貴陽城市軌道交通工程勘察的巖溶問題及其探察方案探討

李法濱, 王 祥, 冉 軍, 龍 斌, 曾 耀

(1.貴州省山區高速公路智慧運維工程研究中心,貴陽 550000;2.貴州黔通工程技術有限公司,貴陽 550014;3.貴陽市公共交通投資運營集團有限公司,貴陽550081;4.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司,貴陽 550081)

0 引言

貴陽屬巖溶地貌典型發育,碳酸鹽類巖石分布面積約占全市的72%。地處黔中山原丘陵中部,地勢西南高、東北低,具有低緯度、高海拔、地形多樣的顯著特征,全市地形起伏大,山地、丘陵約占全市土地面積的88%。其中觀山湖區與老城區高差達220 m[1]。受地形地貌和地質構造等影響,貴陽城市空間結構的特點是“雙核多組團”:以老城區、觀山湖區為核心,形成若干個產城互動、規模合理、適宜居民生活就業的城市組團[2]。

貴陽市位于揚子準地臺的黔北臺隆和黔南臺陷的過渡帶,其地質背景的典型特點是:①巖溶發育,形態多樣,地表以溶溝、溶槽、巖溶洼地為主,隱伏巖溶多為溶洞、溶隙、溶溝、溶槽等;②構造復雜,其中城市軌道交通1號線穿越19條斷層,2號線穿越21條斷層,3號線穿越11條斷層;③水文條件復雜,線路靠近或穿越地表徑流花溪河、南明河、市西河、貫城河等,同時巖溶和構造的復雜性使得局部地區的地表水和地下水通過溶洞、裂隙、斷層等貫通,造成了水文條件復雜多變的現狀。

1 需要解決的巖溶工程地質問題

在貴陽城市軌道交通工程勘察中,面臨的首要問題就是巖溶。根據貴陽軌道交通線網規劃,貴陽城市軌道交通工程穿越可溶巖地層長度占總線網長度的90%以上。貴陽市軌道交通1號線、2號線一期和二期工程地下區間主要采用礦山法施工,貴陽市軌道交通3號線一期工程開始引入盾構法施工工藝,采用盾構法施工區間超過區間長度的1/2,施工過程常遇突泥、突水、大型溶洞、地面塌陷等巖土工程問題。

根據統計,貴陽城市軌道交通1號線一期工程898個鉆孔中,發現溶洞229個,見洞率為25.5%,施工中揭露溶洞約3 000余個。2號線一期工程654個鉆孔中發現溶洞199個,見洞率為20.3%。3號線一期工程693個鉆孔中發現溶洞134個(部分串狀溶洞),見洞率為19.3%。

巖溶對城市軌道交通工程造成的危害主要集中在兩個方面:①對軌道交通工程本身造成的危害,主要是突泥涌水[3]、結構變形[4]、掌子面溜塌等;②對周圍環境造成的危害,主要是地表塌陷[5]、地表沉降、周邊構建筑物變形等。

解決巖溶地質問題的3個核心要素:①巖溶的發育位置、規模、形態和充填情況等自身存在狀態;②巖溶所處的地表環境、圍巖環境和地下水環境等周圍環境情況;③巖溶所處的工程類別、工程部位和施工工法等施工方案。

2 不同施工背景下的巖溶探查方案

2.1 礦山法巖溶問題

巖溶是礦山法掌子面溜塌、突泥涌水、冒頂、地面塌陷等災害的主要風險源。城市軌道交通工程埋深較淺,其頂板大多位于巖土界面附近,或者位于溶溝、溶槽和表層溶蝕裂隙等淺層巖溶發育區附近。當掌子面頂部揭露巖溶時,極易引起溜塌、冒頂和地面塌陷等;當掌子面中部或底部揭露巖溶時,極易引起突泥、涌水、支護變形、隧底塌陷等。

1)初勘階段,針對礦山法巖溶問題,應根據地面現狀和地質情況等合理選擇物探方法,沿隧道中線布置1條連貫的地面物探測線,或平行車站輪廓線布置不少于3條地面物探測線。物探方法應優選具有點測深功能的方法,可選用天然源面波法、大深度探地雷達法、直流電測深法和瞬變電磁法等,有條件的情況下或重大巖溶異常應選取兩種甚至兩種以上物探方法進行綜合解釋。針對物探解釋異常,開展鉆探驗證和單孔物探,并適當開展跨孔CT工作。

2)詳勘階段。針對初勘揭露的巖溶情況加密地面物探測線,形成一定密度的物探測網,具備條件時應開展跨孔CT工作,以準確查明巖溶水平位置、埋深、形態、充填狀態等基本情況。

3)施工階段。開展探地雷達、TSP、瞬變電磁法、超前水平鉆和加深炮孔等超前地質預報工作,以降低施工風險,避免重大安全事故發生。

貴陽城市軌道交通3號線一期工程松浣區間隧道為礦山法施工,雙洞單線型式,單洞截面寬度為6.52 m。ZDK31+005～ZDK31 +100段揭露巖土組成為第四系人工回填土、紅粘土,下伏基巖為三疊系大冶組(T1d)石灰巖。

