城市軌道交通巖溶施工勘察方法應(yīng)用研究

李世安 李耐賓 周華貴

(1.中鐵大連地鐵五號(hào)線有限公司，遼寧大連 116011； 2.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

巖溶勘察工作一般采用鉆探與物探方法相結(jié)合的方式進(jìn)行，兩種方法互為補(bǔ)充，相互印證。常規(guī)的物探方法有地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、地震映像等，如葛雙成和邵長(zhǎng)云基于地質(zhì)雷達(dá)原理及特點(diǎn)，研究了巖溶地層雷達(dá)波的反射特征，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了其巖溶分布范圍和充填性質(zhì)探測(cè)的有效性[1]。戴前偉和馮德山對(duì)影響地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)效果的因素進(jìn)行了分析，以高速公路橋址溶洞探測(cè)為例，證明了其可行性和有效性[2]。邢文寶通過(guò)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、處理及解釋技術(shù)的研究，分析了溶蝕破碎帶、溶洞、溶溝或溶槽的雷達(dá)波反射特征[3]。蔡晶晶等將高密度電法運(yùn)用在南京地鐵3號(hào)線巖溶勘察中，采用人工堆土、加大電壓的方式改善其接地條件，對(duì)于反演誤差較大的剖面，直接利用視電阻率等值線圖進(jìn)行解譯，取得了一定的效果[4]。蔣富鵬等在橋基、隧道巖溶勘察中采用了高密度電法，并分析了其可行性、有效性及局限性[5]。楊祥森等用地震映像法在宜萬(wàn)鐵路沿線的巖溶隧道勘察中解譯了多處溶洞和裂隙，提出了在儀器和施工場(chǎng)地受限時(shí)的工作建議[6]。由此可見(jiàn)，在干擾較小的環(huán)境下，常規(guī)物探巖溶勘察方法大多能夠取得較為理想的效果，但在城市區(qū)域的場(chǎng)地條件下，受電磁、噪聲干擾及耦合條件差等因素的影響，常規(guī)物探方法難以獲得可靠的原始數(shù)據(jù)，勘探精度難以保證。跨孔彈性波CT[7-8]及跨孔電磁波CT[9]需要在鉆孔內(nèi)進(jìn)行激發(fā)與接收，是一種巖溶探查精度較高的孔內(nèi)物探方法，但在交通擁堵、管線眾多的鬧市區(qū)開(kāi)展大面積鉆探工作十分困難，且效率低、成本高。因此，以下重點(diǎn)研究復(fù)雜城區(qū)環(huán)境條件下，如何經(jīng)濟(jì)、高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行巖溶勘察工作。

以大連某地鐵的巖溶勘察為例：詳勘工作揭示，該地鐵隧道沿線以強(qiáng)-中風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖地層為主，巖溶發(fā)育普遍。溶洞最大洞徑為19.5 m，多為充填型溶洞，充填物為黏性土或全風(fēng)化基巖，個(gè)別溶洞無(wú)充填。受城區(qū)勘察環(huán)境的限制，詳勘鉆探空白區(qū)域大，且地質(zhì)鉆孔布置在隧道洞身外3～5 m，揭露的地層界線、溶洞發(fā)育情況僅為“一孔之見(jiàn)”，無(wú)法探明兩孔之間、孔周?chē)鷰r溶的發(fā)育情況。巖溶發(fā)育具有隱蔽性、無(wú)規(guī)律性、連通性及不均一性等特點(diǎn)，詳勘工作對(duì)隧道洞身影響范圍內(nèi)的隱伏巖溶發(fā)育揭露情況不能滿足施工要求。因此，在施工階段開(kāi)展了以物探方法為主的補(bǔ)充勘察工作，以探明巖溶的發(fā)育位置、形態(tài)、埋深等情況，為注漿加固治理提供依據(jù)。

2 研究思路

以克服城區(qū)復(fù)雜地物及地表環(huán)境、強(qiáng)振動(dòng)、電磁干擾源為研究前提，通過(guò)調(diào)研比選、試驗(yàn)分析研究，采用以地面微動(dòng)與高精度瞬變電磁法為主、鉆探驗(yàn)證與跨孔彈性波CT為輔的技術(shù)研究路線。

