鉆探與物探在巖溶勘測(cè)中的綜合應(yīng)用

鄭江波

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300308)

據(jù)資料顯示,全球巖溶面積約2 200×104km2,占地球陸地面積的15%,而中國(guó)巖溶面積約346.3×104km2,占我國(guó)國(guó)土面積的1/3,巖溶的勘測(cè)處理已經(jīng)成為地下隧道工程中的重要問(wèn)題。 巖溶勘測(cè)的主要方法有鉆探、物探等,如果僅僅考慮單一的方法,容易導(dǎo)致勘測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確[1 2]。

1 概述

巖溶學(xué)主要研究以碳酸鹽巖為主的可溶巖地區(qū)的巖溶作用,以及其形成的巖溶地貌、巖溶資源和巖溶環(huán)境,是地質(zhì)學(xué)與地理學(xué)的交叉學(xué)科。

近年來(lái),巖溶學(xué)的研究發(fā)展迅猛。 20 世紀(jì)末,袁道先等建立了巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,加深了對(duì)巖溶動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)及其運(yùn)行規(guī)律的理解,從而逐漸形成了巖溶動(dòng)力學(xué)基本理論。 西南巖溶地區(qū)的地質(zhì)調(diào)查與地下水開(kāi)發(fā)示范方面成果顯著[35]。

在勘察階段,如何對(duì)巖溶及相關(guān)的突水、突泥問(wèn)題進(jìn)行有效的預(yù)測(cè),并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)對(duì)策是勘察設(shè)計(jì)人員的頭等大事[67]。 以廣州市地鐵某車(chē)站為例,對(duì)采用鉆探和地震CT 相結(jié)合的綜合勘探方法進(jìn)行研究。

2 場(chǎng)地巖土工程特性

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

場(chǎng)地位于廣花凹陷構(gòu)造區(qū)。 廣花凹陷處于廣從斷裂以西、廣三斷裂以北,包括了華嶺一帶的西北向斷層及其以東的花都、江南、竹料等區(qū)域。 主體構(gòu)造為北東向,由上古生界及其褶皺和伴生的斷裂,以及二疊系和古近系向斜盆地構(gòu)成[89]。 本區(qū)第四系地層主要由上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)人工填土、沖洪積砂層、沖洪坡積土層和殘積層組成,下伏基巖主要為石炭系、二疊系、三疊系和古近系碎屑巖和碳酸鹽巖,巖性有灰?guī)r、泥灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖,或頁(yè)巖、砂巖、泥巖、礫巖、灰質(zhì)礫巖等。 構(gòu)造區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)主要為巖溶,其他不良地質(zhì)有斷裂和風(fēng)化槽等。

2.2 巖土分層及其特征

依據(jù)收集的資料及本次勘察情況,場(chǎng)地各巖土分層及其特征如下。

主要為耕土、素填土,局部為雜填土,顏色以灰褐色為主,成分以黏性土為主,松散,稍濕-飽和。

①淤泥層

深灰色、灰黑色,呈流塑狀,主要由黏粒及有機(jī)質(zhì)組成。

②淤泥質(zhì)土層

深灰色、灰黑色,呈流塑狀,主要由黏粒及有機(jī)質(zhì)組成,局部含較多粉細(xì)砂,具滑膩感和腥臭味。

③粉細(xì)砂層

灰色、灰褐色,松散狀為主,局部呈稍密狀,主要由粉細(xì)粒石英砂組成,級(jí)配不良,局部夾少量淤泥、黏粒。

④中粗砂層

灰色、灰褐色,松散-稍密狀,主要由中粒石英砂組成,局部夾較多淤泥質(zhì)、黏粒,底部粒徑稍大,級(jí)配不良。

⑤粉質(zhì)黏土層

灰褐色,軟塑狀為主,部分呈流塑狀,主要由黏粉粒組成,土質(zhì)較均勻,黏性較好,局部粉粒較多。

①砂層

呈淺黃色、灰色,主要成份為石英,飽和,分選性一般,級(jí)配不良,含較多黏粒和中砂,局部夾中砂薄層。

②流塑-軟塑狀粉質(zhì)黏土層

呈黃色、紅色等,主要由粉質(zhì)黏土組成,局部為黏土,含少量砂粒。

③可塑狀粉質(zhì)黏土層

呈灰色、肉紅色、灰白、褐黃、青灰色,主要由粉黏粒組成,土質(zhì)較均勻,局部含砂粒。

④硬塑狀粉質(zhì)黏土層

土黃色,主要成分為黏粉粒,干強(qiáng)度及韌性高。

⑤淤泥層

深灰色,流塑,含少量有機(jī)質(zhì)或粉細(xì)砂,局部為淤泥質(zhì)土。

⑥淤泥質(zhì)土層

深灰色,流塑,含少量有機(jī)質(zhì)或粉細(xì)砂,偶見(jiàn)貝殼。

①灰?guī)r殘積土層

黃色,軟塑-流塑,含較多巖屑,本層零星分布。

②粉質(zhì)黏土層

淺紅色、灰黃色,可塑,干強(qiáng)度高,斷續(xù)分布于基巖面以上。

③粉質(zhì)黏土層

暗黃色,硬塑,含少量中細(xì)砂,本層零星分布。

(5)中風(fēng)化巖層(C1ds)

