城市軌道交通巖溶施工勘察方法應用研究

李世安 李耐賓 周華貴

(1.中鐵大連地鐵五號線有限公司，遼寧大連 116011； 2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

1 概述

巖溶勘察工作一般采用鉆探與物探方法相結合的方式進行，兩種方法互為補充，相互印證。常規的物探方法有地質雷達、高密度電法、地震映像等，如葛雙成和邵長云基于地質雷達原理及特點，研究了巖溶地層雷達波的反射特征，通過實例驗證了其巖溶分布范圍和充填性質探測的有效性[1]。戴前偉和馮德山對影響地質雷達探測效果的因素進行了分析，以高速公路橋址溶洞探測為例，證明了其可行性和有效性[2]。邢文寶通過對雷達數據采集、處理及解釋技術的研究，分析了溶蝕破碎帶、溶洞、溶溝或溶槽的雷達波反射特征[3]。蔡晶晶等將高密度電法運用在南京地鐵3號線巖溶勘察中，采用人工堆土、加大電壓的方式改善其接地條件，對于反演誤差較大的剖面，直接利用視電阻率等值線圖進行解譯，取得了一定的效果[4]。蔣富鵬等在橋基、隧道巖溶勘察中采用了高密度電法，并分析了其可行性、有效性及局限性[5]。楊祥森等用地震映像法在宜萬鐵路沿線的巖溶隧道勘察中解譯了多處溶洞和裂隙，提出了在儀器和施工場地受限時的工作建議[6]。由此可見，在干擾較小的環境下，常規物探巖溶勘察方法大多能夠取得較為理想的效果，但在城市區域的場地條件下，受電磁、噪聲干擾及耦合條件差等因素的影響，常規物探方法難以獲得可靠的原始數據，勘探精度難以保證?？缈讖椥圆–T[7-8]及跨孔電磁波CT[9]需要在鉆孔內進行激發與接收，是一種巖溶探查精度較高的孔內物探方法，但在交通擁堵、管線眾多的鬧市區開展大面積鉆探工作十分困難，且效率低、成本高。因此，以下重點研究復雜城區環境條件下，如何經濟、高效、準確地進行巖溶勘察工作。

以大連某地鐵的巖溶勘察為例：詳勘工作揭示，該地鐵隧道沿線以強-中風化石灰巖、白云巖地層為主，巖溶發育普遍。溶洞最大洞徑為19.5 m，多為充填型溶洞，充填物為黏性土或全風化基巖，個別溶洞無充填。受城區勘察環境的限制，詳勘鉆探空白區域大，且地質鉆孔布置在隧道洞身外3～5 m，揭露的地層界線、溶洞發育情況僅為“一孔之見”，無法探明兩孔之間、孔周圍巖溶的發育情況。巖溶發育具有隱蔽性、無規律性、連通性及不均一性等特點，詳勘工作對隧道洞身影響范圍內的隱伏巖溶發育揭露情況不能滿足施工要求。因此，在施工階段開展了以物探方法為主的補充勘察工作，以探明巖溶的發育位置、形態、埋深等情況，為注漿加固治理提供依據。

2 研究思路

以克服城區復雜地物及地表環境、強振動、電磁干擾源為研究前提，通過調研比選、試驗分析研究，采用以地面微動與高精度瞬變電磁法為主、鉆探驗證與跨孔彈性波CT為輔的技術研究路線。

具體為：在車流量大、高壓線及管線多、占道施工困難的繁華鬧市區，采用微動探測技術方法；在干擾環境較少的郊區或山嶺大埋深隧道段落，采用高精度瞬變電磁探測方法。在以上2種物探方法圈定的巖溶異常靶區進行鉆探驗證，并在揭露溶洞的鉆孔周圍布設跨孔彈性波CT，進行巖溶空間分布結構的精細探查。鉆探的目的有3個：一是用于直觀地揭露地層結構，二是用于跨孔彈性波CT鉆孔，三是用于了解溶洞的充填類型、充填物的性狀，同時進行原位測試工作，并對溶洞內的充填物進行取樣。

3 技術特點

3.1 微動探測

通過二維臺陣方式布設低頻檢波器，采集各種微弱振動信號。高頻微動信號是工程勘察研究的重點，其瑞雷波的能量占信號總能量的70%以上，攜帶有豐富的淺層地質結構信息[10-13]。依據平穩隨機過程理論，采用空間自相關法(SPAC)從微動信號中提取瑞雷波相速度頻散曲線，經反演獲得地下介質的橫波速度結構，進而研究地下目標體的性質。主要優點為：利用天然場源，無需人工激發源，抗干擾能力強，采集裝置靈巧，采集時間短，是一種快速、經濟、環保、無損的地面勘探方法，特別適用于城市強干擾環境。