具體為：在車(chē)流量大、高壓線及管線多、占道施工困難的繁華鬧市區(qū)，采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)方法；在干擾環(huán)境較少的郊區(qū)或山嶺大埋深隧道段落，采用高精度瞬變電磁探測(cè)方法。在以上2種物探方法圈定的巖溶異常靶區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，并在揭露溶洞的鉆孔周?chē)荚O(shè)跨孔彈性波CT，進(jìn)行巖溶空間分布結(jié)構(gòu)的精細(xì)探查。鉆探的目的有3個(gè)：一是用于直觀地揭露地層結(jié)構(gòu)，二是用于跨孔彈性波CT鉆孔，三是用于了解溶洞的充填類(lèi)型、充填物的性狀，同時(shí)進(jìn)行原位測(cè)試工作，并對(duì)溶洞內(nèi)的充填物進(jìn)行取樣。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 微動(dòng)探測(cè)

通過(guò)二維臺(tái)陣方式布設(shè)低頻檢波器，采集各種微弱振動(dòng)信號(hào)。高頻微動(dòng)信號(hào)是工程勘察研究的重點(diǎn)，其瑞雷波的能量占信號(hào)總能量的70%以上，攜帶有豐富的淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息[10-13]。依據(jù)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論，采用空間自相關(guān)法(SPAC)從微動(dòng)信號(hào)中提取瑞雷波相速度頻散曲線，經(jīng)反演獲得地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究地下目標(biāo)體的性質(zhì)。主要優(yōu)點(diǎn)為：利用天然場(chǎng)源，無(wú)需人工激發(fā)源，抗干擾能力強(qiáng)，采集裝置靈巧，采集時(shí)間短，是一種快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、無(wú)損的地面勘探方法，特別適用于城市強(qiáng)干擾環(huán)境。

3.2 高精度瞬變電磁

高精度瞬變電磁法是基于小框源中心回線方式的瞬變電磁測(cè)深方法。向2個(gè)直徑相同、平行共軸的線圈內(nèi)，分別供以方向相反、大小相等的電流，在雙線圈源合成的一次場(chǎng)零磁通的平面上接收地下純二次場(chǎng)[14-15]，通過(guò)研究隨時(shí)間變化的二次場(chǎng)衰減特征，達(dá)到探測(cè)地下目標(biāo)體的目的。主要優(yōu)點(diǎn)為：抗干擾性強(qiáng)，效率高，成本低，淺層分辨率高(0～100 m)，適合電磁干擾較小的城市工作環(huán)境。

3.3 跨孔彈性波CT

在2個(gè)鉆孔內(nèi)分別激發(fā)和接收彈性波，觀測(cè)彈性波在穿越地下不同介質(zhì)時(shí)的走時(shí)、能量和波形的變化，根據(jù)初始速度模型和初至?xí)r間，反演、重建地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，其分辨率高，可靠性強(qiáng)，主要用于隱伏巖溶空間分布形態(tài)的精細(xì)探測(cè)。

4 方案實(shí)施

4.1 測(cè)區(qū)地球物理特征

根據(jù)詳勘資料，溶洞的波速、電阻率與圍巖之間存在明顯的物性差異(見(jiàn)表1)，具備開(kāi)展微動(dòng)、高精度瞬變電磁及跨孔彈性波CT方法的地球物理?xiàng)l件。

表1 主要介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.2 參數(shù)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

(1)微動(dòng)探測(cè)

采用半徑為3 m的正五邊形陣列觀測(cè)系統(tǒng)，測(cè)點(diǎn)間距為5 m， 單點(diǎn)采集時(shí)間為15 min，采樣率為8 ms，陷波為50 Hz。記錄儀為美國(guó)Geometrics公司生產(chǎn)的NZ-XP高精度地震儀，檢波儀為主頻2 Hz的三分量檢波器。

(2) 高精度瞬變電磁

測(cè)點(diǎn)間距為5 m，單點(diǎn)采集時(shí)間為5 min，發(fā)射頻率為25 Hz，接收頻率為625 000 Hz，疊加400次。采集儀器為國(guó)產(chǎn)HPTEM-08 型高精度瞬變電磁系統(tǒng)。

(3) 跨孔彈性波CT

鉆孔間距控制在20 m左右，接收信道數(shù)為24道，接收點(diǎn)距與激發(fā)點(diǎn)距均為1.0 m，采樣間隔為0.833 μs，疊加次數(shù)為5次。記錄儀為美國(guó)Geometrics公司生產(chǎn)的NZ-XP高精度地震儀，檢波儀為2套國(guó)產(chǎn)CH3型高靈敏度12道聲波探頭，震源為德國(guó)Geotomographie公司生產(chǎn)的IPG5000電火花震源。

4.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)關(guān)鍵

(1) 微動(dòng)探測(cè)

