場地巖溶發(fā)育特征規(guī)律研究及勘探技術(shù)優(yōu)選*

郜江俊，肖 豹，蔣春桂，楊小龍

(中國建筑第五工程有限公司，湖南 長沙 414000)

0 引言

巖溶是碳酸鹽、硫酸鹽、鹵素巖等可溶性巖石在地質(zhì)作用下，形成溶溝、溶隙、溶洞、暗河等一系列現(xiàn)象的統(tǒng)稱。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，鐵路、橋梁、公路等工程設(shè)施分布區(qū)域愈加廣泛，不可避免接觸含隱伏溶洞的巖溶發(fā)育地區(qū)。處于覆蓋型巖溶地區(qū)的隱伏溶洞隱蔽性好，難以發(fā)現(xiàn)，極易造成安全隱患，對工程建設(shè)的危害性巨大[1-3]。因此巖溶區(qū)域修建公路與橋梁首先應(yīng)對隱伏溶腔的規(guī)模及特點進行較準確探測與認知[4-6]，進行勘探及規(guī)律研究，主要手段有工程地質(zhì)鉆探和物探[7]。

許多發(fā)達國家物探技術(shù)發(fā)展起步較早，并且為從業(yè)人員制定了相關(guān)的技術(shù)標準。例如，美國測試與材料協(xié)會頒布了《地面地球物理方法選擇標準指南》，提供了工程地質(zhì)調(diào)查中常用勘測方法的適用條件、使用方法等。同年，英國大不列顛標準局頒布了《地質(zhì)調(diào)查標準》，提出跨孔地震、微重力、電阻率或電導(dǎo)剖面法以及地質(zhì)雷達等方法在巖溶區(qū)勘測中最有效。美國 Technos 地質(zhì)與地球物理咨詢公司出版了《地面地球物理方法》，該書通過總結(jié)先前地球物理勘測經(jīng)驗，系統(tǒng)分析了各種巖溶勘測方法[8]。近年來，國內(nèi)的巖溶地區(qū)地球物理勘測技術(shù)也不斷發(fā)展，并且大量運用于工程建設(shè)當中[9-10]。根據(jù)測量原理可以將巖溶場地物探技術(shù)歸為兩大類[11]：一是以介質(zhì)彈性差異為基礎(chǔ)的方法，主要有地震波反射法、地震波透射法、瑞利波法等；二是以介質(zhì)電性和磁性差異為基礎(chǔ)的方法，有高密度電流法、瞬變電磁法[12]、探地雷達法、電波透視法等。除此以外，目前在溶洞和采空區(qū)的勘查中還有一些其他方法，如微重力探測法和管波探測技術(shù)等方法。

物探方法以其精度高、覆蓋較全面的特點，在巖溶場地工程勘察中發(fā)揮著重要作用。隨著工程建設(shè)范圍以及涉及區(qū)域的逐漸擴大，單一的物探已經(jīng)不再能夠滿足復(fù)雜的勘探要求，其多解性與巖溶復(fù)雜程度造成了單一的物探方法在解決問題時具有諸多缺陷，此時綜合物探的方法成為工程技術(shù)人員的最佳選擇[13]。在明確各物探方法特點及優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，將物探與傳統(tǒng)鉆探結(jié)合將會使勘探效率得到顯著提升[14]，并且該方法已成為當今巖溶勘探領(lǐng)域的重點課題。

1 工程概況

泰康(南京)國際醫(yī)學(xué)中心項目位于南京市棲霞區(qū)仙林街道學(xué)海路(在建)東側(cè)，工區(qū)位于現(xiàn)有泰康仙林鼓樓醫(yī)院南側(cè)沿山空地。項目所在地屬巖溶發(fā)育地質(zhì)，根據(jù)詳勘報告揭示，本工程位于巖溶強發(fā)育地段，⑤2層中等風(fēng)化石灰?guī)r發(fā)育溶洞，填充物為巖塊混粉質(zhì)黏土，溶洞分布極不規(guī)律，下伏溶洞形狀較小且埋深淺。為指導(dǎo)場地巖溶施工，需要開展施工地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律調(diào)查，并依托工程場地巖溶勘探評價巖溶發(fā)育程度和穩(wěn)定性。為此，本文采取工程地質(zhì)鉆探與地球物理勘探相結(jié)合的方法，采用瞬變電磁法和超前鉆孔法，調(diào)查場地巖溶發(fā)育情況，總結(jié)巖溶發(fā)育規(guī)律并進行勘探技術(shù)優(yōu)選。

