綜合勘探方法在湖底巖溶區隧道的應用

王瑞芳

（武漢科技大學 城建學院土木系，湖北武漢430065）

0 引言

隨著城市化進程的推進，交通擁堵問題越來越突出。城市主管部門為緩解交通壓力、增加機動車的出行方式，采取向空中（高架橋）和地下（地鐵、隧道）延伸的方式來緩解交通堵塞的問題。地鐵、隧道建設若穿越巖溶地帶，巖溶會增加工程建設的難度，使造價提高。近年來關于巖溶方面的研究越來越多，如蔡晶晶[1]以南京地鐵3 號線將穿越崗谷地和巖溶區為工程背景，根據等值線圖中低電阻率分布特征推斷巖溶發育情況，其結果與鉆探結果較為吻合，取得了較好效果。劉猛[2]在鄂西山區某高速鐵路隧址區勘察過程中采用綜合勘探手段，通過鉆探與物探的相互驗證,較好地查清了隧址區鈣質膠結礫巖區巖溶發育、富水情況及斷層破碎帶分布情況。鄭江波[3]以廣州市地鐵某車站為例，采用鉆探和地震CT，對該車站的巖溶發育情況進行勘測。周大海、秦志明[4]以廣西隆林縣境內的克長至巖茶公路的巖溶塌陷為背景，提出合理有效的地質災害勘查手段，取得了預期的資料成果。

1 工程概況

某湖底隧道工程是穿越城市內湖的一條城市主干路，是城市二環線的分流通道。該項目包含地表及穿越內湖的隧道，隧道主線全長19.25km[5]。沿線地理環境較復雜，地面建筑物較多，地下管網較復雜，且兩次下穿地鐵線路。湖底隧道主要采用地下隧道形式建設，岸上段采用明挖法建設，水底段采用盾構法建設，隧道斷面為14.5m，單管雙層雙向4 車道，盾構段長8485.1m。根據隧道初、詳勘結果[5]，湖底隧道與道路相接段下伏基巖主要為C-T 石灰巖等可溶巖，約合2010m 長。巖溶對設計、施工和隧道運營安全影響較大，為了查明巖溶發育特征，建設單位擬對已揭露碳酸鹽巖的區段進行巖溶專題勘察工作。

鉆孔過程中，工作人員發現石灰巖面上往往分布著一層軟弱的黏性土，增加了鉆探難度。石灰巖內溶洞多，鉆探過程中漏水嚴重，導致巖渣難以排出，為下管鉆進造成了阻礙。另外，溶洞充填物往往容易垮塌，也增加了下管繼續鉆進難度。為提高對巖溶分布情況的勘探準確率及保證湖底盾構機的安全施工，項目采用鉆探與物探相結合的綜合手段，對場區巖溶發育特點進行分析，重點探查隧道底板以下一倍洞徑范圍內巖溶，評價其對隧道工程的影響，為隧道巖溶加固與處理提供可靠的地質資料。

2 勘察工作

該隧道為城市交通隧道，地表標高為15.8～26.3m，水位一般在19.5m 左右，隧道頂部標高為3.0～10.0m，隧道底部標高為-26～-5m（均為絕對標高）。以YRK155～YRK167 剖面圖為例，隧道頂板、底板與剖面圖的關系如圖1 所示。

圖1 彈性波隧道CT 地質剖面圖

由于巖溶發育具有隨機性以及隧道工程的重要特性，本次勘察所有鉆孔均不在隧洞軸線上，鉆探揭露的溶洞不在隧道部位。擬在隧道兩側布置勘探孔，鉆孔間距一般控制在10 ～12m，實際施工過程中根據地質條件可適當調整，對于物探CT 探查異常地段，適當布置鉆孔驗證。

在隧道洞身穿過的可溶巖區域進行專項勘察勘探孔布置，沿隧道軸線法線方向上，鉆孔盡量布置在隧道開挖邊界外側3～5m 范圍內，將法線方向上勘探孔間距控制在25m 以內（隧洞寬度14.5m），最大不超過30m[6-9]，如圖2 所示。