采用空間自相關(guān)法處理微動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)[16]，首先剔除干擾明顯的微動(dòng)信號(hào)記錄段，然后分別計(jì)算各個(gè)頻率成分中心點(diǎn)與其它測(cè)點(diǎn)之間的空間相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行方位平均，最后用各觀測(cè)半徑的自相關(guān)系數(shù)計(jì)算瑞雷波相速度頻散曲線。給定初始模型后，采用遺傳算法對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演，求得S波速度結(jié)構(gòu)。

(2)高精度瞬變電磁

高精度瞬變電磁的數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、全區(qū)視電阻率計(jì)算及電阻率反演。數(shù)據(jù)預(yù)處理：采用最小二乘法對(duì)噪聲干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，剔除畸變點(diǎn)，保持衰減曲線的圓滑、連續(xù)性。采用“分階段搜索法”計(jì)算全區(qū)視電阻率[17]，實(shí)現(xiàn)淺層電性結(jié)構(gòu)的連續(xù)追蹤。優(yōu)化反演：以基于全區(qū)視電阻率“煙圈”的直接反演結(jié)果作為初始模型進(jìn)行約束。

(3)跨孔彈性波CT

其數(shù)據(jù)的處理流程主要為拾取初至?xí)r間、計(jì)算射線平均波速及反演波速影像。根據(jù)鉆孔資料及射線平均波速綜合估算的初始模型，反演跨孔剖面波速影像。

5 典型成果分析

5.1 微動(dòng)成果

在環(huán)境復(fù)雜的城區(qū)段落采用地面微動(dòng)探測(cè)方法。沿隧道左、右線的中線各布設(shè)微動(dòng)測(cè)線1條，選取某盾構(gòu)區(qū)間的1條微動(dòng)測(cè)線(標(biāo)識(shí)為T(mén)1)成果進(jìn)行分析闡述。T1測(cè)線長(zhǎng)145 m，點(diǎn)距5 m，共計(jì)30個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖1)。

圖1 T1測(cè)線及溶洞異常平面位置

圖2 T1測(cè)線微動(dòng)視S波速度剖面

由圖2可看出，淺表層低速異常(Vs<300 m/s)為素填土、粉質(zhì)黏土類(lèi)第四系覆蓋層的反映，厚1.4～7.7 m，覆蓋層厚度變化較大。在測(cè)點(diǎn)WD-7與WD-9之間、深度17.5～14.5 m處，存在1處明顯的低速圈閉異常；在測(cè)點(diǎn)WD-23與WD-24及WD-26與WD-27之間，呈現(xiàn)3處相對(duì)低速閉合異常，結(jié)合地質(zhì)資料，推測(cè)為4處溶洞異常發(fā)育區(qū)，分別標(biāo)識(shí)為WRD-1、WRD-2、WRD-3及WRD-4。3個(gè)鉆孔(ZK-1、ZK-2、ZK-3)的驗(yàn)證結(jié)果(如表2)表明：微動(dòng)推測(cè)的結(jié)果均得到了驗(yàn)證，與鉆探揭露情況基本一致，頂板最大誤差為1.5 m，底板最大誤差為1.3 m。WRD-2與WRD-4溶洞異常位于隧道頂板附近，易造成頂板垮塌。因此，需要布設(shè)跨孔彈性波CT，以探明溶洞發(fā)育規(guī)模。

表2 微動(dòng)成果與鉆探結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì) m

5.2 高精度瞬變電磁成果

結(jié)合工區(qū)地下管線圖并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，在無(wú)地下管線及地上電纜線的郊區(qū)段落開(kāi)展地面高精度瞬變電磁巖溶探查工作。沿隧道左、右線中線各布設(shè)1條高精度瞬變電磁測(cè)線，選取某盾構(gòu)區(qū)間1條高精度瞬變電磁測(cè)線(標(biāo)識(shí)為T(mén)2)成果進(jìn)行研究分析。T2測(cè)線長(zhǎng)105 m，點(diǎn)距5 m，共計(jì)22個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖3)。

圖3 T2測(cè)線及溶洞異常平面位置

圖4 T2測(cè)線高精度瞬變電磁電阻率反演剖面

由圖4可看出，淺表層明顯的低阻異常(ρs<240 Ω·m)為第四系覆蓋層素填土、粉質(zhì)黏土的反映，覆蓋層厚約12 m，厚度較大，起伏變化不大。在測(cè)點(diǎn)TM-8與TM-10、測(cè)點(diǎn)TM-13與TM-15位置處存在明顯的低阻圈閉異常，結(jié)合地質(zhì)資料，推測(cè)為溶洞發(fā)育區(qū)，分別標(biāo)識(shí)為T(mén)RD-1、TRD-2。 2個(gè)鉆探孔(ZK-4、ZK-5)的驗(yàn)證結(jié)果(如表3)表明：推測(cè)的2處溶洞均得到了驗(yàn)證，在深度方向上誤差稍大(底板最大誤差為4 m)，但能夠反映出地下隱伏溶洞的存在。一般情況下，高精度瞬變電磁對(duì)溶洞頂板埋深的探測(cè)精度優(yōu)于底板。在配合鉆孔及跨孔彈性波CT精細(xì)探查的前提下，高精度瞬變電磁法仍是一種快速、經(jīng)濟(jì)的城市巖溶勘察方法。

