鉆探與物探在巖溶勘察中的綜合應用

安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011

1 概述

巖溶是指在地表水和地下水作用下，以化學溶蝕為主、機械剝蝕為輔，對可溶性巖石所產生的一種地質作用及其產生的各種現象的總稱。

巖溶發育一般具備以下條件:巖石具有一定的可溶性，巖石的可溶性主要取決于其成分和結構；巖石具有透水性，巖石的透水性主要由巖體裂隙和孔隙度決定，其中，裂隙比孔隙更為重要，連通性好的裂隙，是地下水流滲入可溶性巖體內部的主要通道并促使巖溶發育；水具有一定的溶蝕能力，水蝕能力的大小主要由CO2的含量決定，CO2的含量越高，碳酸鹽類可溶性巖石的溶解度也就越高；和地下水流動形式有關，巖溶地貌的位置、形態、延伸方向及規模大小主要取決于地下水的運動方式和強度。

為了探明巖溶發育情況，采用的方法有地質勘探、物探和原位測試法等，亦可多種方法綜合利用。

以某場地為例，綜合利用地質勘探和地震CT 的勘探方法，對該場地的巖溶發育情況進行研究。工程項目場地位于三水盆地東北部，微地貌為綏江沖積平原一級階地，地面標高相對較低，容易積水，地下水徑流活動強烈。周圍褶皺及斷裂發育，被第四紀土層覆蓋，下伏基巖節理裂隙發育，局部地段存在破碎帶。因此場地受構造、水文地質條件影響，巖溶較為發育。

2 巖溶勘探方法及工作量

為了查明場地巖溶洞隙的分布、形態、規模和發育規律，查明巖溶填充物性狀，查明場地是否存在塌陷等，并對地基處理提出建議，擬采用工程物探和地質鉆探相結合的綜合探測方法，物探主要采用彈性波CT。具體勘察方案如下：

工程鉆探：為鉆探孔及彈性波CT 試驗孔，方格網布置，鉆孔間距22m 左右，共布置鉆孔36 個；要求進入連續的（遇溶洞時，從溶洞底板重新起算）中等風化或微風化基巖10～15m；鉆孔須PVC 管護壁，防止塌孔，護壁的深度至中、微風化灰巖頂界面。

彈性波CT：彈性波CT 主要用來圈定巖溶發育的范圍，反映兩個測試孔之間的地質情況。通過測定彈性波在兩個鉆孔之間的走勢和對兩孔之間的地層進行網格劃分，建立模型，反演各個網格的彈性波速，通過波速的判斷，確定巖溶的位置。該CT 觀測系統采用跨孔式，在場地設置一個發射鉆孔的同時設置一個接收鉆孔，發射鉆孔設置一定數量激發點，接收鉆孔設置相應的接收點，激發點和接收點的相互間距皆為1.0m，對應于每一個激發點產生的彈性波，在設置的所有接收點進行接收。

完成的主要工作量為鉆探鉆孔36 個，總進尺1746m；彈性波 CT 共計完成 57（彈性波CT 孔的對數）×12 檢波點（信號道）×20 炮（震源系統提升次數）×4 次（信號采集系統提升次數）＝54720 檢波點.炮。

3 跨孔彈性波CT 法成果的地質解譯方法

對于場地存在的溶洞、溶隙、溶槽等巖溶現象，巖土基巖面和微風化巖體，跨孔彈性波CT 法成果地質解譯的方法為：

對取得的彈性波CT 法成像圖進行分析整理，再和地質鉆探成果資料進行比較，綜合確定不同巖土層在該次勘探條件下，所處的波速范圍值，最后對彈性波CT 影像反演，進行地質解譯。確定好各巖土層波速范圍，然后根據波速值對巖土層進行分類。不同巖土層對應不同范圍波速值，依此對CT 法成像圖進行地質解譯。

