場地巖溶發育特征規律研究及勘探技術優選*

郜江俊，肖 豹，蔣春桂，楊小龍

(中國建筑第五工程有限公司，湖南 長沙 414000)

0 引言

巖溶是碳酸鹽、硫酸鹽、鹵素巖等可溶性巖石在地質作用下，形成溶溝、溶隙、溶洞、暗河等一系列現象的統稱。隨著我國經濟建設的高速發展，鐵路、橋梁、公路等工程設施分布區域愈加廣泛，不可避免接觸含隱伏溶洞的巖溶發育地區。處于覆蓋型巖溶地區的隱伏溶洞隱蔽性好，難以發現，極易造成安全隱患，對工程建設的危害性巨大[1-3]。因此巖溶區域修建公路與橋梁首先應對隱伏溶腔的規模及特點進行較準確探測與認知[4-6]，進行勘探及規律研究，主要手段有工程地質鉆探和物探[7]。

許多發達國家物探技術發展起步較早，并且為從業人員制定了相關的技術標準。例如，美國測試與材料協會頒布了《地面地球物理方法選擇標準指南》，提供了工程地質調查中常用勘測方法的適用條件、使用方法等。同年，英國大不列顛標準局頒布了《地質調查標準》，提出跨孔地震、微重力、電阻率或電導剖面法以及地質雷達等方法在巖溶區勘測中最有效。美國 Technos 地質與地球物理咨詢公司出版了《地面地球物理方法》，該書通過總結先前地球物理勘測經驗，系統分析了各種巖溶勘測方法[8]。近年來，國內的巖溶地區地球物理勘測技術也不斷發展，并且大量運用于工程建設當中[9-10]。根據測量原理可以將巖溶場地物探技術歸為兩大類[11]：一是以介質彈性差異為基礎的方法，主要有地震波反射法、地震波透射法、瑞利波法等；二是以介質電性和磁性差異為基礎的方法，有高密度電流法、瞬變電磁法[12]、探地雷達法、電波透視法等。除此以外，目前在溶洞和采空區的勘查中還有一些其他方法，如微重力探測法和管波探測技術等方法。

物探方法以其精度高、覆蓋較全面的特點，在巖溶場地工程勘察中發揮著重要作用。隨著工程建設范圍以及涉及區域的逐漸擴大，單一的物探已經不再能夠滿足復雜的勘探要求，其多解性與巖溶復雜程度造成了單一的物探方法在解決問題時具有諸多缺陷，此時綜合物探的方法成為工程技術人員的最佳選擇[13]。在明確各物探方法特點及優勢的基礎上，將物探與傳統鉆探結合將會使勘探效率得到顯著提升[14]，并且該方法已成為當今巖溶勘探領域的重點課題。

1 工程概況

泰康(南京)國際醫學中心項目位于南京市棲霞區仙林街道學海路(在建)東側，工區位于現有泰康仙林鼓樓醫院南側沿山空地。項目所在地屬巖溶發育地質，根據詳勘報告揭示，本工程位于巖溶強發育地段，⑤2層中等風化石灰巖發育溶洞，填充物為巖塊混粉質黏土，溶洞分布極不規律，下伏溶洞形狀較小且埋深淺。為指導場地巖溶施工，需要開展施工地區巖溶發育規律調查，并依托工程場地巖溶勘探評價巖溶發育程度和穩定性。為此，本文采取工程地質鉆探與地球物理勘探相結合的方法，采用瞬變電磁法和超前鉆孔法，調查場地巖溶發育情況，總結巖溶發育規律并進行勘探技術優選。

2 試驗場地巖溶勘察

2.1 試驗段設置

在巖溶發育地區，勘查初期應首先采用綜合物探的方法，并且結合工程地質調繪和工程地質條件，決定如何布置勘測點。綜合考慮泰康(南京)國際醫學中心項目地質條件及設備條件后，為查明工區范圍內覆蓋層的厚度、基巖的埋藏深度及可能存在的巖溶位置和規模，為工區內巖溶發育程度評價提供物探依據，本文選取瞬變電磁法作為巖溶勘探的具體實施方法。本次共完成瞬變電磁測線19條，東西向長線點距為3m，南北向短線點距為2m，累計完成362個測點，測線總長945m，共發現18處巖溶或巖層風化破碎帶發育區。

為達到最佳的探測效果，根據探測目的及現場施工條件，本次物探采用瞬變電磁法。本場地瞬變電磁法測量工作實際共完成19條測線，其中2條長測線按照拐點分段觀測，分別為1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，2-1，2-2，2-3，2-4，2-5。9條短測線由西向東北為10線、20線、30線、40線、50線、60線、70線、80線、90線。

2.2 瞬變電磁法勘探

瞬變電磁法1-1測線，南西-北東向，方位角62°，剖面長度93m，點距3m，實測32個測點。根據1-1測線反演成果圖，該剖面電性層特征明顯，縱向上看其電阻率數值由淺至深的整體變化趨勢為低到高，基本能定性反映地層電阻率的變化特征，該測線在鋪裝路面上施工，前70m測量信號衰減較快，推測為路面下方埋設電線或鋼筋造成，故前70m數據質量較差，橫向來看，在電阻率反演剖面上出現電阻率低值異常，即剖面的76～88m，高程26.000～19.000m附近，電阻率等值線橫向不連續，下凹，呈現近“V”字形，其數值明顯低于兩側，推斷為巖層風化破碎或巖溶發育引起。

