綜合勘察方法在城市地下車站巖溶勘察中的應(yīng)用

萬小樂

（中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

巖溶（又稱喀斯特）是可溶性巖石在水的溶蝕作用下，產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱（李志毅等，1994）。近年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市軌道交通建設(shè)愈發(fā)興盛，但面臨的工程建設(shè)條件也愈加復(fù)雜。巖溶作為一種常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，對城市軌道交通工程的設(shè)計、施工和后期運營的危害越來越明顯（王其合，2021）。巖溶的存在常常會引發(fā)圍護結(jié)構(gòu)坍塌、漏水，基坑基底突涌，地表沉降過大等風(fēng)險（王忠忠等，2022），因此如何更好地開展巖溶勘察工作成為亟待解決的重要問題（潘凱等，2017）。

由于巖溶的發(fā)育具有極大的隨機性和不確定性，僅靠傳統(tǒng)的工程地質(zhì)鉆探難以掌握整個場地內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，因此在實際探測中往往采用地球物理勘探和工程地質(zhì)鉆探相結(jié)合的方式（Tan et al.，2012），兩者相互補充，相互驗證，從而達到查明場地內(nèi)巖溶發(fā)育特征的目的（劉存林等，2021）。目前進行巖溶勘察常用的物探方法有地質(zhì)雷達法、淺層地震法、高密度電法、瞬變電磁法和跨孔CT法等（袁細平，2021）。由于每一種物探方法的應(yīng)用均有一定的適用條件和局限性，因此需要結(jié)合工區(qū)周圍環(huán)境、地質(zhì)情況、地球物理特征及存在的限制條件，因地制宜采用適合的勘探方法（謝嘉等，2021）。

深圳市區(qū)某地下車站工程擬建場地內(nèi)建筑物較多、地下管線密布，地表多以城市硬化路面為主。硬化路面的存在阻礙了物探電極的布設(shè)，此外受空間限制以及各種電磁、振動干擾的影響，傳統(tǒng)的鉆探和物探方法難以取得可靠的效果。為了在這種復(fù)雜條件下獲得更加準(zhǔn)確、可靠的探測結(jié)果，本文以滿足工程建設(shè)的實際需要，經(jīng)綜合分析比選后采用結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)繪、工程地質(zhì)鉆探、等值反磁通瞬變電磁法和跨孔彈性波CT手段的綜合勘察方法，查明了車站范圍內(nèi)巖溶的分布、形態(tài)和規(guī)模等發(fā)育特征，為后續(xù)的工程設(shè)計、施工提供可靠的地質(zhì)資料，也為類似的工程勘察提供了一定的參考作用。

1 工程概況

擬建地下車站位于深圳市龍崗區(qū)，沿龍翔大道呈西南-東北向敷設(shè)，為2層地下島式車站，起點里程為DK 58+272.00，終點里程為DK 51+121.00，全長849 m。車站結(jié)構(gòu)型式為矩形框架，采用明挖法施工。車站屬于沖洪積平原地貌單元，地形較為平坦，場地標(biāo)高33.67～36.845 m。擬建場地內(nèi)以城市主干道路為主，道路兩側(cè)分布有居民住房、商鋪、工業(yè)區(qū)和辦公樓等建筑物。

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)前期勘探資料揭示，擬建地下車站場地內(nèi)地層巖性復(fù)雜，表層覆蓋層主要為第四系人工填土、沖洪積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、中粗砂以及殘積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為石炭系下統(tǒng)測水組粉砂巖和灰?guī)r。灰?guī)r中發(fā)育覆蓋型巖溶。

場區(qū)地處華南褶皺系南緣，隸屬湘贛粵褶皺帶之惠陽凹陷。根據(jù)搜集到的區(qū)域地質(zhì)資料揭示，擬建車站北方向約600 m見龍城斷裂組次級斷裂F1253，產(chǎn)狀為走向北東50～60°，傾向南東，傾角50～70°，性質(zhì)為左旋斜沖，發(fā)育在下石炭統(tǒng)測水組中，為非活動性斷裂，對擬建場地影響較小。