2 試驗場地巖溶勘察

2.1 試驗段設(shè)置

在巖溶發(fā)育地區(qū)，勘查初期應(yīng)首先采用綜合物探的方法，并且結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)繪和工程地質(zhì)條件，決定如何布置勘測點。綜合考慮泰康(南京)國際醫(yī)學(xué)中心項目地質(zhì)條件及設(shè)備條件后，為查明工區(qū)范圍內(nèi)覆蓋層的厚度、基巖的埋藏深度及可能存在的巖溶位置和規(guī)模，為工區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度評價提供物探依據(jù)，本文選取瞬變電磁法作為巖溶勘探的具體實施方法。本次共完成瞬變電磁測線19條，東西向長線點距為3m，南北向短線點距為2m，累計完成362個測點，測線總長945m，共發(fā)現(xiàn)18處巖溶或巖層風(fēng)化破碎帶發(fā)育區(qū)。

為達到最佳的探測效果，根據(jù)探測目的及現(xiàn)場施工條件，本次物探采用瞬變電磁法。本場地瞬變電磁法測量工作實際共完成19條測線，其中2條長測線按照拐點分段觀測，分別為1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，2-1，2-2，2-3，2-4，2-5。9條短測線由西向東北為10線、20線、30線、40線、50線、60線、70線、80線、90線。

2.2 瞬變電磁法勘探

瞬變電磁法1-1測線，南西-北東向，方位角62°，剖面長度93m，點距3m，實測32個測點。根據(jù)1-1測線反演成果圖，該剖面電性層特征明顯，縱向上看其電阻率數(shù)值由淺至深的整體變化趨勢為低到高，基本能定性反映地層電阻率的變化特征，該測線在鋪裝路面上施工，前70m測量信號衰減較快，推測為路面下方埋設(shè)電線或鋼筋造成，故前70m數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，橫向來看，在電阻率反演剖面上出現(xiàn)電阻率低值異常，即剖面的76～88m，高程26.000～19.000m附近，電阻率等值線橫向不連續(xù)，下凹，呈現(xiàn)近“V”字形，其數(shù)值明顯低于兩側(cè)，推斷為巖層風(fēng)化破碎或巖溶發(fā)育引起。

2.3 地質(zhì)鉆孔驗證

本文對場地巖溶的發(fā)育形態(tài)及分布特征展開研究，地球物理勘探方法探測范圍廣，但是具體精確性如何尚未可知，故采用地質(zhì)鉆孔方法，并對鉆孔數(shù)據(jù)中遇見溶洞的勘探孔數(shù)據(jù)進行整合梳理，以此來分析揭露溶洞位置及發(fā)育特征，從而對物探結(jié)果進行驗證。結(jié)合場地內(nèi)見洞鉆孔平面位置的分布，得出鉆孔揭露溶洞位置。

2.4 勘探技術(shù)優(yōu)選

瞬變電磁法是一種針對查明含水地質(zhì)如巖溶洞穴與通道、采空區(qū)探測領(lǐng)域有良好效果的物探勘查方法，在地質(zhì)勘查中有廣泛應(yīng)用[15]。

本文依托工程泰康(南京)國際醫(yī)學(xué)中心項目屬低山丘陵地貌單元，地形起伏較大，整體呈東南高西北低，靠近東南側(cè)坡度達25°、局部地段未進行分層碾壓。南側(cè)大部分地段為回填土，且為建筑垃圾回填，孔口標高為21.420～55.570m，相對高差34.15m。

本次物探探測場地為多為空地、工地活動板房旁、水泥路等。受人為因素影響，場地原始地貌已被破壞，場地地表較為平整，主要為水泥地坪或回填土。本次物探工作采用具備零互感特性的等值反磁通裝置形式，如圖1所示，天線類型為收發(fā)一體，接收等效面積200m2，在正式采集數(shù)據(jù)前，分別進行發(fā)送頻率、疊加周期等選擇試驗，確定最佳觀測參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，確定發(fā)送頻率25Hz，采樣時間窗口最大為20ms，發(fā)送電流大于10A，疊加周期數(shù)500次，重復(fù)兩次觀測?，F(xiàn)場施工時，沿測線逐點移動觀測，若曲線出現(xiàn)畸變，查明原因，重復(fù)觀測，并做好記錄。

圖1 等值反磁通瞬變電磁裝置示意

在充分考慮探測目標、勘探場地大小、勘探場地接地條件等諸多因素后，本次瞬變電磁探測采用HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用統(tǒng)一標準的微線圈對偶磁源、高靈敏磁感應(yīng)接收傳感器、高速24位采集卡以及高密度測量技術(shù)實現(xiàn)淺層高精度瞬變電磁勘探，施工更便捷，滿足探測工作要求。

