巖溶區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道下穿水源地綜合勘探技術(shù)

蔣益平 , 陳洪勝, 李露瑤, 朱小輝, 楊正剛, 宋小慶, 曹振東

(1. 上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200125; 2. 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081; 3. 貴陽市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司, 貴州 貴陽 550081; 4. 貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 貴州 貴陽 550008)

0 引言

城市地鐵勘察經(jīng)常會(huì)遇到勘探孔無法實(shí)施的情況[1],如區(qū)間隧道下穿房屋、水源地的河道等,需要采取綜合勘探技術(shù)替代無法實(shí)施的勘探孔。巖溶區(qū)由于溶洞發(fā)育規(guī)律性差,尤其采用盾構(gòu)法施工的隧道,更需要采用合理的綜合勘探技術(shù)解決無法實(shí)施勘探孔的難題,且對(duì)綜合勘探成果有較高的精度要求。常規(guī)的地面物探受精度或作業(yè)條件限制,難以解決上述問題,而跨孔CT具有抗干擾效果好、精度高、工作高效等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于城市地鐵勘察。

工程中常用的孔間物探方法主要為跨孔CT,其根據(jù)工作原理可分為電磁波CT[1-8]、地震波CT[7]和聲波CT[9-12]。近年來地震波CT受震源的影響(主要受炸藥的管制),使用場(chǎng)景受到很大限制,而電磁波CT[1-5]和聲波CT[9-10]應(yīng)用較廣。有學(xué)者對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行不斷研究,目前已有代數(shù)重建法(ART)、聯(lián)合迭代法(SIRT)、共軛梯度法(CGT)和反投影法(BPT)[7],應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了巖性劃分、城市隧道巖溶勘察[1-2]、煤礦采空區(qū)探測(cè)、水電水利工程質(zhì)量檢測(cè)[9-10]、鐵路路基塌陷探測(cè)等。工作成果圖以二維為主,也有學(xué)者開展了將成果三維化可視化應(yīng)用的研究[4],成果解釋已在人工智能發(fā)展的帶動(dòng)下,利用多源信息融合約束進(jìn)行智能反演,并取得了較好的應(yīng)用效果[8]。

對(duì)于城市巖溶區(qū)的溶洞、裂隙、基巖面的探測(cè),取得了很好的效果。王薇等[1]利用電磁波CT技術(shù)揭露了重大工程巖溶發(fā)育特征,但是巖溶地區(qū)工程勘察的地震波CT探測(cè)孔距一般不宜大于20 m[13-14],最大孔距不宜超過30 m。區(qū)間隧道下穿房屋、水源地的河道等無法實(shí)施勘探孔時(shí),孔距一般大于30 m,常規(guī)的跨孔CT技術(shù)難以滿足探測(cè)要求。

貴陽市軌道交通3號(hào)線一期工程農(nóng)學(xué)院站—花溪公園站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,需要下穿花溪河水源地,隧道頂距離花溪河底最近距離為6.7 m。盾構(gòu)穿越花溪河地質(zhì)條件十分復(fù)雜,花溪河為水源保護(hù)區(qū),不允許實(shí)施水上勘探孔,且花溪河寬約40 m,兩岸可實(shí)施的鉆孔最小孔間距為48 m,超過常規(guī)跨孔CT的距離,故尋求綜合勘探手段進(jìn)一步查明盾構(gòu)隧道下穿花溪河的地質(zhì)條件十分有必要。本文通過對(duì)電磁波跨孔CT和聲波跨孔CT激振源及采集元件進(jìn)行改進(jìn),采用電磁波跨孔CT和聲波跨孔CT 2種物探手段互相驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離跨孔CT的探測(cè)。綜合2種超遠(yuǎn)距離跨孔CT和鉆探孔的勘察成果,查明隧道上方的巖土層和節(jié)理裂隙分布情況,并分析巖土體與花溪河間的水力聯(lián)系,以期為設(shè)計(jì)和施工提供合理的建議。