圖2 勘察平面布置圖

圖3 中，以YRK13 為例進行分析，巖土層分布不是很均勻，分別是淤泥質粉質黏土、粉質黏土、紅黏土、中風化石灰巖，隧道穿越的土層主要為中風化泥質粉砂巖。從圖3 可以看出，巖溶發育嚴重。

圖3 剖面圖

3 物探方法選取

物探利用地下巖土體物理性質的差異來探測地層巖性、地質構造等地質問題，通常單一的物探手段對巖溶勘察精度是有限的，本次物探工作按下述方法進行[10]。

3.1 鉆孔彩色電視

采用鉆孔彩色電視進行鉆孔內溶洞和土洞的原位觀察，該系統的原理是采用反光錐鏡攝取360°孔壁圖像，由計算機對圖像進行采集處理，形成連續的全孔壁展開圖像，孔壁圖像的展開按N →E →S →W →N 的順序。該系統可進行孔壁圖像實時采集、展開處理、拼接、實時存盤，現場直接觀察全孔壁展開拼接圖像，實現電視探頭下鉆孔全孔壁一次成像，大大提高了生產效率和鉆孔資料的質量， 儀器裝置如圖4 所示。

為了查清場地巖層的產狀，本次勘察挑選了5 個孔進行孔內電視，采用GD3Q-GA6 型號，鉆孔直徑為500mm。由于擬建工程場地位于東湖水域，施工期間受季風氣候影響，波浪較大，造成孔內水渾濁，故實際只有一組孔YZ6 鉆孔有彩色電視成果，如圖5 所示。在鉆孔深度35.0～36.0m 深度處，有豎直裂隙，裂隙寬度為2mm 左右，為張開裂隙。從圖4 可以看出，巖層溶隙孔洞發育較多。通過觀察鉆孔彩色電視成果，發現巖層風化嚴重，且有溶蝕現象[5，11]。

圖4 鉆孔彩色電視儀器

圖5 YZ6 鉆孔在不同深度的巖層狀態

3.2 孔間電磁波CT 層析成像

本次巖溶專項勘察主要采用孔間電磁波CT 層析成像，目的是探查湖底下隱伏巖溶、破碎帶、溶蝕裂隙帶的發育及分布規律，根據測區的溶洞及裂隙在剖面上的異常特征，可以反映其分布形態及地下隱伏的地質構造情況。

湖底隧道下伏基巖主要以灰巖為主，灰巖強度高、裂隙較少、電阻率較高，對電磁波的吸收能力弱。對于泥巖、砂巖、頁巖、硅質巖等電磁波無法穿透的非可溶性碳酸鹽巖區域，沒有劃分基巖較完整的分界線。各地層時代巖性視吸收系數特征如表1所示。

表1 各地層時代巖性電磁波CT 視吸收系數特征表

現場物探拍攝圖片及數據分析結果如圖6 所示。

圖6 孔間電磁波CT 射線與成果分布圖

圖6（a）中，巖層深度較淺范圍內出現視吸收系數高值區域，呈現為深色區塊 ；隨著深度的增加，巖層出現裂隙，巖溶的比例也在增大，說明盾構機在湖底隧道施工需重點關注深度大的巖溶、裂隙。

3.3 孔間彈性波CT

彈性波層析成像（CT）基本原理同電磁波CT 原理類似，曲線如圖6（b）所示。在彈性波CT 地質剖面圖上確定剖面異常的原則有兩個[12-13]：（1）在較完整巖體里，波速值≥4000m/s；（2）在巖體較差或土巖結合部視波速值比背景值小1000 ～2000m/s。同時結合具體的地質、鉆孔資料，對異常進行分類，基巖面界線大致以波速值≥2400m/s 為界劃分。根據波速的變化來反映地質體的特征，一般情況下巖溶、破碎帶、裂隙發育區等地質異常區會表現出低波速異常，CT 彈性波圖像特征見表2。

