綜合勘察方法在城市地下車站巖溶勘察中的應用

萬小樂

（中國地質環境監測院，北京 100081）

巖溶（又稱喀斯特）是可溶性巖石在水的溶蝕作用下，產生的各種地質作用、形態和現象的總稱（李志毅等，1994）。近年來，隨著城市規模的不斷擴大，城市軌道交通建設愈發興盛，但面臨的工程建設條件也愈加復雜。巖溶作為一種常見的不良地質現象，對城市軌道交通工程的設計、施工和后期運營的危害越來越明顯（王其合，2021）。巖溶的存在常常會引發圍護結構坍塌、漏水，基坑基底突涌，地表沉降過大等風險（王忠忠等，2022），因此如何更好地開展巖溶勘察工作成為亟待解決的重要問題（潘凱等，2017）。

由于巖溶的發育具有極大的隨機性和不確定性，僅靠傳統的工程地質鉆探難以掌握整個場地內的巖溶發育情況，因此在實際探測中往往采用地球物理勘探和工程地質鉆探相結合的方式（Tan et al.，2012），兩者相互補充，相互驗證，從而達到查明場地內巖溶發育特征的目的（劉存林等，2021）。目前進行巖溶勘察常用的物探方法有地質雷達法、淺層地震法、高密度電法、瞬變電磁法和跨孔CT法等（袁細平，2021）。由于每一種物探方法的應用均有一定的適用條件和局限性，因此需要結合工區周圍環境、地質情況、地球物理特征及存在的限制條件，因地制宜采用適合的勘探方法（謝嘉等，2021）。

深圳市區某地下車站工程擬建場地內建筑物較多、地下管線密布，地表多以城市硬化路面為主。硬化路面的存在阻礙了物探電極的布設，此外受空間限制以及各種電磁、振動干擾的影響，傳統的鉆探和物探方法難以取得可靠的效果。為了在這種復雜條件下獲得更加準確、可靠的探測結果，本文以滿足工程建設的實際需要，經綜合分析比選后采用結合工程地質調繪、工程地質鉆探、等值反磁通瞬變電磁法和跨孔彈性波CT手段的綜合勘察方法，查明了車站范圍內巖溶的分布、形態和規模等發育特征，為后續的工程設計、施工提供可靠的地質資料，也為類似的工程勘察提供了一定的參考作用。

1 工程概況

擬建地下車站位于深圳市龍崗區，沿龍翔大道呈西南-東北向敷設，為2層地下島式車站，起點里程為DK 58+272.00，終點里程為DK 51+121.00，全長849 m。車站結構型式為矩形框架，采用明挖法施工。車站屬于沖洪積平原地貌單元，地形較為平坦，場地標高33.67～36.845 m。擬建場地內以城市主干道路為主，道路兩側分布有居民住房、商鋪、工業區和辦公樓等建筑物。

1.1 工程地質概況

根據前期勘探資料揭示，擬建地下車站場地內地層巖性復雜，表層覆蓋層主要為第四系人工填土、沖洪積淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂以及殘積粉質黏土，下伏基巖為石炭系下統測水組粉砂巖和灰巖。灰巖中發育覆蓋型巖溶。

場區地處華南褶皺系南緣，隸屬湘贛粵褶皺帶之惠陽凹陷。根據搜集到的區域地質資料揭示，擬建車站北方向約600 m見龍城斷裂組次級斷裂F1253，產狀為走向北東50～60°，傾向南東，傾角50～70°，性質為左旋斜沖，發育在下石炭統測水組中，為非活動性斷裂，對擬建場地影響較小。

1.2 地球物理特征

表1為鉆孔縱波測試結果，可以看出：粉質黏土和砂土根據密實程度和塑性狀態不同縱波波速會有所變化，但一般在2000 m·s-1以下；完整基巖的縱波波速一般在4000 m·s-1以上；溶蝕基巖的縱波波速為2500～4000 m·s-1；而溶洞內縱波波速一般為1500～2500 m·s-1，由此可見完整基巖與溶洞間存在明顯的波速差異，而這種差異的存在，為開展跨孔彈性波CT測試提供了良好的物性條件。

