孔彈性波CT法起到驗(yàn)證補(bǔ)充作用；因此將鉆探手段和跨孔彈性波CT法、管波巖溶探測等物探方法有機(jī)結(jié)合起來，有效的避免了鉆探資料的單一性和物探方法的多解性，能夠以極高的效率性和可靠性為深圳地區(qū)地下巖溶的類型、規(guī)模、發(fā)育情況提供地質(zhì)資料。