表2 CT 剖面圖像特征表

4 勘查和物探溶洞在高程上的分布特征

根據本次勘察期間水位觀測情況，鉆孔揭露溶洞均位于湖水地下水位以下。地下水位以下的溶洞基本處于飽水狀態，溶洞空腔富水性很強[14]，隧道開挖時應重點注意可能揭露富水含泥溶洞的突水、涌泥問題。

4.1 鉆孔溶洞在高程上的分布特征

在湖底隧道區間，鉆孔揭露的溶洞數量較多，溶洞頂板在高程上的分布統計見圖7。其中：T1d——三疊系大冶組，P1g+P1q——二疊系下統孤峰組和棲霞組，C2h+c——石炭系上統黃龍和船山組。

圖7 鉆孔溶洞頂板高程分布圖

由圖7 可知，鉆孔所揭露的溶洞頂板高程大多集中在5～-20m高程段，共有大小溶洞641 個，約占溶洞總數的86.70%，此高程段以外勘探深度范圍巖溶相對不發育，各巖溶層組的溶洞分布高程略有差異。T1d 組發育溶洞頂板分布高程的峰值位于-10 ～10m，P1g+P1q 組發育溶洞頂板分布高程的峰值位于-20 ～10m，C2h+c 組發育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～5m。

4.2 物探CT 推測巖溶異常點在高程上的分布特征

由圖8 可知，物探所揭露的溶洞頂板高程大多集中在5 ～-30m 高程段，共有大小溶洞813 個，約占溶洞總數的79.7%。各巖溶層組的溶洞分布高程略有差異，T1d 組發育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～10m，P1g+P1q 組發育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～10m，C2h+c 組發育溶洞頂板分布高程的峰值位于-30 ～5m。

圖8 物探CT 推測巖溶異常點頂板高程分布圖

電磁波CT 探測共發現異常點1020 個，其中537 個異常點與鉆孔揭露的溶洞相吻合，其余483 個異常點位于鉆孔之間。該項目共布置40 個物探異常驗證孔，實際完成35 個，其中33個異常區揭露為溶洞，2 個異常區揭露為巖體的碎裂結構。

結合鉆探、物探CT 探測成果分析，物探CT 推測的巖溶異常點的高程分布規律與鉆孔揭露的溶洞高程分布規律基本吻合。場地內溶洞頂板高程大多分布在5 ～-20m 高程段，其余高程段溶洞分布較少，表明場地灰巖中溶洞、溶隙處于淺部巖溶發育帶內。

5 結論

本文采用鉆探和物探相結合的方法進行巖溶專項勘察，物探采用孔內彩色電視、孔間電磁波CT、孔間彈性波CT，彌補了鉆探以點代面的缺點，保證了工程的勘察質量，加快了工程的勘察進度。通過工程實踐，得出如下結論：

（1）該項目的勘測方法可直觀地探查隱伏巖溶、破碎帶、溶蝕裂隙帶的發育情況及分布規律，確定地層巖性及巖溶發育帶等異常地質體；

（2）鉆孔揭露巖溶分布，具有直觀可靠的優點，但鉆探揭示的地質體情況是“點狀分布”，且施工費用高、時間長。物探方法屬于間接勘探方法，可從宏觀層面探測目標地質體的整體情況，具有勘測周期短、勘察范圍大的“面狀分布”特點。通過鉆探和多種物探勘測結合的方式進行綜合分析，可以提升勘察成果的準確率[15]；

（3）比較圖6 和圖7，鉆孔揭露的巖溶異常點分布和物探CT 推測的巖溶異常點在高程上的分布規律很相似，說明鉆孔和物探CT 相結合及相互驗證，能較好地查明湖底隧道巖溶洞分布等，進一步可分析成因與發展趨勢，及對工程可能產生的后果。

針對城市湖底隧道分布有巖溶，巖溶發育強、對施工及運行危害大的缺陷，采用多種物探技術與鉆探結合，對巖溶的分布狀況及溶洞的大小、充填情況進行勘探，取得了較好的勘探效果，可為后續盾構機在湖底隧道安全施工前對溶洞進行注漿處理提供有力的依據。