表3 高精度瞬變電磁成果與鉆探結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì) m

5.3 跨孔彈性波CT成果

微動(dòng)與高精度瞬變電磁成果僅為測(cè)線下方地質(zhì)縱斷面的解釋，要查明巖溶的空間展布形態(tài)、規(guī)模及其與隧道結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系等準(zhǔn)確信息，還需要開(kāi)展跨孔彈性波CT探測(cè)工作，以便為巖溶注漿加固處理工作提供更加準(zhǔn)確、翔實(shí)的資料信息。

選取T2測(cè)線高精度瞬變電磁2處溶洞異常(TRD-1、TRD-2)布設(shè)跨孔彈性波CT工作。布設(shè)CT鉆孔6個(gè)(如圖5)，編號(hào)CTZK-1至CTZK-6，同時(shí)利用ZK-4與ZK-5鉆孔，共計(jì)完成跨孔彈性波CT剖面14對(duì)。以跨孔彈性波CT剖面CTZK-1～ZK-4～CTZK-5～ZK-5～CTZK-3為例進(jìn)行分析闡述。

從圖6上看，存在2處明顯的被高速度圍巖包裹的低速異常條帶區(qū)，推測(cè)為溶洞邊界發(fā)育范圍。2處寬條帶狀溶洞邊界范圍自隧道頂板上方溶蝕發(fā)育至底板下方附近。根據(jù)鉆孔ZK-4與ZK-5的揭露，溶洞為全充填型溶洞，充填物為粉質(zhì)黏土，標(biāo)貫為6～7擊。該類(lèi)溶洞極易引起盾構(gòu)機(jī)載頭陷落、刀盤(pán)磨損等安全事故。根據(jù)14對(duì)跨孔彈性波CT剖面成果，綜合推斷了溶洞平面發(fā)育形態(tài)(見(jiàn)圖5、圖6)，為巖溶注漿加固處理提供了依據(jù)。

圖5 T2測(cè)線跨孔彈性波CT剖面及溶洞異常平面分布

5.4 成果綜述

大連某地鐵的巖溶補(bǔ)勘工作主要以微動(dòng)探測(cè)方法為主，局部小范圍采用了高精度瞬變電磁法，共計(jì)推斷溶洞異常209處。根據(jù)微動(dòng)與高精度瞬變電磁成果資料，梳理出位于隧道頂?shù)装? m范圍內(nèi)的溶洞異常(洞徑>3 m)22處。鉆孔驗(yàn)證表明，其中16處鉆孔揭露出溶洞，鉆探驗(yàn)證吻合率為72.7%；其余6處為溶蝕破碎區(qū)，巖芯溶蝕破碎，裂隙發(fā)育。

圖6 T2測(cè)線跨孔彈性波CT層析成像色譜

6 結(jié)論

采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)、高精度瞬變電磁、跨孔彈性波CT及鉆探方法，對(duì)大連某地鐵巖溶發(fā)育情況進(jìn)行了綜合研究分析，得到如下結(jié)論：

(1)在復(fù)雜的城市環(huán)境條件下，微動(dòng)探測(cè)技術(shù)可以取得較為準(zhǔn)確、可靠的探測(cè)成果，其抗干擾能力及場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)，采集時(shí)間短，效率高，是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)保無(wú)損的城市強(qiáng)干擾環(huán)境下的巖溶勘察方法。

(2)高精度瞬變電磁受制于電磁環(huán)境干擾，在城區(qū)應(yīng)用具有局限性，但在干擾較少的郊區(qū)地段亦能表現(xiàn)出良好的巖溶探測(cè)能力，配合鉆孔、跨孔彈性波CT方法，可充分發(fā)揮其快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

(3)應(yīng)預(yù)先考慮城市軌道交通沿線環(huán)境的復(fù)雜程度及巖溶發(fā)育程度，合理選用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)、高精度瞬變電磁、跨孔彈性波CT及鉆探綜合勘察模式中的3種或4種組合方法，可極大提高勘察精度與效率，降低勘察成本。