巖溶地區(qū)巖土工程勘察技術(shù)的探究

喬高乾

（廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東廣州510080）

我國(guó)可溶巖分布面積廣大，裸露于地表的碳酸鹽巖面積有91×104km2，加上覆蓋與埋藏于地下的碳酸鹽巖，可溶巖分布面積達(dá)344×104km2，約占35%。由于巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，勘察施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，質(zhì)量保證困難，這是巖溶地區(qū)勘察工作中普遍存在的問(wèn)題，從這個(gè)角度出發(fā)，制定合理可行的勘察方案和選擇合理的勘察手段至關(guān)重要。

1 巖溶地區(qū)巖土工程勘察的特點(diǎn)

巖溶又稱喀斯特（Karst），是指水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為特征的綜合地質(zhì)作用以及由此產(chǎn)生的一系列地質(zhì)現(xiàn)象，是一種十分常見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象，屬不良地質(zhì)范圍。巖溶地區(qū)的基巖面復(fù)雜多變，不僅有溶蝕、溶洞等不良的地質(zhì)條件，而且還具有復(fù)雜而特殊的地質(zhì)條件。復(fù)雜的地質(zhì)條件給巖土工程研究帶來(lái)了很大的困難，尤其是巖溶的埋藏條件與建筑工程場(chǎng)地的適宜性和穩(wěn)定性直接相關(guān)。因此，如何在復(fù)雜的巖溶分布區(qū)進(jìn)行巖土工程研究是許多地質(zhì)學(xué)家面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。巖溶地區(qū)地質(zhì)勘察的主要目的是查明各種巖溶洞隙和土洞的位置、規(guī)模、埋深，巖溶堆積物性狀和地下水特征，探明溶洞之間的關(guān)系及其與地下水和地表水之間的聯(lián)系。

要達(dá)到巖土工程研究和設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵是要合理地選擇勘察手段和方法，常見(jiàn)的勘察方法有地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、物探、遙感及原位測(cè)試。其次是對(duì)區(qū)域地質(zhì)的分析和研究。同時(shí)工程建設(shè)會(huì)損害或影響周圍的地質(zhì)條件，所以，還需要對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行評(píng)估、分析和研究，以便為項(xiàng)目的基本設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的技術(shù)指導(dǎo)。

2 巖土工程勘察的原則

巖溶地質(zhì)勘察一般可分為可行性研究勘察、初步勘察、詳細(xì)勘察、施工勘察四個(gè)階段。一般在可行性階段可不進(jìn)行鉆探，必要時(shí)可布置少量鉆孔；初勘階段一般在物探判定的巖溶發(fā)育帶和物性指標(biāo)異常的部位應(yīng)布置鉆孔驗(yàn)證，同時(shí)查明巖溶的基本形態(tài)和規(guī)模、溶洞充填物的性狀和地下水標(biāo)高等，在橋位等構(gòu)造物部位，可結(jié)合橋跨組合100m左右布置一個(gè)鉆孔，巖溶不發(fā)育的可適當(dāng)減少鉆孔，巖溶發(fā)育的可適當(dāng)增加鉆孔；詳勘階段巖溶地區(qū)，勘探的重點(diǎn)宜在初勘已查明的巖溶發(fā)育地段布置鉆孔。如果工作量受限的情況下，鉆探宜采用多次實(shí)施、逐步深入的方法，即先按由外及內(nèi)、由疏及密的布置原則，根據(jù)鉆孔探明的巖溶發(fā)育情況，在巖溶發(fā)育段按逐步增加鉆孔。

鉆孔深度，以結(jié)構(gòu)物類型、工程規(guī)模、巖土類別、持力層深度、橋涵及防護(hù)工程基礎(chǔ)深度、隧道埋置深度和其它工點(diǎn)處理深度而定，以滿足能評(píng)價(jià)項(xiàng)目工程的地質(zhì)條件、確定適宜的基礎(chǔ)類型和埋深要求。一般根據(jù)構(gòu)造物類型具體確定。

