鉆探與物探在巖溶勘測中的綜合應用

鄭江波

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300308)

據資料顯示,全球巖溶面積約2 200×104km2,占地球陸地面積的15%,而中國巖溶面積約346.3×104km2,占我國國土面積的1/3,巖溶的勘測處理已經成為地下隧道工程中的重要問題。 巖溶勘測的主要方法有鉆探、物探等,如果僅僅考慮單一的方法,容易導致勘測結果不準確[1 2]。

1 概述

巖溶學主要研究以碳酸鹽巖為主的可溶巖地區的巖溶作用,以及其形成的巖溶地貌、巖溶資源和巖溶環境,是地質學與地理學的交叉學科。

近年來,巖溶學的研究發展迅猛。 20 世紀末,袁道先等建立了巖溶動力學重點實驗室,加深了對巖溶動力學系統及其運行規律的理解,從而逐漸形成了巖溶動力學基本理論。 西南巖溶地區的地質調查與地下水開發示范方面成果顯著[35]。

在勘察階段,如何對巖溶及相關的突水、突泥問題進行有效的預測,并提出相應的設計對策是勘察設計人員的頭等大事[67]。 以廣州市地鐵某車站為例,對采用鉆探和地震CT 相結合的綜合勘探方法進行研究。

2 場地巖土工程特性

2.1 區域地質概況

場地位于廣花凹陷構造區。 廣花凹陷處于廣從斷裂以西、廣三斷裂以北,包括了華嶺一帶的西北向斷層及其以東的花都、江南、竹料等區域。 主體構造為北東向,由上古生界及其褶皺和伴生的斷裂,以及二疊系和古近系向斜盆地構成[89]。 本區第四系地層主要由上更新統和全新統人工填土、沖洪積砂層、沖洪坡積土層和殘積層組成,下伏基巖主要為石炭系、二疊系、三疊系和古近系碎屑巖和碳酸鹽巖,巖性有灰巖、泥灰巖、炭質灰巖、炭質泥巖,或頁巖、砂巖、泥巖、礫巖、灰質礫巖等。 構造區內不良地質主要為巖溶,其他不良地質有斷裂和風化槽等。

2.2 巖土分層及其特征

依據收集的資料及本次勘察情況,場地各巖土分層及其特征如下。

主要為耕土、素填土,局部為雜填土,顏色以灰褐色為主,成分以黏性土為主,松散,稍濕-飽和。

①淤泥層

深灰色、灰黑色,呈流塑狀,主要由黏粒及有機質組成。

②淤泥質土層

深灰色、灰黑色,呈流塑狀,主要由黏粒及有機質組成,局部含較多粉細砂,具滑膩感和腥臭味。

③粉細砂層

灰色、灰褐色,松散狀為主,局部呈稍密狀,主要由粉細粒石英砂組成,級配不良,局部夾少量淤泥、黏粒。

④中粗砂層

灰色、灰褐色,松散-稍密狀,主要由中粒石英砂組成,局部夾較多淤泥質、黏粒,底部粒徑稍大,級配不良。

⑤粉質黏土層

灰褐色,軟塑狀為主,部分呈流塑狀,主要由黏粉粒組成,土質較均勻,黏性較好,局部粉粒較多。

①砂層

呈淺黃色、灰色,主要成份為石英,飽和,分選性一般,級配不良,含較多黏粒和中砂,局部夾中砂薄層。

②流塑-軟塑狀粉質黏土層

呈黃色、紅色等,主要由粉質黏土組成,局部為黏土,含少量砂粒。

③可塑狀粉質黏土層

呈灰色、肉紅色、灰白、褐黃、青灰色,主要由粉黏粒組成,土質較均勻,局部含砂粒。

④硬塑狀粉質黏土層

土黃色,主要成分為黏粉粒,干強度及韌性高。

⑤淤泥層

深灰色,流塑,含少量有機質或粉細砂,局部為淤泥質土。

⑥淤泥質土層

深灰色,流塑,含少量有機質或粉細砂,偶見貝殼。

①灰巖殘積土層

黃色,軟塑-流塑,含較多巖屑,本層零星分布。

②粉質黏土層

淺紅色、灰黃色,可塑,干強度高,斷續分布于基巖面以上。

③粉質黏土層

暗黃色,硬塑,含少量中細砂,本層零星分布。

(5)中風化巖層(C1ds)