3.2 高精度瞬變電磁

高精度瞬變電磁法是基于小框源中心回線方式的瞬變電磁測深方法。向2個直徑相同、平行共軸的線圈內，分別供以方向相反、大小相等的電流，在雙線圈源合成的一次場零磁通的平面上接收地下純二次場[14-15]，通過研究隨時間變化的二次場衰減特征，達到探測地下目標體的目的。主要優點為：抗干擾性強，效率高，成本低，淺層分辨率高(0～100 m)，適合電磁干擾較小的城市工作環境。

3.3 跨孔彈性波CT

在2個鉆孔內分別激發和接收彈性波，觀測彈性波在穿越地下不同介質時的走時、能量和波形的變化，根據初始速度模型和初至時間，反演、重建地質體的內部結構圖像，其分辨率高，可靠性強，主要用于隱伏巖溶空間分布形態的精細探測。

4 方案實施

4.1 測區地球物理特征

根據詳勘資料，溶洞的波速、電阻率與圍巖之間存在明顯的物性差異(見表1)，具備開展微動、高精度瞬變電磁及跨孔彈性波CT方法的地球物理條件。

表1 主要介質物性參數統計

4.2 參數設計與數據采集

(1)微動探測

采用半徑為3 m的正五邊形陣列觀測系統，測點間距為5 m， 單點采集時間為15 min，采樣率為8 ms，陷波為50 Hz。記錄儀為美國Geometrics公司生產的NZ-XP高精度地震儀，檢波儀為主頻2 Hz的三分量檢波器。

(2) 高精度瞬變電磁

測點間距為5 m，單點采集時間為5 min，發射頻率為25 Hz，接收頻率為625 000 Hz，疊加400次。采集儀器為國產HPTEM-08 型高精度瞬變電磁系統。

(3) 跨孔彈性波CT

鉆孔間距控制在20 m左右，接收信道數為24道，接收點距與激發點距均為1.0 m，采樣間隔為0.833 μs，疊加次數為5次。記錄儀為美國Geometrics公司生產的NZ-XP高精度地震儀，檢波儀為2套國產CH3型高靈敏度12道聲波探頭，震源為德國Geotomographie公司生產的IPG5000電火花震源。

4.3 數據處理技術關鍵

(1) 微動探測

采用空間自相關法處理微動數據時[16]，首先剔除干擾明顯的微動信號記錄段，然后分別計算各個頻率成分中心點與其它測點之間的空間相關系數并進行方位平均，最后用各觀測半徑的自相關系數計算瑞雷波相速度頻散曲線。給定初始模型后，采用遺傳算法對頻散曲線進行反演，求得S波速度結構。

(2)高精度瞬變電磁

高精度瞬變電磁的數據處理主要包括數據預處理、全區視電阻率計算及電阻率反演。數據預處理：采用最小二乘法對噪聲干擾數據進行曲線擬合，剔除畸變點，保持衰減曲線的圓滑、連續性。采用“分階段搜索法”計算全區視電阻率[17]，實現淺層電性結構的連續追蹤。優化反演：以基于全區視電阻率“煙圈”的直接反演結果作為初始模型進行約束。

(3)跨孔彈性波CT

其數據的處理流程主要為拾取初至時間、計算射線平均波速及反演波速影像。根據鉆孔資料及射線平均波速綜合估算的初始模型，反演跨孔剖面波速影像。

5 典型成果分析

5.1 微動成果

在環境復雜的城區段落采用地面微動探測方法。沿隧道左、右線的中線各布設微動測線1條，選取某盾構區間的1條微動測線(標識為T1)成果進行分析闡述。T1測線長145 m，點距5 m，共計30個測點(如圖1)。

圖1 T1測線及溶洞異常平面位置

圖2 T1測線微動視S波速度剖面

由圖2可看出，淺表層低速異常(Vs<300 m/s)為素填土、粉質黏土類第四系覆蓋層的反映，厚1.4～7.7 m，覆蓋層厚度變化較大。在測點WD-7與WD-9之間、深度17.5～14.5 m處，存在1處明顯的低速圈閉異常；在測點WD-23與WD-24及WD-26與WD-27之間，呈現3處相對低速閉合異常，結合地質資料，推測為4處溶洞異常發育區，分別標識為WRD-1、WRD-2、WRD-3及WRD-4。3個鉆孔(ZK-1、ZK-2、ZK-3)的驗證結果(如表2)表明：微動推測的結果均得到了驗證，與鉆探揭露情況基本一致，頂板最大誤差為1.5 m，底板最大誤差為1.3 m。WRD-2與WRD-4溶洞異常位于隧道頂板附近，易造成頂板垮塌。因此，需要布設跨孔彈性波CT，以探明溶洞發育規模。