1.2 地球物理特征

表1為鉆孔縱波測試結(jié)果，可以看出：粉質(zhì)黏土和砂土根據(jù)密實程度和塑性狀態(tài)不同縱波波速會有所變化，但一般在2000 m·s-1以下；完整基巖的縱波波速一般在4000 m·s-1以上；溶蝕基巖的縱波波速為2500～4000 m·s-1；而溶洞內(nèi)縱波波速一般為1500～2500 m·s-1，由此可見完整基巖與溶洞間存在明顯的波速差異，而這種差異的存在，為開展跨孔彈性波CT測試提供了良好的物性條件。

表1 場地內(nèi)主要地層縱波平均速度Tab.1 P-wave average velocity in main strata

此外根據(jù)場地內(nèi)開展的井內(nèi)視電阻率試驗，場地內(nèi)完整灰?guī)r的電阻率值在1000 Ω·m以上；溶蝕灰?guī)r的電阻率值為100～300 Ω·m；溶洞內(nèi)充填物的電阻率值為10～100 Ω·m；第四系覆蓋層電阻率在100 Ω·m以內(nèi)，完整灰?guī)r與巖溶發(fā)育區(qū)之間存在較大的物性差異，因此場地內(nèi)具備開展等值反磁通瞬變電磁法物探探測的基本條件。典型鉆孔的井內(nèi)視電阻率成果見圖1。

圖1 典型鉆孔視電阻率試驗成果圖Fig.1 Results of borehole apparent resistivity test

2 綜合勘察方法

根據(jù)對前期勘察成果的分析和工程地質(zhì)調(diào)繪的成果，本次勘察將分為普查和詳查2個階段。普查階段采用地面物探的方式，初步查明場地內(nèi)巖溶的發(fā)育情況并為鉆孔布置提供指導(dǎo)；詳查階段則采用孔中物探的方式，目的是詳細查明巖溶的發(fā)育情況。由于工程場地內(nèi)建筑物密集，地表以城市硬化路面為主，各種電磁、振動干擾非常強烈，因此傳統(tǒng)的地面物探手段如高密度電法、地質(zhì)雷達、地震勘探等很難有效地開展探測工作。經(jīng)過現(xiàn)場試驗和分析，地面物探采用等值反磁通瞬變電磁法，孔中物探采用跨孔彈性波CT法。

2.1 等值反磁通瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種常用的地球物理勘探方法，其原理是利用脈沖電流激發(fā)地下一次脈沖磁場，在此一次脈沖磁場的激勵下產(chǎn)生隨時間變化的二次磁場；利用接收儀器測量二次磁場，通過研究二次場的特征及分布，從而獲得地下地質(zhì)體的分布特征（李貅，2002）。

等值反磁通瞬變電磁法與常規(guī)的瞬變電磁法原理相同，但為了有效消除接收線圈本身的感應(yīng)電動勢，獲得地下純二次場的響應(yīng)，等值反磁通瞬變電磁法采用了上下平行共軸的2個相同線圈通以反向電流作為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上，接收地下的純二次場響應(yīng)，裝置示意見圖2。由于接收線圈位于上下2個線圈的等值反磁通平面，其一次場磁通始終為零，這樣就消除了常規(guī)瞬變電磁法淺層探測的盲區(qū)，獲得了淺部地質(zhì)體的信息，提高了探測的能力（楊建明等，2018；高遠，2018）。

圖2 等值反磁通裝置示意圖Fig.2 Geometry of OCTEM system

野外數(shù)據(jù)采集工作完成后，將現(xiàn)場采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，運用與采集系統(tǒng)相配套的數(shù)據(jù)處理軟件，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、定性分析、定量解釋和綜合推斷，同時參考已知地質(zhì)資料，經(jīng)綜合解譯得到電阻率斷面圖，從而得到地下巖溶發(fā)育和分布特征。