詳勘階段設計鉆孔間距為30 m,實際鉆孔間距為25 m～35 m,鉆探未揭露巖溶。沿線路布置1條地震映像法測線,于ZDK32+077～ZDK32+107段發現1處裂隙發育帶(ZDK31+087處布置鉆孔M3Z2-37-1)。詳勘階段成果見圖1。

圖1 工程地質剖面圖(詳勘階段)Fig.1 Engineering geological section(Detailed survey stage)

2021年4月3日,左線掌子面里程ZDK32+010、右線開挖掌子面里程YDK32+037.4于洞頂位置均揭露溶洞。其中,左線溶洞內填充物溜塌約70 m3。4月3日～4月6日開始注漿,共完成注漿199 m3。

險情發生后,開展淺層探地雷達掃描和深層綜合物探。淺層雷達掃描的目的是探測是否發生路面脫空,深層綜合物探的目的是探測巖溶發育情況、形成的空腔大小和土體疏松范圍,采用大探深探地雷達(成果見圖2)、微動勘探法(成果見圖3)、高密度電法(成果見圖4)三種物探方法的綜合。

圖2 大探深探地雷達法成果解釋圖Fig.2 Result interpretation diagram of deep GPR

圖3 微動勘探法成果解釋圖Fig.3 Result interpretation diagram of microseismic exploration

圖4 高密度電法成果解釋圖Fig.4 Result interpretation diagram of high density electrical method

綜合物探發現掌子面前方存在3處巖溶異常(成果平面圖見圖5),其中1處異常位于詳勘地震映像法推斷的裂隙發育帶內;掌子面后方存在1處異常(施工開挖已揭露為裂隙)。針對掌子面前方的巖溶異常設計3個鉆孔實施2個,2個鉆孔均揭露巖溶。針對揭露的2處巖溶,提前進行了注漿加固處理,施工通過時未發生險情。

圖5 巖溶平面圖(施工階段) Fig.5 Karst plan figure(Construction stage)

ZDK31+005～ZDK31+100段,詳勘階段依靠鉆探揭露1處巖溶,施工階段依靠“綜合物探普查+鉆探驗證”的辦法揭露4處巖溶。由此可見,利用“綜合物探普查+鉆探驗證”的辦法,保證了洞內施工安全,預防了地面塌陷風險。

此處大冶組(T1d)石灰巖節理裂隙較發育,淺表層多溶孔、溶隙、溶槽和溶洞等巖溶形態。此類巖溶多向上與覆土層連通,因此地質異常體在雷達剖面上多表現為雜亂反射,并常具繞射弧,在微動剖面上多表現為高速背景內的錐狀低速體,高密度電法剖面上多表現為高阻背景內的低阻體。

2.2 盾構法巖溶問題

在貴州地區隧道施工中,貴陽市軌道交通3號線一期工程首次引入盾構法施工,盾構區間13個,盾構隧道內徑為5.5 m,外徑為6.2 m,管片環寬為1.5 m,管片厚度為0.35 m。盾構法施工穿越巖溶時,易引發盾構機陷落、隧道偏線、突泥涌水、倉內失壓、地面塌陷、漿液涌出地地面等風險。因此,在盾構掘進前需對隧道周邊溶洞作加固處理。據研究,隧道上部溶洞應全部填充處理;隧道側部及底部,溶洞處理范圍可定為與隧道凈距6 m以內[6]。

巖溶區盾構機施工,在工序管理上應做到施工前階段的巖溶精細勘探,務必查清隧道洞身及兩側6 m范圍內的溶洞;掘進前,首先地面加固處理洞徑不小于6 m的溶洞;掘進過程中,做好掌子面前方的超前地質預報和注漿加固處理。

針對施工前階段的巖溶精細勘探,初勘階段,應根據地表現狀環境和地質情況合理選擇有效的物探技術手段,于隧道中線和兩側布置連貫的物探測線,然后針對物探異常進行鉆探驗證和鉆孔物探工作,有條件的情況下適量開展CT工作。詳勘階段,針對初勘異常開展地面綜合物探工作,布置網狀測線或平行測線以查清溶洞邊界,然后開展跨孔CT工作,以精細探測地下溶洞范圍。地面物探工作,應優選具備點測深功能的物探方法。

貴陽城市軌道交通3號線一期工程花明區間采用盾構法施工。詳勘階段采用“全線地震映像法和鉆探,局部跨孔CT法”;施工階段,盾構機入場前開展了巖溶專項補充勘察,采用“全線跨孔CT+單孔物探”。地震映像法顯示該段存在反射異常,推斷存在巖溶;鉆孔揭露該段巖溶,跨孔CT查明該段巖溶的發育范圍和基本形態。成果資料見圖6～圖11。

圖6 工作布置及成果平面圖Fig.6 Work layout and achievement plan figure

圖7 地震映像法成果圖Fig.7 Results of seismic imaging method

圖8 電磁波CT成果及地質解釋圖(1) Fig.8 Electromagnetic wave CT results and geological interpretation (1)