2.3 地質鉆孔驗證

本文對場地巖溶的發育形態及分布特征展開研究，地球物理勘探方法探測范圍廣，但是具體精確性如何尚未可知，故采用地質鉆孔方法，并對鉆孔數據中遇見溶洞的勘探孔數據進行整合梳理，以此來分析揭露溶洞位置及發育特征，從而對物探結果進行驗證。結合場地內見洞鉆孔平面位置的分布，得出鉆孔揭露溶洞位置。

2.4 勘探技術優選

瞬變電磁法是一種針對查明含水地質如巖溶洞穴與通道、采空區探測領域有良好效果的物探勘查方法，在地質勘查中有廣泛應用[15]。

本文依托工程泰康(南京)國際醫學中心項目屬低山丘陵地貌單元，地形起伏較大，整體呈東南高西北低，靠近東南側坡度達25°、局部地段未進行分層碾壓。南側大部分地段為回填土，且為建筑垃圾回填，孔口標高為21.420～55.570m，相對高差34.15m。

本次物探探測場地為多為空地、工地活動板房旁、水泥路等。受人為因素影響，場地原始地貌已被破壞，場地地表較為平整，主要為水泥地坪或回填土。本次物探工作采用具備零互感特性的等值反磁通裝置形式，如圖1所示，天線類型為收發一體，接收等效面積200m2，在正式采集數據前，分別進行發送頻率、疊加周期等選擇試驗，確定最佳觀測參數，根據現場試驗結果，確定發送頻率25Hz，采樣時間窗口最大為20ms，發送電流大于10A，疊加周期數500次，重復兩次觀測。現場施工時，沿測線逐點移動觀測，若曲線出現畸變，查明原因，重復觀測，并做好記錄。

圖1 等值反磁通瞬變電磁裝置示意

在充分考慮探測目標、勘探場地大小、勘探場地接地條件等諸多因素后，本次瞬變電磁探測采用HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬變電磁系統，該系統采用統一標準的微線圈對偶磁源、高靈敏磁感應接收傳感器、高速24位采集卡以及高密度測量技術實現淺層高精度瞬變電磁勘探，施工更便捷，滿足探測工作要求。

3 試驗場地巖溶發育特征規律分析

3.1 整體巖溶發育特征規律

3.1.1鉆孔巖溶率

為了探明區域內溶洞發育特征，首先根據區域內鉆孔情況進行統計，通過從現場收集的50組鉆孔鉆探資料發現，上覆土層厚度離散性很大，淺的3.5m，深的達21.2m，上覆土層一般由人工填土和粉質黏土組成，基巖為石灰巖，土層由上而下一般為雜填土、素填土、粉質黏土、強風化石灰巖。

溶洞大多分布在地表下4～29m深度范圍內，常見溶洞高度0.3～4m，局部高度為4～6m，典型高度為0.3～2m。灰巖區遇洞率95.6%，線巖溶率10.5%，洞內均被全填充，充填物以硬塑～可塑狀粉質黏土或黏土為主，混較多中風化灰巖碎塊，洞內有漏水現象。

相關數據統計結果如圖2所示。

圖2 鉆孔巖溶率統計

不同位置的巖溶發育情況存在差異，不同鉆孔之間鉆孔巖溶率差異很大。可以看出，鉆孔巖溶率較高的鉆孔分布都較為集中，大概分布在幾塊不同的區域，中間幾乎沒有巖溶分布。但是鉆孔揭示的只是一個點的情況，鉆孔之間的情況無法探明，為了更好地還原地層下巖溶發育的本來面貌，需要結合前述物探方法進行綜合判斷。

3.1.2巖溶垂向發育特征

試驗場地巖溶垂向發育主要關注鉆探中揭示的洞頂標高、溶洞高度和頂板厚度等參數。現將區域內鉆孔相關數據進行統計，結果如圖3所示。

圖3 洞頂標高與溶洞高度

項目區巖溶的埋藏深度小，其形態各異，規模大小不一，巖溶的埋藏深度一般在 16.80～29.50m，屬于淺覆蓋型，溶洞高度范圍在0.3～6.0m。場地巖溶強發育，溶洞分布無規律性。

鉆探時揭露的溶洞洞體頂板巖石厚度均小于洞體高度，當受到較大的外力作用情況下，可能造成頂板塌落，地面發生塌陷，對于地基穩定性和樁基施工影響較大。本場地巖溶較為發育，建議樁基施工前應進行施工勘察(一樁一孔)，并對溶洞區域采取注漿等處理措施，樁基施工時應鉆穿溶洞區域，樁端坐落于完整基巖之上，避免其對工程的不利影響。

3.2 串珠狀溶洞發育特征規律

項目區串珠狀溶洞占比情況及內部填充情況如圖4所示。

圖4 項目區串珠狀溶洞占比

可見工程沿線串珠狀溶洞發育最為廣泛，占比超過工程沿線總量的一半，且存在垂向4～5個溶洞同時發育的情況。對于串珠狀溶洞內部充填情況，絕大多數溶洞均是全填充，無填充溶洞極少，內部填充物物以硬塑～可塑狀粉質黏土或黏土為主，混較多中風化灰巖碎塊。

4 結語

1)場區主要的不良地質現象為巖溶，區域內溶洞分布較為分散，巖溶的埋藏深度一般在16.80～29.50m，洞高0.3～6.0m，基本上為全填充，充填物以硬塑～可塑狀粉質黏土或黏土為主，混較多中風化灰巖碎塊，洞內有漏水現象。

2)綜合瞬變電磁法與超前鉆探法可以發現，瞬變電磁法具有數據采集速度快、采集方式靈活、分辨率高、勘探深度較大的優勢，結合鉆孔驗證能夠高效率地進行面狀巖溶剖面的快速準確辨識。

3)通過瞬變電磁法勘探與地質鉆孔勘探結合與相互驗證，比選出較優的巖溶地質勘探技術。