主要為中等風(fēng)化石灰?guī)r,淺灰色、灰黑色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,溶蝕現(xiàn)象及方解石脈發(fā)育,巖芯呈短柱狀、扁柱狀,碎塊狀,節(jié)長(zhǎng)10 ～15 cm,RQD=20% ～30%,部分裂隙面見(jiàn)灰黑色炭質(zhì),屬于較軟巖,巖體較破碎。

(6)微風(fēng)化巖層(C1ds)

主要為微風(fēng)化石灰?guī)r,灰黑色、灰白色、灰色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,主要礦物成分為方解石。 節(jié)理裂隙稍發(fā)育,方解石脈稍發(fā)育,取芯以中、長(zhǎng)柱狀為主,局部為短柱狀、塊狀,RQD=40% ～75%,部分裂隙面見(jiàn)灰黑色炭質(zhì)。 錘擊聲脆,屬較硬巖,巖體較完整。

(7)溶洞和土洞

①溶洞

充填或半充填、無(wú)充填,充填物一般為流塑-軟塑狀粉質(zhì)黏土,夾粉細(xì)砂及巖屑,主要發(fā)育于淺層巖層,深部巖層溶洞發(fā)育較少。 本次施工勘察鉆孔共有10 孔揭露,見(jiàn)洞率達(dá)50%,平均層厚3.10 m。

②土洞

充填流塑狀泥漿或粉細(xì)砂等,充填物較雜,或者半充填,充填物多為頂板垮塌松散堆積物。 本次施工勘察鉆孔共有4 孔揭露,平均層厚2.3 m。

3 巖溶勘探

3.1 鉆探布置方案

在車(chē)站主體結(jié)構(gòu)左右線(xiàn)各布置一排鉆孔(布置于每幅連續(xù)墻中間位置),鉆孔間距為12 m,左右線(xiàn)交叉錯(cuò)開(kāi)(見(jiàn)圖1)。 圖1 中,紅色實(shí)心圓圈為鉆孔,鉆孔深度一般情況下應(yīng)達(dá)到連續(xù)墻底部5 m 以下,如遇溶洞,必須貫穿溶洞底進(jìn)入完整巖3 m 以上,且保證溶洞貫穿上下基巖累計(jì)達(dá)5 m 以上。

3.2 地震CT 布置方案及分析原則

(1)地震CT 布置方案

地震CT(彈性波CT)法的基本原理為:在第一個(gè)孔內(nèi)利用激發(fā)器發(fā)射彈性波,到達(dá)第二個(gè)孔后被檢波器接收,之后在波形記錄上拾取彈性波在鉆孔間的傳播時(shí)間,獲得初至波走時(shí),然后通過(guò)求解大型矩陣方程來(lái)反演鉆孔之間的速度剖面圖像,從而獲得地下地層結(jié)構(gòu)的速度信息。

根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)鉆孔施作情況,彈性波CT 剖面在相鄰鉆孔之間布設(shè),孔間距不超過(guò)30 m。 本次布設(shè)的CT剖面孔間距為15 ～26 m(見(jiàn)圖2)。

圖1 鉆孔平面布置

圖2 地震CT 測(cè)線(xiàn)平面布置

(2)成果分析原則

①在彈性波CT 剖面成果中,依據(jù)橫波、縱波速度的變化梯度(輔以鉆孔)揭示巖性界面,標(biāo)定分界P 波速度值,以此標(biāo)定值劃分巖性界線(xiàn)。

②在彈性波CT 剖面成果中,無(wú)鉆孔段落應(yīng)沿成果剖面色階線(xiàn)繪制巖性界線(xiàn);當(dāng)出現(xiàn)較大片狀、帶狀低速異常區(qū)(橫、豎向梯度變化較大)時(shí),可推測(cè)為溶蝕發(fā)育區(qū)。

③在彈性波CT 剖面成果中,若出現(xiàn)較明顯的低速閉合或半閉合區(qū)域,可依此圈定出被高速?lài)鷰r包裹的低速異常體或弱風(fēng)化巖面的低速下凹區(qū)(橫向梯度變化劇烈區(qū)),可推斷為溶洞。 考慮到物探體積效應(yīng)、探測(cè)誤差及反演計(jì)算模型網(wǎng)格間距,圈定的溶洞界限可能比實(shí)際范圍略大。

3.3 巖溶勘測(cè)成果

本次勘察鉆孔揭露溶洞共計(jì)10 孔,見(jiàn)洞率高達(dá)50%,最大溶洞高度為11.1 m,由流塑狀黏土及巖石碎屑等全充填,稍漏水。 分布情況見(jiàn)表1。

表1 溶洞統(tǒng)計(jì)