2.2 工程地質(zhì)鉆探

雖然在巖溶勘察中工程地質(zhì)鉆探存在諸多局限性，但其仍然是一種有效的勘察手段，鉆探能夠直觀地揭露出地下的真實情況，有助于了解地下巖土界面的起伏狀況、巖溶的位置和溶洞的充填情況等巖溶發(fā)育特征。為了對地面物探的成果進行驗證，提高物探解譯的精確度，在綜合分析了前期鉆探資料、工程地質(zhì)調(diào)繪、地面物探等成果的基礎(chǔ)上，在物探異常區(qū)布置了驗證鉆孔。鉆孔的布置除了要考慮軌道交通勘察規(guī)范的要求外，還需考慮后續(xù)的孔內(nèi)物探的測試距離要求，因此本次工程地質(zhì)鉆探鉆孔之間的距離控制在20 m左右，施鉆條件受限地段可以放寬至30 m左右。

2.3 跨孔彈性波CT法

跨孔彈性波CT法是利用彈性波在地下不同性質(zhì)巖土體中傳播速度的不同（楊永龍等，2021），從而準(zhǔn)確地反演出目標(biāo)地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地球物理特征，具有技術(shù)先進、高效無損、成本可控等優(yōu)點，適合應(yīng)用于人文條件復(fù)雜的城市區(qū)域巖溶詳查，如圖3。

圖3 地震CT成像工作示意圖Fig.3 Seismic CT testing and imaging schematic diagram

在實際探測過程中，跨孔彈性波CT法的工作方式既可以是一孔發(fā)射彈性波，另外一孔多道接收，也可以是一孔發(fā)射多孔接收。本次探測是利用相鄰的兩個鉆孔開展CT工作，在一個鉆孔中以固定的間距（0.5～1 m）布置激發(fā)點發(fā)射彈性波，在另一個組鉆孔中按發(fā)射孔相同間距布置若干接收器用來接收彈性波。探測中要保證發(fā)射孔中每個激發(fā)點發(fā)射出的彈性波均能被接收孔中的每個接收器接收，這樣彈性波射線就在2個鉆孔之間的地層中穿透形成了一個大量交叉的網(wǎng)絡(luò)（龔選波等，2018）。再將接收器接收到的彈性波通過計算機進行數(shù)據(jù)計算，進而得到了2個鉆孔間地層的波速圖像，最后再將波速圖像與前期勘察成果相結(jié)合綜合分析得出探測范圍內(nèi)覆蓋層厚度、溶洞及溶蝕裂隙分布等巖溶發(fā)育特征。

3 勘察成果與分析

3.1 等值反磁通瞬變電磁法成果分析

結(jié)合工作任務(wù)及現(xiàn)場探測條件，沿車站中線布設(shè)1條測線（圖4），測線長度約1000 m，點間距5 m。本次探測采用的儀器是湖南五維地質(zhì)科技有限公司研制的HPTEM18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集參數(shù)：電源電壓12V，發(fā)射電流8.5A，發(fā)射頻率6.25 Hz，關(guān)斷時間28.5 μs，疊加周期為600次。

圖4 等值反磁通瞬變電磁法測線布置圖Fig.4 Diagram of OCTEM probe line

物探解譯如圖5所示，圖例中顏色由冷色調(diào)至暖色調(diào)反映了電阻率值從小變大的趨勢，剖面淺部的電阻率明顯偏低，等值線橫向連續(xù)性較好，垂向差異明顯。結(jié)合前期井內(nèi)電阻率試驗以及鉆探成果，推測淺部低阻帶為第四系覆蓋層的電性反映。深部電阻率明顯偏高，推測為下伏基巖的電性反映。

圖5 等值反磁通瞬變電磁法電阻率斷面圖Fig.5 The contour map of OCTEM inversion resistivity

通過物探反演成果和前期鉆孔揭露情況的綜合分析，場地內(nèi)第四系覆蓋層和基巖的劃分大致以400 Ω·m為界，根據(jù)工區(qū)地球物理特征可知，該區(qū)地層表現(xiàn)為雙層結(jié)構(gòu)：