圖9 電磁波CT成果及地質解釋圖 (2)Fig.9 Electromagnetic wave CT results and geological interpretation (2)

圖10 M3Z3-8-YK2孔巖芯照片Fig.10 Core photo of M3Z3-8-YK2

圖11 工程地質剖面圖Fig.11 Engineering geological section

此處基巖為三疊系下統安順組(T1a2)白云巖,局部相變為白云質灰巖、泥質白云巖,節理較發育～發育,節理面多呈微張型,巖溶多沿基巖面發育于表層節理發育區。此類地質異常在地震映像剖面上多表現為較連續反射背景下的同相軸錯斷和低頻特征,在電磁波CT剖面上多表現為低吸收系數背景下的高吸收特征,高吸收體多向上與表現為強吸收特征的覆蓋層相連通。

2.3 基坑巖溶問題

巖溶是誘發基坑突泥涌水等災害的主要風險源。巖溶的不均勻性和隨機性是巖溶地下水的控制性因素,所以巖溶涌水常常是突發的,基坑開挖未揭露地下水前,又難以確定具體的涌水部位。因此,施工前,應精確查明基坑范圍內的巖溶發育情況,掌握地下水規律(圖12);施工中,應開展物探和超前鉆等超前地質預報工作。

圖12 基坑涌水情況[7]Fig.12 Photo of water gushing in foundation pit

初勘階段,應根據地面現狀和地質情況等合理選擇物探方法,沿結構物輪廓線布置地面物探測線,基坑范圍內適當布置少量地面物探測線。針對物探解釋異常,開展鉆探驗證和單孔物探。詳勘階段,針對初勘揭露的巖溶情況加密地面物探測線,形成一定密度的物探測網,并適當開展跨孔CT工作,以精確掌握基坑范圍內的巖溶發育情況。

施工階段,開展超前地質預報工作,主要是地質雷達、面波等物探方法結合超前水平鉆等鉆探方法。

貴陽軌道交通2號線一期工程延安西路站設計開挖深度24 m～28 m,2014年2月開始施工,2015年11月開始基坑明挖。基坑挖至17 m時突發涌水,最大出水量8 000 m3/d～10 000 m3/d,嚴重影響施工和工期。

延安西路站基坑地層為上覆第四系覆蓋層,下伏三疊系中統松子坎組一段(T2sz1)中厚層狀泥質白云巖和泥質石灰巖互層,三疊系下統安順組二段和三段(T1a2+3)中厚層～厚層狀白云巖。照壁山斷層(F15)穿過基坑,斷層北盤富水性較好,南盤富水性較差。受構造影響,基巖面起伏大,巖體節理裂隙發育、巖溶強發育。巖溶發育形式為溶蝕裂隙和巖溶管道。

為準確查明基坑內的破碎帶、溶蝕裂隙和巖溶管道的發育情況,揭示導水通道,為注漿止水方案設計提供基礎資料,采用了考慮道間時差相位的多道瞬態瑞雷波探測方法,在基坑開挖面及基坑外圍地表均布置了測線[7]。結果表明,無覆蓋層條件下,受富水斷層控制的溶蝕裂隙和巖溶管道在瑞雷波相速度剖面上,表現為高速度背景中的較連續低速體。

根據探測成果對巖溶富水區進行帷幕注漿堵水設計[8]。注漿堵水施工完成后,基坑繼續開挖,揭露的地質斷面以及注漿形成的結石體與瑞雷波相速度成像結果(圖13)所指示的巖溶發育情況十分吻合。

圖13 瑞雷波相速度-深度剖面與開挖揭露驗證[7]Fig.13 Rayleigh wave phase velocity-depth profile and excavation exposure photo

3 結論及討論

1)重大巖溶風險,如果在勘察設計階段沒有被發現,其風險就會傳遞到施工階段;如果在施工階段沒有被消弭,其風險就會傳遞到運營階段。巖溶風險的每一次傳遞,都是安全風險的積累,嚴重者最終會轉化為安全事故。因此,針對巖溶風險,所應持的原則應是“早發現,精勘探,適當超前處置”。

2)巖溶探測方案應“先地面探測巖溶的位置、范圍、埋深等,后鉆探驗證和補充,最后跨孔CT精細刻畫形態”。工勘階段應有針對性地開展地面物探;初勘階段應以地面物探為主,鉆探為輔,地面物探應保持剖面連貫性;詳勘階段應針對初勘階段成果,有針對性開展地面物探加密和跨孔CT工作,目的在精細刻畫巖溶形態,為設計巖溶處置方案提供資料支撐。地面物探方法應優選天然源面波法、人工源面波法等彈性波法,大探深探地雷達法、直流電法、小回線瞬變電磁法等電法或電磁法。不同的物探方法在探測深度、分辨率和工作效率上具有明顯的差異性,巖溶探測應根據具體的場地條件、地質條件、施工工法和探測要求等靈活確定綜合物探方法的組合和流程設計。