本次地震CT 共完成了37 對(duì)彈性波CT 剖面。 通過(guò)分析對(duì)比CT 剖面成果中的縱波速度值差異及分布狀態(tài),并參照地質(zhì)鉆孔資料,對(duì)地層土石界面做出了比較清晰的劃分[1012]:在弱風(fēng)化基巖面以下,共推測(cè)溶洞32 處,溶洞高程范圍基本在 7.5 ～29.8 m 之間(個(gè)別溶洞深度超出CT 探測(cè)范圍),橫向?qū)挾然驹?.5 ～73.6 m,各溶洞之間連通復(fù)雜、無(wú)規(guī)律。

對(duì)地震CT 的結(jié)論,要根據(jù)鉆探揭露的地質(zhì)情況進(jìn)行修正,方可得出比較合理的解釋及說(shuō)明(見(jiàn)圖3)[1315]。

圖3 巖溶發(fā)育區(qū)域平面

3.4 巖溶勘測(cè)成果驗(yàn)證方案及結(jié)論

(1)驗(yàn)證目的

①通過(guò)有效的驗(yàn)證方法評(píng)估物探成果的可靠性與準(zhǔn)確率。

②根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果復(fù)解、修正物探成果,使物探成果更準(zhǔn)確、客觀(guān)地反映溶洞發(fā)育狀態(tài)。

③根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果為后期的治理提供思路和依據(jù)。

(2)驗(yàn)證區(qū)域選擇

①孔間彈性波CT 方法受干擾因素較少,可靠度高,驗(yàn)證區(qū)域應(yīng)選擇具有重大地質(zhì)安全隱患的溶洞異常區(qū)。 在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,可直接利用已有鉆孔進(jìn)行治理。

②驗(yàn)證區(qū)域應(yīng)合理分布,兼顧巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)及中等或弱發(fā)育區(qū)。

③驗(yàn)證區(qū)域的數(shù)量根據(jù)溶洞異常區(qū)數(shù)量及發(fā)育程度確定。

④對(duì)于邊墻位置的CT 剖面溶洞異常,可根據(jù)后續(xù)詳勘一墻兩鉆、CT 孔及探邊孔的鉆探資料加以驗(yàn)證[16]。

(3)驗(yàn)證方法與驗(yàn)證孔布設(shè)

物探成果驗(yàn)證方法主要采用鉆探手段,根據(jù)鉆孔揭露溶洞、溶蝕位置、規(guī)模及發(fā)育程度等實(shí)際地質(zhì)情況,綜合評(píng)估物探成果的可靠性與準(zhǔn)確率。

在確定的物探驗(yàn)證區(qū)域,即溶洞異常的中心位置布設(shè)驗(yàn)證孔。

(4)驗(yàn)證結(jié)論

根據(jù)鉆探取芯結(jié)果分析,本次地震CT 探測(cè)出的巖溶發(fā)育區(qū)域均揭露有溶洞,只是溶洞深度上存在較小的差異。

4 結(jié)論及建議

(1)本次綜合勘測(cè)結(jié)果表明,本場(chǎng)地內(nèi)巖溶發(fā)育且集中,基巖上砂層較厚,工程建設(shè)活動(dòng)可能導(dǎo)致巖溶地面沉降或塌陷、基坑邊坡坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。 在地鐵施工前,必須對(duì)巖溶區(qū)域進(jìn)行處理。

(2)根據(jù)本次勘測(cè)中揭露的場(chǎng)地地質(zhì)情況,下套管時(shí)要保證達(dá)到基巖面以下(穿越溶洞),為物探提供施作條件;在物探施作過(guò)程中,場(chǎng)地范圍內(nèi)噪聲不應(yīng)過(guò)大,儀器操作應(yīng)準(zhǔn)確規(guī)范。

(3)建議采用灌注雙液漿等方法處理連通性強(qiáng)的溶洞,并封閉溶洞間水力通道;對(duì)于結(jié)構(gòu)底板以下0 ～10 m、側(cè)壁附近0 ～5 m、洞高2 ～5 m 的溶洞,可采用吹砂、填充骨料、灌注砼、壓力注漿等方法處理;可采用壓力注漿等方法處理隧道影響范圍內(nèi)所有寬度大于1 m的溶溝、溶槽。

(4)建議采用鉆孔取芯的方法對(duì)注漿效果進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn),如發(fā)現(xiàn)注漿效果較差的區(qū)域,應(yīng)重新對(duì)該區(qū)域進(jìn)行地震CT 探測(cè)。

5 存在問(wèn)題

(1)由于彈性波CT 方法本身的局限性,探測(cè)剖面中還可能存在未被識(shí)別或遺漏的規(guī)模較小的溶洞。

(2)彈性波CT 剖面是二維剖面,無(wú)法揭示溶洞的三維空間規(guī)模,將影響后續(xù)溶洞體積的估算。

(3)溶洞的充填情況需根據(jù)鉆孔資料確定,彈性波CT 成果無(wú)法直接反映溶洞充填情況。

(4)由于溶洞發(fā)育的不規(guī)則性,注漿處理難以一次到位,故需要探測(cè)、處理有序進(jìn)行,切不可為了節(jié)約成本,在溶洞處理未達(dá)標(biāo)的情況下貿(mào)然施工,造成更大的損失。