1）表層第四系覆蓋層電阻率偏低，電阻率橫向上連續(xù)性較好，垂向上差異明顯，電阻率范圍為200～400 Ω·m，覆蓋層和下伏基巖的電阻率界限明顯，覆蓋層厚度10～20 m，局部地段（DK50750）厚度可達40 m，推測是溶槽和溶溝的影響。

2）下伏基巖電阻率表現(xiàn)為持續(xù)增大的高阻，電阻率范圍為500～1500 Ω·m，由于該組電阻率范圍相近，無法具體分辨基巖種類?；鶐r橫向上存在不同深度和寬度的低電阻率異常區(qū)共計5處（位于DK50430～50520、DK50770～50950范圍內(nèi)），異常深度處于30～50 m，推測這幾處低電阻率異常區(qū)巖溶發(fā)育。

3.2 工程地質(zhì)鉆探成果分析

根據(jù)鉆探揭露，場地內(nèi)巖溶主要為覆蓋型巖溶，發(fā)育類型主要有溶洞、溶隙、溶溝和溶槽。本次鉆探揭露的溶洞總數(shù)為41個，洞高0.50～8.73 m，平均高度2.73 m。大部分溶洞規(guī)模較小，溶洞洞高＜2.0 m的共有21個，占總數(shù)的約50.0%。溶洞充填類型為全充填、半充填、無充填，充填物主要為軟—可塑狀粉質(zhì)黏土、砂土、角礫和碎石。

本次工程地質(zhì)鉆探共完成68個可溶巖勘探孔，其中有28個鉆孔揭露到溶洞，鉆孔見洞率41.18%，總線巖溶率為22.40%。

為驗證物探成果的正確性，在等值反磁通瞬變電磁法揭露的低電阻異常區(qū)也布置了驗證鉆孔，物探異常區(qū)鉆孔成果見圖6。通過兩者對比，發(fā)現(xiàn)各個低電阻率異常區(qū)域中均發(fā)現(xiàn)有不同程度的巖溶存在，表明鉆探驗證成果與等值反磁通瞬變電磁法反演成果較為一致，物探的探測效果比較可靠。

圖6 物探異常區(qū)鉆孔斷面圖Fig.6 Profile of borehole drilling in OCTEM abnormal area

3.3 跨孔彈性波CT法探測成果分析

鉆孔資料揭示車站場地內(nèi)的第四系覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土、砂層，下伏基巖為石炭系粉砂巖或灰?guī)r，巖溶較發(fā)育，而溶洞內(nèi)充填物一般以黏性土為主，部分溶洞無充填物。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔縱波波速測試成果可知，完整基巖與巖溶發(fā)育區(qū)間存在明顯的波速差異，為開展跨孔彈性波CT測試提供了良好的物性條件。加之場地內(nèi)地下水位埋深較淺，一般為1.5～5 m，又提供了良好的耦合條件，因此場地具備開展彈性波CT探測工作的前提。

為了更精細地探測出場地內(nèi)地下巖溶的發(fā)育情況和空間分布，現(xiàn)采用跨孔彈性波CT法對普查階段揭示的巖溶發(fā)育區(qū)進行詳查工作，部分CT剖面布置如圖7所示。

圖7 CT剖面布置圖（部分）Fig.7 Plan of survey lines for the cross-hole seismic CT test

通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、資料處理和綜合解譯工作，最終較準(zhǔn)確地查明了工程場地內(nèi)地下巖溶的發(fā)育情況，本文以LC21—LC28剖面的地質(zhì)解譯圖（圖8）為例進行說明。