表2 微動成果與鉆探結果對比統計 m

5.2 高精度瞬變電磁成果

結合工區地下管線圖并經現場排查，在無地下管線及地上電纜線的郊區段落開展地面高精度瞬變電磁巖溶探查工作。沿隧道左、右線中線各布設1條高精度瞬變電磁測線，選取某盾構區間1條高精度瞬變電磁測線(標識為T2)成果進行研究分析。T2測線長105 m，點距5 m，共計22個測點(如圖3)。

圖3 T2測線及溶洞異常平面位置

圖4 T2測線高精度瞬變電磁電阻率反演剖面

由圖4可看出，淺表層明顯的低阻異常(ρs<240 Ω·m)為第四系覆蓋層素填土、粉質黏土的反映，覆蓋層厚約12 m，厚度較大，起伏變化不大。在測點TM-8與TM-10、測點TM-13與TM-15位置處存在明顯的低阻圈閉異常，結合地質資料，推測為溶洞發育區，分別標識為TRD-1、TRD-2。 2個鉆探孔(ZK-4、ZK-5)的驗證結果(如表3)表明：推測的2處溶洞均得到了驗證，在深度方向上誤差稍大(底板最大誤差為4 m)，但能夠反映出地下隱伏溶洞的存在。一般情況下，高精度瞬變電磁對溶洞頂板埋深的探測精度優于底板。在配合鉆孔及跨孔彈性波CT精細探查的前提下，高精度瞬變電磁法仍是一種快速、經濟的城市巖溶勘察方法。

表3 高精度瞬變電磁成果與鉆探結果對比統計 m

5.3 跨孔彈性波CT成果

微動與高精度瞬變電磁成果僅為測線下方地質縱斷面的解釋，要查明巖溶的空間展布形態、規模及其與隧道結構的位置關系等準確信息，還需要開展跨孔彈性波CT探測工作，以便為巖溶注漿加固處理工作提供更加準確、翔實的資料信息。

選取T2測線高精度瞬變電磁2處溶洞異常(TRD-1、TRD-2)布設跨孔彈性波CT工作。布設CT鉆孔6個(如圖5)，編號CTZK-1至CTZK-6，同時利用ZK-4與ZK-5鉆孔，共計完成跨孔彈性波CT剖面14對。以跨孔彈性波CT剖面CTZK-1～ZK-4～CTZK-5～ZK-5～CTZK-3為例進行分析闡述。

從圖6上看，存在2處明顯的被高速度圍巖包裹的低速異常條帶區，推測為溶洞邊界發育范圍。2處寬條帶狀溶洞邊界范圍自隧道頂板上方溶蝕發育至底板下方附近。根據鉆孔ZK-4與ZK-5的揭露，溶洞為全充填型溶洞，充填物為粉質黏土，標貫為6～7擊。該類溶洞極易引起盾構機載頭陷落、刀盤磨損等安全事故。根據14對跨孔彈性波CT剖面成果，綜合推斷了溶洞平面發育形態(見圖5、圖6)，為巖溶注漿加固處理提供了依據。

圖5 T2測線跨孔彈性波CT剖面及溶洞異常平面分布

5.4 成果綜述

大連某地鐵的巖溶補勘工作主要以微動探測方法為主，局部小范圍采用了高精度瞬變電磁法，共計推斷溶洞異常209處。根據微動與高精度瞬變電磁成果資料，梳理出位于隧道頂底板6 m范圍內的溶洞異常(洞徑>3 m)22處。鉆孔驗證表明，其中16處鉆孔揭露出溶洞，鉆探驗證吻合率為72.7%；其余6處為溶蝕破碎區，巖芯溶蝕破碎，裂隙發育。

圖6 T2測線跨孔彈性波CT層析成像色譜

6 結論

采用微動探測技術、高精度瞬變電磁、跨孔彈性波CT及鉆探方法，對大連某地鐵巖溶發育情況進行了綜合研究分析，得到如下結論：

(1)在復雜的城市環境條件下，微動探測技術可以取得較為準確、可靠的探測成果，其抗干擾能力及場地適應性強，采集時間短，效率高，是一種技術先進、經濟高效、環保無損的城市強干擾環境下的巖溶勘察方法。

(2)高精度瞬變電磁受制于電磁環境干擾，在城區應用具有局限性，但在干擾較少的郊區地段亦能表現出良好的巖溶探測能力，配合鉆孔、跨孔彈性波CT方法，可充分發揮其快速、經濟的優點。

(3)應預先考慮城市軌道交通沿線環境的復雜程度及巖溶發育程度，合理選用微動探測技術、高精度瞬變電磁、跨孔彈性波CT及鉆探綜合勘察模式中的3種或4種組合方法，可極大提高勘察精度與效率，降低勘察成本。