表1 場地內主要地層縱波平均速度Tab.1 P-wave average velocity in main strata

此外根據場地內開展的井內視電阻率試驗，場地內完整灰巖的電阻率值在1000 Ω·m以上；溶蝕灰巖的電阻率值為100～300 Ω·m；溶洞內充填物的電阻率值為10～100 Ω·m；第四系覆蓋層電阻率在100 Ω·m以內，完整灰巖與巖溶發育區之間存在較大的物性差異，因此場地內具備開展等值反磁通瞬變電磁法物探探測的基本條件。典型鉆孔的井內視電阻率成果見圖1。

圖1 典型鉆孔視電阻率試驗成果圖Fig.1 Results of borehole apparent resistivity test

2 綜合勘察方法

根據對前期勘察成果的分析和工程地質調繪的成果，本次勘察將分為普查和詳查2個階段。普查階段采用地面物探的方式，初步查明場地內巖溶的發育情況并為鉆孔布置提供指導；詳查階段則采用孔中物探的方式，目的是詳細查明巖溶的發育情況。由于工程場地內建筑物密集，地表以城市硬化路面為主，各種電磁、振動干擾非常強烈，因此傳統的地面物探手段如高密度電法、地質雷達、地震勘探等很難有效地開展探測工作。經過現場試驗和分析，地面物探采用等值反磁通瞬變電磁法，孔中物探采用跨孔彈性波CT法。

2.1 等值反磁通瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種常用的地球物理勘探方法，其原理是利用脈沖電流激發地下一次脈沖磁場，在此一次脈沖磁場的激勵下產生隨時間變化的二次磁場；利用接收儀器測量二次磁場，通過研究二次場的特征及分布，從而獲得地下地質體的分布特征（李貅，2002）。

等值反磁通瞬變電磁法與常規的瞬變電磁法原理相同，但為了有效消除接收線圈本身的感應電動勢，獲得地下純二次場的響應，等值反磁通瞬變電磁法采用了上下平行共軸的2個相同線圈通以反向電流作為發射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上，接收地下的純二次場響應，裝置示意見圖2。由于接收線圈位于上下2個線圈的等值反磁通平面，其一次場磁通始終為零，這樣就消除了常規瞬變電磁法淺層探測的盲區，獲得了淺部地質體的信息，提高了探測的能力（楊建明等，2018；高遠，2018）。

圖2 等值反磁通裝置示意圖Fig.2 Geometry of OCTEM system

野外數據采集工作完成后，將現場采集得到的數據傳輸到電腦中，運用與采集系統相配套的數據處理軟件，通過數據預處理、定性分析、定量解釋和綜合推斷，同時參考已知地質資料，經綜合解譯得到電阻率斷面圖，從而得到地下巖溶發育和分布特征。

2.2 工程地質鉆探

雖然在巖溶勘察中工程地質鉆探存在諸多局限性，但其仍然是一種有效的勘察手段，鉆探能夠直觀地揭露出地下的真實情況，有助于了解地下巖土界面的起伏狀況、巖溶的位置和溶洞的充填情況等巖溶發育特征。為了對地面物探的成果進行驗證，提高物探解譯的精確度，在綜合分析了前期鉆探資料、工程地質調繪、地面物探等成果的基礎上，在物探異常區布置了驗證鉆孔。鉆孔的布置除了要考慮軌道交通勘察規范的要求外，還需考慮后續的孔內物探的測試距離要求，因此本次工程地質鉆探鉆孔之間的距離控制在20 m左右，施鉆條件受限地段可以放寬至30 m左右。

2.3 跨孔彈性波CT法

跨孔彈性波CT法是利用彈性波在地下不同性質巖土體中傳播速度的不同（楊永龍等，2021），從而準確地反演出目標地質體的內部結構和地球物理特征，具有技術先進、高效無損、成本可控等優點，適合應用于人文條件復雜的城市區域巖溶詳查，如圖3。

圖3 地震CT成像工作示意圖Fig.3 Seismic CT testing and imaging schematic diagram

在實際探測過程中，跨孔彈性波CT法的工作方式既可以是一孔發射彈性波，另外一孔多道接收，也可以是一孔發射多孔接收。本次探測是利用相鄰的兩個鉆孔開展CT工作，在一個鉆孔中以固定的間距（0.5～1 m）布置激發點發射彈性波，在另一個組鉆孔中按發射孔相同間距布置若干接收器用來接收彈性波。探測中要保證發射孔中每個激發點發射出的彈性波均能被接收孔中的每個接收器接收，這樣彈性波射線就在2個鉆孔之間的地層中穿透形成了一個大量交叉的網絡（龔選波等，2018）。再將接收器接收到的彈性波通過計算機進行數據計算，進而得到了2個鉆孔間地層的波速圖像，最后再將波速圖像與前期勘察成果相結合綜合分析得出探測范圍內覆蓋層厚度、溶洞及溶蝕裂隙分布等巖溶發育特征。