從圖8可見，彈性波CT可以很好地反映出地下目標(biāo)體的速度差異。覆蓋層與下伏基巖的波速差異很大，波速影像圖上反映為高速區(qū)與低速區(qū)之間明顯的分界，大致以波速2500 m·s-1為分界線。溶洞發(fā)育區(qū)與周圍完整基巖間也存在十分明顯的波速差異，在波速影像圖上反映為速度色譜的突變，而這種色譜突變的低速異常區(qū)域就代表著巖溶發(fā)育區(qū)。溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)與周圍的完整基巖之間存在一定的波速差異，大致以波速4000 m·s-1為分界，波速大于4000 m·s-1區(qū)域代表完整基巖，低于4000 m·s-1則為覆蓋層或溶洞發(fā)育區(qū)與完整基巖間過渡的溶蝕區(qū)域。

圖8 LC21—LC28剖面彈性波CT地質(zhì)解譯成果圖Fig.8 Comprehensive geological interpretation map of LC21-LC28 seismic CT tomography

根據(jù)反演的波速影像圖并結(jié)合鉆探資料進行綜合分析，對溶洞的發(fā)育程度、充填類型進行了判斷，部分解釋結(jié)果見表2。

表2 跨孔彈性波CT法溶洞發(fā)育解釋結(jié)果（部分）Tab.1 The position of karst caves and filled conditions by the results of velocity tomography

3.4 勘察成果綜合分析

通過工程地質(zhì)調(diào)繪、等值反磁通瞬變電磁法、工程地質(zhì)鉆探、跨孔彈性波CT等4種勘察方法獲取的成果資料綜合判斷可知，車站場地內(nèi)發(fā)育覆蓋型巖溶，發(fā)育類型主要為溶洞、溶溝、溶槽和溶隙?？碧浇衣兜耐痢r分界線起伏較大，基巖面平均埋深約10～20 m，局部地段（DK50890）基巖埋深較大（超過50 m），基巖深埋地段巖面附近分布有軟—可塑狀的黏性土，為溶溝溶槽堆積物。本次物探和鉆探過程中，揭露了大量溶洞，揭露的溶洞總數(shù)為63個，洞高0.50～8.73 m，揭露的單層溶洞有31個，揭露串珠狀溶洞的共計有32個，單孔揭露最多溶洞個數(shù)為4個。鉆孔見洞率41.18%，總線巖溶率為22.40%。溶洞充填類型無明顯規(guī)律，大部分有充填物，少部分無充填物，揭露無充填物的溶洞有13個，約占溶洞總數(shù)的20.6%。溶洞充填物主要為灰褐色軟—可塑粉質(zhì)黏土、砂、角礫和碎石。4種方法取得的成果吻合度高，取得了較好的勘察成果。根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》表6.6.2判定，擬建車站巖溶發(fā)育等級為強發(fā)育。

4 結(jié)論

以上工程實例中，多種勘察手段的綜合使用取得了良好的效果，從中得到以下結(jié)論：

1）等值反磁通瞬變電磁法設(shè)備輕便，施工高效，抗干擾能力強，且消除了常規(guī)瞬變電磁法淺層的“盲區(qū)”，在人文環(huán)境復(fù)雜的城市軌道交通巖溶勘察中可以發(fā)揮較大的優(yōu)勢。

2）跨孔彈性波CT法能夠真實全面地反映鉆孔間巖土分界面的起伏情況、巖溶的空間分布、發(fā)育程度等特征，在巖溶的精細勘察中具有良好的應(yīng)用前景。

3）本次巖溶勘察在充分分析研究了前期勘察資料和工程地質(zhì)調(diào)繪成果的基礎(chǔ)上，采用了工程地質(zhì)鉆探與地球物理勘探（等值反磁通瞬變電磁法、跨孔彈性波CT）相結(jié)合的綜合勘察方法，有效地查明了擬建地下車站范圍內(nèi)地下巖溶的發(fā)育程度和分布情況，為后續(xù)車站的設(shè)計、巖溶處理和施工提供了較為可靠的基礎(chǔ)資料，也證明了多種勘察手段取長補短、相互配合，能夠有效避免單一手段的局限性，提高勘察的精確度。