精心組織、設(shè)計(jì)和使用先進(jìn)的勘察手段和方法，確保巖溶地區(qū)的勘察精度和勘察質(zhì)量，為巖土工程勘察的有效進(jìn)行提供保障。由于巖溶地區(qū)的巖土工程勘察主要是對(duì)地層變化及其物理和力學(xué)特性的綜合評(píng)估，幫助相關(guān)單位了解該地區(qū)巖溶發(fā)育的形態(tài)和分布，形成機(jī)理和物理力學(xué)特性。所以合理地選擇勘察手段和實(shí)施方案尤為重要，它可以事半功倍，同時(shí)還可以確保巖溶地區(qū)巖土工程項(xiàng)目的整體質(zhì)量得到提高。通過(guò)大量工程實(shí)例總結(jié)得出按照以下勘察方案的布置原則較為合理；①堅(jiān)持以工程地質(zhì)調(diào)繪查為先；②遵循從面到點(diǎn)、先地表后地下、先定性后定量、先控制后一般以及先疏后密的原則；③巖溶勘探點(diǎn)數(shù)量應(yīng)根據(jù)勘察階段、場(chǎng)地地形條件、巖溶發(fā)育程度、構(gòu)筑物類型及規(guī)模，并結(jié)合物探方法、水文地質(zhì)試驗(yàn)要求等綜合確定。

3 巖溶地區(qū)勘察方法及選擇

3.1 工程地質(zhì)調(diào)繪

工程地質(zhì)調(diào)繪是進(jìn)行巖溶地區(qū)勘察的第一步。開(kāi)展工程地質(zhì)調(diào)繪應(yīng)緊密結(jié)合工程設(shè)置，采用遠(yuǎn)觀近察、由面到點(diǎn)、點(diǎn)面結(jié)合的工作方法，在地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，合理、有效地布置工程勘探、地質(zhì)測(cè)試工作，為線路方案比選和工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確、可靠的地質(zhì)資料。它包括地表調(diào)繪和洞穴調(diào)查兩部分；地表調(diào)繪是在查清各種有關(guān)地質(zhì)要素的基礎(chǔ)上，查明場(chǎng)地巖溶現(xiàn)象與地下水的分布及運(yùn)動(dòng)情況。洞穴調(diào)查一是查明洞穴的形態(tài)特征和地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，特別是頂板高度及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測(cè)量；二是查清地下水的情況。

3.2 鉆探

一般情況下，完成了根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪的結(jié)果有針對(duì)性的布置鉆孔，所以鉆探是開(kāi)展巖溶勘察的第二步。同時(shí)鉆探也是最常用的勘察方法，但所花費(fèi)的時(shí)間較多，費(fèi)用較高。該種方法不僅可以明確所鉆位置及附近的地層情況（巖土性質(zhì)、厚度、地下水位等），還可以進(jìn)行鉆孔的原位測(cè)試和利用鉆取的巖土芯做室內(nèi)測(cè)試，以便獲取更多、更準(zhǔn)確的巖土信息。

在鉆探實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)特別注意的是，遇到溶洞或土洞，上層又是強(qiáng)透水的砂層時(shí)，如果套管未進(jìn)行有效隔離，則有可能出現(xiàn)鉆頭掉落、鉆頭掩埋、甚至出現(xiàn)以鉆孔為中心的地面塌陷事故，會(huì)威脅到施工設(shè)備和人員的安全。所以，巖溶地區(qū)鉆探施工要使用套管壁孔鉆和金剛石單作用雙管旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。

3.3 物探

巖溶發(fā)育地區(qū)，應(yīng)在工程地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)繪的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆探等其他勘探方法，在各勘察階段開(kāi)展物探工作[1]。物探的方法有很多種，在巖溶地區(qū)，針對(duì)不同的勘察目的和勘察要點(diǎn)需要選擇相應(yīng)的物探方法，下面是關(guān)于巖溶地區(qū)常見(jiàn)選用物探方法的特點(diǎn)和適用條件。