3 勘察成果與分析

3.1 等值反磁通瞬變電磁法成果分析

結合工作任務及現場探測條件，沿車站中線布設1條測線（圖4），測線長度約1000 m，點間距5 m。本次探測采用的儀器是湖南五維地質科技有限公司研制的HPTEM18型高精度瞬變電磁系統，數據采集參數：電源電壓12V，發射電流8.5A，發射頻率6.25 Hz，關斷時間28.5 μs，疊加周期為600次。

圖4 等值反磁通瞬變電磁法測線布置圖Fig.4 Diagram of OCTEM probe line

物探解譯如圖5所示，圖例中顏色由冷色調至暖色調反映了電阻率值從小變大的趨勢，剖面淺部的電阻率明顯偏低，等值線橫向連續性較好，垂向差異明顯。結合前期井內電阻率試驗以及鉆探成果，推測淺部低阻帶為第四系覆蓋層的電性反映。深部電阻率明顯偏高，推測為下伏基巖的電性反映。

圖5 等值反磁通瞬變電磁法電阻率斷面圖Fig.5 The contour map of OCTEM inversion resistivity

通過物探反演成果和前期鉆孔揭露情況的綜合分析，場地內第四系覆蓋層和基巖的劃分大致以400 Ω·m為界，根據工區地球物理特征可知，該區地層表現為雙層結構：

1）表層第四系覆蓋層電阻率偏低，電阻率橫向上連續性較好，垂向上差異明顯，電阻率范圍為200～400 Ω·m，覆蓋層和下伏基巖的電阻率界限明顯，覆蓋層厚度10～20 m，局部地段（DK50750）厚度可達40 m，推測是溶槽和溶溝的影響。

2）下伏基巖電阻率表現為持續增大的高阻，電阻率范圍為500～1500 Ω·m，由于該組電阻率范圍相近，無法具體分辨基巖種類。基巖橫向上存在不同深度和寬度的低電阻率異常區共計5處（位于DK50430～50520、DK50770～50950范圍內），異常深度處于30～50 m，推測這幾處低電阻率異常區巖溶發育。

3.2 工程地質鉆探成果分析

根據鉆探揭露，場地內巖溶主要為覆蓋型巖溶，發育類型主要有溶洞、溶隙、溶溝和溶槽。本次鉆探揭露的溶洞總數為41個，洞高0.50～8.73 m，平均高度2.73 m。大部分溶洞規模較小，溶洞洞高＜2.0 m的共有21個，占總數的約50.0%。溶洞充填類型為全充填、半充填、無充填，充填物主要為軟—可塑狀粉質黏土、砂土、角礫和碎石。

本次工程地質鉆探共完成68個可溶巖勘探孔，其中有28個鉆孔揭露到溶洞，鉆孔見洞率41.18%，總線巖溶率為22.40%。

為驗證物探成果的正確性，在等值反磁通瞬變電磁法揭露的低電阻異常區也布置了驗證鉆孔，物探異常區鉆孔成果見圖6。通過兩者對比，發現各個低電阻率異常區域中均發現有不同程度的巖溶存在，表明鉆探驗證成果與等值反磁通瞬變電磁法反演成果較為一致，物探的探測效果比較可靠。

圖6 物探異常區鉆孔斷面圖Fig.6 Profile of borehole drilling in OCTEM abnormal area

3.3 跨孔彈性波CT法探測成果分析

鉆孔資料揭示車站場地內的第四系覆蓋層主要為粉質黏土、砂層，下伏基巖為石炭系粉砂巖或灰巖，巖溶較發育，而溶洞內充填物一般以黏性土為主，部分溶洞無充填物。根據現場鉆孔縱波波速測試成果可知，完整基巖與巖溶發育區間存在明顯的波速差異，為開展跨孔彈性波CT測試提供了良好的物性條件。加之場地內地下水位埋深較淺，一般為1.5～5 m，又提供了良好的耦合條件，因此場地具備開展彈性波CT探測工作的前提。