3 試驗場地巖溶發(fā)育特征規(guī)律分析

3.1 整體巖溶發(fā)育特征規(guī)律

3.1.1鉆孔巖溶率

為了探明區(qū)域內(nèi)溶洞發(fā)育特征，首先根據(jù)區(qū)域內(nèi)鉆孔情況進行統(tǒng)計，通過從現(xiàn)場收集的50組鉆孔鉆探資料發(fā)現(xiàn)，上覆土層厚度離散性很大，淺的3.5m，深的達21.2m，上覆土層一般由人工填土和粉質(zhì)黏土組成，基巖為石灰?guī)r，土層由上而下一般為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化石灰?guī)r。

溶洞大多分布在地表下4～29m深度范圍內(nèi)，常見溶洞高度0.3～4m，局部高度為4～6m，典型高度為0.3～2m?；?guī)r區(qū)遇洞率95.6%，線巖溶率10.5%，洞內(nèi)均被全填充，充填物以硬塑～可塑狀粉質(zhì)黏土或黏土為主，混較多中風(fēng)化灰?guī)r碎塊，洞內(nèi)有漏水現(xiàn)象。

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

圖2 鉆孔巖溶率統(tǒng)計

不同位置的巖溶發(fā)育情況存在差異，不同鉆孔之間鉆孔巖溶率差異很大。可以看出，鉆孔巖溶率較高的鉆孔分布都較為集中，大概分布在幾塊不同的區(qū)域，中間幾乎沒有巖溶分布。但是鉆孔揭示的只是一個點的情況，鉆孔之間的情況無法探明，為了更好地還原地層下巖溶發(fā)育的本來面貌，需要結(jié)合前述物探方法進行綜合判斷。

3.1.2巖溶垂向發(fā)育特征

試驗場地巖溶垂向發(fā)育主要關(guān)注鉆探中揭示的洞頂標高、溶洞高度和頂板厚度等參數(shù)。現(xiàn)將區(qū)域內(nèi)鉆孔相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。

圖3 洞頂標高與溶洞高度

項目區(qū)巖溶的埋藏深度小，其形態(tài)各異，規(guī)模大小不一，巖溶的埋藏深度一般在 16.80～29.50m，屬于淺覆蓋型，溶洞高度范圍在0.3～6.0m。場地巖溶強發(fā)育，溶洞分布無規(guī)律性。

鉆探時揭露的溶洞洞體頂板巖石厚度均小于洞體高度，當受到較大的外力作用情況下，可能造成頂板塌落，地面發(fā)生塌陷，對于地基穩(wěn)定性和樁基施工影響較大。本場地巖溶較為發(fā)育，建議樁基施工前應(yīng)進行施工勘察(一樁一孔)，并對溶洞區(qū)域采取注漿等處理措施，樁基施工時應(yīng)鉆穿溶洞區(qū)域，樁端坐落于完整基巖之上，避免其對工程的不利影響。

3.2 串珠狀溶洞發(fā)育特征規(guī)律

項目區(qū)串珠狀溶洞占比情況及內(nèi)部填充情況如圖4所示。

圖4 項目區(qū)串珠狀溶洞占比

可見工程沿線串珠狀溶洞發(fā)育最為廣泛，占比超過工程沿線總量的一半，且存在垂向4～5個溶洞同時發(fā)育的情況。對于串珠狀溶洞內(nèi)部充填情況，絕大多數(shù)溶洞均是全填充，無填充溶洞極少，內(nèi)部填充物物以硬塑～可塑狀粉質(zhì)黏土或黏土為主，混較多中風(fēng)化灰?guī)r碎塊。

4 結(jié)語

1)場區(qū)主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象為巖溶，區(qū)域內(nèi)溶洞分布較為分散，巖溶的埋藏深度一般在16.80～29.50m，洞高0.3～6.0m，基本上為全填充，充填物以硬塑～可塑狀粉質(zhì)黏土或黏土為主，混較多中風(fēng)化灰?guī)r碎塊，洞內(nèi)有漏水現(xiàn)象。

2)綜合瞬變電磁法與超前鉆探法可以發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁法具有數(shù)據(jù)采集速度快、采集方式靈活、分辨率高、勘探深度較大的優(yōu)勢，結(jié)合鉆孔驗證能夠高效率地進行面狀巖溶剖面的快速準確辨識。

3)通過瞬變電磁法勘探與地質(zhì)鉆孔勘探結(jié)合與相互驗證，比選出較優(yōu)的巖溶地質(zhì)勘探技術(shù)。