主要為中等風化石灰巖,淺灰色、灰黑色,隱晶質結構,中厚層狀構造,溶蝕現象及方解石脈發育,巖芯呈短柱狀、扁柱狀,碎塊狀,節長10 ～15 cm,RQD=20% ～30%,部分裂隙面見灰黑色炭質,屬于較軟巖,巖體較破碎。

(6)微風化巖層(C1ds)

主要為微風化石灰巖,灰黑色、灰白色、灰色,隱晶質結構,中厚層狀構造,主要礦物成分為方解石。 節理裂隙稍發育,方解石脈稍發育,取芯以中、長柱狀為主,局部為短柱狀、塊狀,RQD=40% ～75%,部分裂隙面見灰黑色炭質。 錘擊聲脆,屬較硬巖,巖體較完整。

(7)溶洞和土洞

①溶洞

充填或半充填、無充填,充填物一般為流塑-軟塑狀粉質黏土,夾粉細砂及巖屑,主要發育于淺層巖層,深部巖層溶洞發育較少。 本次施工勘察鉆孔共有10 孔揭露,見洞率達50%,平均層厚3.10 m。

②土洞

充填流塑狀泥漿或粉細砂等,充填物較雜,或者半充填,充填物多為頂板垮塌松散堆積物。 本次施工勘察鉆孔共有4 孔揭露,平均層厚2.3 m。

3 巖溶勘探

3.1 鉆探布置方案

在車站主體結構左右線各布置一排鉆孔(布置于每幅連續墻中間位置),鉆孔間距為12 m,左右線交叉錯開(見圖1)。 圖1 中,紅色實心圓圈為鉆孔,鉆孔深度一般情況下應達到連續墻底部5 m 以下,如遇溶洞,必須貫穿溶洞底進入完整巖3 m 以上,且保證溶洞貫穿上下基巖累計達5 m 以上。

3.2 地震CT 布置方案及分析原則

(1)地震CT 布置方案

地震CT(彈性波CT)法的基本原理為:在第一個孔內利用激發器發射彈性波,到達第二個孔后被檢波器接收,之后在波形記錄上拾取彈性波在鉆孔間的傳播時間,獲得初至波走時,然后通過求解大型矩陣方程來反演鉆孔之間的速度剖面圖像,從而獲得地下地層結構的速度信息。

根據場地內鉆孔施作情況,彈性波CT 剖面在相鄰鉆孔之間布設,孔間距不超過30 m。 本次布設的CT剖面孔間距為15 ～26 m(見圖2)。

圖1 鉆孔平面布置

圖2 地震CT 測線平面布置

(2)成果分析原則

①在彈性波CT 剖面成果中,依據橫波、縱波速度的變化梯度(輔以鉆孔)揭示巖性界面,標定分界P 波速度值,以此標定值劃分巖性界線。

②在彈性波CT 剖面成果中,無鉆孔段落應沿成果剖面色階線繪制巖性界線;當出現較大片狀、帶狀低速異常區(橫、豎向梯度變化較大)時,可推測為溶蝕發育區。

③在彈性波CT 剖面成果中,若出現較明顯的低速閉合或半閉合區域,可依此圈定出被高速圍巖包裹的低速異常體或弱風化巖面的低速下凹區(橫向梯度變化劇烈區),可推斷為溶洞。 考慮到物探體積效應、探測誤差及反演計算模型網格間距,圈定的溶洞界限可能比實際范圍略大。