采用跨孔彈性波CT 法對各巖土層分類后，與地質勘探巖土層揭露情況進行相互比較結果如表1 所示：

表1 物探巖土層分類與地質鉆探對比一覽表

4 巖溶勘測成果分析及結論

本次鉆探36 個鉆孔中33 個鉆孔發育溶洞。溶洞在垂直方向上呈串珠狀分布，鉆孔中溶洞沿深度方向分布散點圖見圖1。圖中橫坐標為鉆孔編號，縱坐標為溶洞底標高。

灰巖段總進尺656.8m，揭露溶洞累計129.7m，鉆孔見溶率91.7%，鉆孔線巖溶率19.7%，場地巖溶發育程度為強烈發育。

根據圖1 及現階段勘測，鉆孔揭露深度范圍內85%的溶洞底標標高在-30.0m 以上，呈串珠狀發育溶洞的灰巖段主要分布于標高-15.0～-30.0m 范圍，局部地段串珠狀的溶洞分布于-30.0m 標高以下地段，終孔標高分別為-45.26m、-38.15m。

根據本次鉆探，場地基巖面變化較大，最淺處基巖頂面標高-13.5m，最深處基巖頂面標高為-27.45m，且僅代表勘測點處基巖面標高，存在石筍、石芽、溶蝕漏斗或凹槽等溶蝕現象。

圖1 各鉆孔溶洞分布散點圖

依據跨孔彈性波CT 解譯成果，確定各巖土層分類，第四系覆蓋土層和基巖的波速范圍值相差很大，很容易確定下伏巖層基巖面；巖溶等不良地質作用發育區和周圍的巖石之間波速范圍值差異也比較大，波速影像反演后，很容易區分，一般在較大波速范圍值的基巖中出現較小波速范圍值的區域，可看做巖溶等不良地質作用發育區。

彈性波CT 也反映出場地石筍、石芽、溶蝕漏斗或凹槽等溶蝕現象發育。

根據現階段勘測成果，可得出以下結論：

（1）溶洞規模一般較小，在水平向和垂直向均呈串珠狀分布，見圖1。局部發育規模較大的溶洞。溶洞垂直厚度最小0.1m，最大7.9m，平均1.1m；溶洞埋藏深度在17.80～54.30m 之間，平均埋深28.70m，溶洞頂面高程在-15.5～-4.96m 之間，屬深部巖溶。

（2）溶洞大部分呈現半充填～全充填狀態，少量為無充填狀態，大多數被軟可塑狀粘性土混少量中細砂，局部夾少量礫石、碎石，粒徑1～15mm，說明洞隙水的水動力條件較弱；

（3）溶洞頂板一般較薄且破碎，厚度很多小于1m。鉆探過程中發現鉆進到溶洞時一般都有不同程度的漏水現象發生，說明石灰巖巖體裂隙較發育或巖溶洞隙連通性較好。

（4）根據此次勘測，鉆孔揭露深度范圍內85%的溶洞底標標高在-30.0m 以上，呈串珠狀發育溶洞的灰巖段主要分布于標高-15.0～-30.0m，厚度一般10.0～15.0m。

（5）場地基巖面相差非常大，巖溶不良地質作用發育強烈。

4 地基處理及基礎選型建議

依據此次綜合勘測，場地溶洞極發育，土洞發育較少，大部分地段溶洞對場地穩定性不利，對樁基礎施工影響很大，需對溶洞采取一定的處理措施。

建議通過鉆孔向洞隙內灌填片石或細石混凝土、瀝青及硅液等方法進行處理。

場地由于上覆第四系厚度約20.0～30.0m，由于建（構）筑物荷載較大，擬采用樁基礎，采用大直徑嵌巖樁時，勘探孔深度應滿足進入樁端以下完整巖體≮3 倍樁徑，且≮5m 要求。根據鉆孔溶洞分布散點圖，各鉆孔中所揭露的連續、完整5m 巖頂面標高處于標高-20～-30m 處，所占比例為75%，彈性波CT 也反映出場地地段存在溶洞、溶蝕凹槽。鑒于場地巖溶發育的不規律性，石筍、石芽、溶蝕漏斗或凹槽凹槽等溶蝕現象的存在，導致基巖面變化較大，建議以中等風化或微風化灰巖作為樁端持力層的主要建（構）筑物地段在施工前進行施工勘測，即進行超前鉆，并在超前鉆中進行管波探測，以保證樁端放置在完整、穩定的基巖上。