3.3.1 高密度電法

它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種電探方法,根據(jù)在施加電場(chǎng)作用下地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律,推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況[2]。主要探測(cè)巖溶、土洞的大致位置與分布、地質(zhì)構(gòu)造、基巖面起伏。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：成果圖（詳見(jiàn)圖1）比較直觀，異常部位明顯，施工方便。適用條件要求一般為：地形平坦，巖層傾角較小，巖性層差異大，探測(cè)深度一般在100～150m 以內(nèi)，精度范圍10%～20%，一般40～100m效果較好。

3.3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

在國(guó)企海外總體形象較好的同時(shí)，由于多種原因，部分中國(guó)企業(yè)在海外的不良商業(yè)行為和不佳社會(huì)責(zé)任表現(xiàn)，特別是在合規(guī)治理方面，在反商業(yè)賄賂方面，在為拿到訂單而低價(jià)競(jìng)標(biāo)方面，在環(huán)保、勞資、社區(qū)糾紛等方面還存在著一些問(wèn)題，給西方媒體惡意炒作留下可乘之機(jī)，在一些地區(qū)加深了東道國(guó)民眾對(duì)中國(guó)企業(yè)乃至中國(guó)形象的成見(jiàn)，不僅企業(yè)利益受損、海外發(fā)展受阻，還可能影響國(guó)家雙邊經(jīng)貿(mào)關(guān)系，甚至不得不動(dòng)用外交資源予以解決。

該方法為電磁法的一種，是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的，在巖溶勘察中取得了一定的效果。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：比較準(zhǔn)確地確定出地下空洞的埋藏深度、輪廓大小，而且具有很高的分辨能力，可直接探測(cè)到較小的空洞。成果圖（詳見(jiàn)圖2）比較直觀，異常部位明顯，解釋容易，施工方便。適用條件要求一般為：不受地形影響，適用于高阻地質(zhì)體（溶洞充水），探測(cè)深度一般在60m以內(nèi)，精度范圍5%，一般10m以內(nèi)效果較好。

3.3.3 面波法

圖2 地質(zhì)雷達(dá)成果圖展示

該方法為地震法的一種，優(yōu)點(diǎn)是：比較準(zhǔn)確地確定出地下空洞的埋藏深度、輪廓大小，而且具有很高的分辨能力，可直接探測(cè)到較小（20～30cm）的空洞。成果圖（詳見(jiàn)圖3）清晰直觀，解釋容易，施工方便。適用條件要求一般為：不受地形影響，探測(cè)深度一般在40～50m以內(nèi)，精度范圍5%，一般10～40m以內(nèi)效果較好。

3.3.4 微動(dòng)探測(cè)法

它是基于地層介質(zhì)的不均勻性，面波在地層介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻散。微動(dòng)探測(cè)觀測(cè)地球表面無(wú)時(shí)不在的地面振動(dòng)“微動(dòng)”（振幅微米量級(jí)），以平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波（瑞利波）頻散曲線，通過(guò)對(duì)頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)[3]。優(yōu)點(diǎn)是：比較準(zhǔn)確地確定出地下空洞的埋藏深度、輪廓大小，而且具有很高的分辨能力。成果圖（詳見(jiàn)圖4）清晰直觀，解釋容易，施工方便，抗干擾能力強(qiáng)。適用條件要求一般為：不受地形影響，可根據(jù)探測(cè)深度來(lái)布設(shè)采集設(shè)備，精度和深度可控。

3.3.5 跨孔CT法

圖4 微動(dòng)探測(cè)法成果圖展示

該方法為地震法的一種，精度較高，比較準(zhǔn)確地確定出地下空洞的埋藏深度、輪廓大小，而且具有很高的分辨能力，可直接探測(cè)到較?。?0～30cm）的空洞。成果圖（詳見(jiàn)圖5）清晰直觀，解釋容易，施工方便，但需鉆探配合。