3.3 巖溶勘測成果

本次勘察鉆孔揭露溶洞共計10 孔,見洞率高達50%,最大溶洞高度為11.1 m,由流塑狀黏土及巖石碎屑等全充填,稍漏水。 分布情況見表1。

表1 溶洞統計

本次地震CT 共完成了37 對彈性波CT 剖面。 通過分析對比CT 剖面成果中的縱波速度值差異及分布狀態,并參照地質鉆孔資料,對地層土石界面做出了比較清晰的劃分[1012]:在弱風化基巖面以下,共推測溶洞32 處,溶洞高程范圍基本在 7.5 ～29.8 m 之間(個別溶洞深度超出CT 探測范圍),橫向寬度基本在1.5 ～73.6 m,各溶洞之間連通復雜、無規律。

對地震CT 的結論,要根據鉆探揭露的地質情況進行修正,方可得出比較合理的解釋及說明(見圖3)[1315]。

圖3 巖溶發育區域平面

3.4 巖溶勘測成果驗證方案及結論

(1)驗證目的

①通過有效的驗證方法評估物探成果的可靠性與準確率。

②根據驗證結果復解、修正物探成果,使物探成果更準確、客觀地反映溶洞發育狀態。

③根據驗證結果為后期的治理提供思路和依據。

(2)驗證區域選擇

①孔間彈性波CT 方法受干擾因素較少,可靠度高,驗證區域應選擇具有重大地質安全隱患的溶洞異常區。 在驗證的基礎上,可直接利用已有鉆孔進行治理。

②驗證區域應合理分布,兼顧巖溶強發育區及中等或弱發育區。

③驗證區域的數量根據溶洞異常區數量及發育程度確定。

④對于邊墻位置的CT 剖面溶洞異常,可根據后續詳勘一墻兩鉆、CT 孔及探邊孔的鉆探資料加以驗證[16]。

(3)驗證方法與驗證孔布設

物探成果驗證方法主要采用鉆探手段,根據鉆孔揭露溶洞、溶蝕位置、規模及發育程度等實際地質情況,綜合評估物探成果的可靠性與準確率。

在確定的物探驗證區域,即溶洞異常的中心位置布設驗證孔。

(4)驗證結論

根據鉆探取芯結果分析,本次地震CT 探測出的巖溶發育區域均揭露有溶洞,只是溶洞深度上存在較小的差異。

4 結論及建議

(1)本次綜合勘測結果表明,本場地內巖溶發育且集中,基巖上砂層較厚,工程建設活動可能導致巖溶地面沉降或塌陷、基坑邊坡坍塌等地質災害。 在地鐵施工前,必須對巖溶區域進行處理。

(2)根據本次勘測中揭露的場地地質情況,下套管時要保證達到基巖面以下(穿越溶洞),為物探提供施作條件;在物探施作過程中,場地范圍內噪聲不應過大,儀器操作應準確規范。

(3)建議采用灌注雙液漿等方法處理連通性強的溶洞,并封閉溶洞間水力通道;對于結構底板以下0 ～10 m、側壁附近0 ～5 m、洞高2 ～5 m 的溶洞,可采用吹砂、填充骨料、灌注砼、壓力注漿等方法處理;可采用壓力注漿等方法處理隧道影響范圍內所有寬度大于1 m的溶溝、溶槽。

(4)建議采用鉆孔取芯的方法對注漿效果進行嚴格的檢驗,如發現注漿效果較差的區域,應重新對該區域進行地震CT 探測。

5 存在問題

(1)由于彈性波CT 方法本身的局限性,探測剖面中還可能存在未被識別或遺漏的規模較小的溶洞。

(2)彈性波CT 剖面是二維剖面,無法揭示溶洞的三維空間規模,將影響后續溶洞體積的估算。

(3)溶洞的充填情況需根據鉆孔資料確定,彈性波CT 成果無法直接反映溶洞充填情況。

(4)由于溶洞發育的不規則性,注漿處理難以一次到位,故需要探測、處理有序進行,切不可為了節約成本,在溶洞處理未達標的情況下貿然施工,造成更大的損失。