為了更精細地探測出場地內地下巖溶的發育情況和空間分布，現采用跨孔彈性波CT法對普查階段揭示的巖溶發育區進行詳查工作，部分CT剖面布置如圖7所示。

圖7 CT剖面布置圖（部分）Fig.7 Plan of survey lines for the cross-hole seismic CT test

通過現場的數據采集、資料處理和綜合解譯工作，最終較準確地查明了工程場地內地下巖溶的發育情況，本文以LC21—LC28剖面的地質解譯圖（圖8）為例進行說明。

從圖8可見，彈性波CT可以很好地反映出地下目標體的速度差異。覆蓋層與下伏基巖的波速差異很大，波速影像圖上反映為高速區與低速區之間明顯的分界，大致以波速2500 m·s-1為分界線。溶洞發育區與周圍完整基巖間也存在十分明顯的波速差異，在波速影像圖上反映為速度色譜的突變，而這種色譜突變的低速異常區域就代表著巖溶發育區。溶蝕裂隙發育區與周圍的完整基巖之間存在一定的波速差異，大致以波速4000 m·s-1為分界，波速大于4000 m·s-1區域代表完整基巖，低于4000 m·s-1則為覆蓋層或溶洞發育區與完整基巖間過渡的溶蝕區域。

圖8 LC21—LC28剖面彈性波CT地質解譯成果圖Fig.8 Comprehensive geological interpretation map of LC21-LC28 seismic CT tomography

根據反演的波速影像圖并結合鉆探資料進行綜合分析，對溶洞的發育程度、充填類型進行了判斷，部分解釋結果見表2。

表2 跨孔彈性波CT法溶洞發育解釋結果（部分）Tab.1 The position of karst caves and filled conditions by the results of velocity tomography

3.4 勘察成果綜合分析

通過工程地質調繪、等值反磁通瞬變電磁法、工程地質鉆探、跨孔彈性波CT等4種勘察方法獲取的成果資料綜合判斷可知，車站場地內發育覆蓋型巖溶，發育類型主要為溶洞、溶溝、溶槽和溶隙。勘探揭露的土、巖分界線起伏較大，基巖面平均埋深約10～20 m，局部地段（DK50890）基巖埋深較大（超過50 m），基巖深埋地段巖面附近分布有軟—可塑狀的黏性土，為溶溝溶槽堆積物。本次物探和鉆探過程中，揭露了大量溶洞，揭露的溶洞總數為63個，洞高0.50～8.73 m，揭露的單層溶洞有31個，揭露串珠狀溶洞的共計有32個，單孔揭露最多溶洞個數為4個。鉆孔見洞率41.18%，總線巖溶率為22.40%。溶洞充填類型無明顯規律，大部分有充填物，少部分無充填物，揭露無充填物的溶洞有13個，約占溶洞總數的20.6%。溶洞充填物主要為灰褐色軟—可塑粉質黏土、砂、角礫和碎石。4種方法取得的成果吻合度高，取得了較好的勘察成果。根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》表6.6.2判定，擬建車站巖溶發育等級為強發育。

4 結論

以上工程實例中，多種勘察手段的綜合使用取得了良好的效果，從中得到以下結論：

1）等值反磁通瞬變電磁法設備輕便，施工高效，抗干擾能力強，且消除了常規瞬變電磁法淺層的“盲區”，在人文環境復雜的城市軌道交通巖溶勘察中可以發揮較大的優勢。

2）跨孔彈性波CT法能夠真實全面地反映鉆孔間巖土分界面的起伏情況、巖溶的空間分布、發育程度等特征，在巖溶的精細勘察中具有良好的應用前景。

3）本次巖溶勘察在充分分析研究了前期勘察資料和工程地質調繪成果的基礎上，采用了工程地質鉆探與地球物理勘探（等值反磁通瞬變電磁法、跨孔彈性波CT）相結合的綜合勘察方法，有效地查明了擬建地下車站范圍內地下巖溶的發育程度和分布情況，為后續車站的設計、巖溶處理和施工提供了較為可靠的基礎資料，也證明了多種勘察手段取長補短、相互配合，能夠有效避免單一手段的局限性，提高勘察的精確度。