3.3.6 管波法

該方法為地震法的一種，精度較高，比較準(zhǔn)確地確定出地下空洞的埋藏深度、輪廓大小。管波探測(cè)是利用一個(gè)勘察鉆孔，探測(cè)半徑可達(dá)1.2～3.0m，而且具有很高的分辨能力，可直接探測(cè)到大于30cm的空洞。成果圖（詳見(jiàn)圖6）清晰直觀，解釋容易，施工方便，但需鉆探配合。

以上6種物探方法在巖溶地區(qū)較為常用，當(dāng)然還有一些方法根據(jù)場(chǎng)地條件、測(cè)試目的等原因也會(huì)被采用，比如多頻聲波法、聲吶探測(cè)法等，每種物探方法的特點(diǎn)及適用條件見(jiàn)表1，我們可根據(jù)勘察目的、環(huán)境條件等因素正確選擇相應(yīng)的物探方法。

3.4 遙感

遙感技術(shù)是根據(jù)電磁輻射的理論，應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)中的各種探測(cè)器，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)輻射來(lái)的電磁波信息進(jìn)行接受，傳送到地面接收站加工處理成遙感資料（圖像或數(shù)據(jù)），用來(lái)探測(cè)識(shí)別目標(biāo)物的整個(gè)過(guò)程，遙感圖像能宏觀且真實(shí)地反映地表特征和各種地質(zhì)現(xiàn)象的空間關(guān)系，遙感影像視域廣闊、信息量大，在識(shí)別巖溶地貌形態(tài)巖溶層組劃分及地質(zhì)構(gòu)造特征等方面，具有其他勘測(cè)方法所不及的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于裸露型巖溶地區(qū)。

圖6 管波法成果圖展示

表1 巖溶地區(qū)物探方法選用表

4 結(jié)論及建議

為了能夠在巖溶發(fā)育地區(qū)把勘察工作取得滿意效果，可為施工設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。工程技術(shù)人員需要充分了解巖溶地區(qū)的基本特征并根據(jù)這些特征編制高效的勘察方案以及選擇合理的勘察手段。

根據(jù)本文經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)巖溶地區(qū)勘察中的不同勘察對(duì)象和目的，我們總結(jié)提出如下方法的建議，以優(yōu)化勘察方案，提高勘察效率，降低勘察成本。

（1）如果在巖溶發(fā)育的復(fù)雜區(qū)，根據(jù)現(xiàn)有工程勘察規(guī)范布設(shè)鉆孔很難將不良地質(zhì)勘察清楚，一味依靠加密鉆孔來(lái)提高勘察精度的做法則會(huì)增加勘察成本、延長(zhǎng)工期。建議通過(guò)采用合理的物探方法補(bǔ)充兩孔之間鉆探盲區(qū)的探測(cè)結(jié)果。根據(jù)物探的探測(cè)結(jié)果再針對(duì)性地布設(shè)鉆孔驗(yàn)證，既可減少鉆探工程量，也可以保證地質(zhì)勘察精度，大大降低勘察成本。

（2）如果巖溶地區(qū)進(jìn)行可研性勘察時(shí)或勘察經(jīng)費(fèi)受限時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件和勘察目的按照表1來(lái)選擇合理的物探手段先進(jìn)行普查，然后根據(jù)普查結(jié)果再有針對(duì)性地布置鉆孔來(lái)相互驗(yàn)證，既可保證質(zhì)量，也可滿足勘察要求。

（3）如果巖溶地區(qū)進(jìn)行施工勘察時(shí)，應(yīng)采用鉆孔結(jié)合物探方法，比如“一樁一孔一管波”的方案來(lái)替代“一樁多孔”的方案，既可以節(jié)約勘察成本，又可以縮短勘察工期。