1 工程概況

1.1 工程位置

貴陽市軌道交通3號(hào)線一期工程線路全長(zhǎng)約43 km,起點(diǎn)為花溪環(huán)城高速公路北側(cè)的桐木嶺站,終點(diǎn)為烏當(dāng)區(qū)洛灣站。農(nóng)學(xué)院站—花溪公園站區(qū)間隧道長(zhǎng)1 677 m,采用盾構(gòu)法施工,隧道直徑6.2 m,區(qū)間位置示意見圖1。隧道在右線里程YDK13+550～+591(左線里程ZDK13+539～+578)下穿花溪河,隧道與花溪河的平面關(guān)系示意見圖2。

圖1 農(nóng)學(xué)院站—花溪公園站區(qū)間位置示意圖

圖2 隧道與花溪河的平面關(guān)系示意圖

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)間詳勘報(bào)告,場(chǎng)地屬于溶蝕類型的丘峰谷地地貌。根據(jù)GB 50307—2012《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》[15]第11.3.2條和DBJ 52/T046—2018《貴州省建筑巖土工程技術(shù)規(guī)范》[16],場(chǎng)地屬淺覆蓋型,為巖溶弱發(fā)育場(chǎng)地?；ㄏ痈浇こ痰刭|(zhì)剖面示意見圖3和圖4。花溪河附近地層地質(zhì)特征和工程性質(zhì)分述如下。

圖3 區(qū)間下穿花溪河左線地質(zhì)剖面示意圖(單位: m)

圖4 區(qū)間下穿花溪河右線地質(zhì)剖面示意圖(單位: m)

雜色,以碎塊石為主,夾少量黏性土,左線層厚為2.0～4.5 m,右線層厚為6.0～7.7 m,厚度變化較大,土質(zhì)不均,結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度不均。

1.2.2 〈13-1-2〉強(qiáng)風(fēng)化白云巖(T2sz三疊系中統(tǒng)松子坎組)

灰白、肉紅色,巖石主要由白云石構(gòu)成,含少量褐鐵礦、黃鐵礦、方解石等,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,巖芯呈砂狀及少量塊狀。

1.2.3 〈13-1-3〉中風(fēng)化白云巖(T2sz)

灰白、青灰、肉紅色,巖石主要由白云石構(gòu)成,含少量褐鐵礦、黃鐵礦、方解石等,巖芯呈短柱狀或塊狀,短柱狀較多,局部溶蝕作用發(fā)育。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),該巖層傾向?yàn)?5°～91°,傾角為50°～60°。巖石飽和抗壓強(qiáng)度為41.4 MPa,為較硬巖,根據(jù)磨片鑒定報(bào)告,主要礦物成分為白云石,大于90%,雙管鉆孔取芯率較高,為85%～95%,RQD為20%～60%,巖體完整性系數(shù)約為0.51,為較破碎巖體,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

1.3 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

花溪河為區(qū)間穿越的地表水體,是貴陽市重要的水源保護(hù)區(qū)?？辈炱陂g花溪河水面標(biāo)高約1 090.3 m,百年洪水位為1 092.07 m。由于隧道上方分布厚度不等的雜填土,花溪河水與地下水存在一定的水力聯(lián)系,對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。

地下水按不同介質(zhì)劃分類型主要有孔隙水與巖溶水,按照埋藏條件劃分類型主要有潛水孔隙水、潛水巖溶水。孔隙水主要賦存于第四系松散覆蓋層內(nèi),主要接受大氣降雨補(bǔ)給,向下或向低洼地排泄,含水量不豐富。巖溶水主要賦存于可溶巖內(nèi),接受大氣降雨及上層滯水補(bǔ)給,局部為巖溶管道水。擬建場(chǎng)地內(nèi)地下水一般受降雨、地表徑流和河流補(bǔ)給,潛水位隨季節(jié)、氣候等因素而有所變化。

擬建場(chǎng)地屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅的厦骱又Я鲄R水范圍,地表水和地下水由南向北徑流,由西向東流入南明河及其各支流(花溪河),南明河附近地面高程為999～1 100 m,是場(chǎng)地范圍內(nèi)地表水和地下水的最低排泄面。

1.4 問題的提出

盾構(gòu)隧道下穿花溪河,隧道頂距離花溪河底最近距離為6.7 m。根據(jù)詳勘報(bào)告,花溪河兩岸分布有厚度不等的雜填土,最大厚度為7.7 m,局部分布強(qiáng)風(fēng)化白云巖?；ㄏ恿髁枯^大,盾構(gòu)穿越花溪河地質(zhì)條件十分復(fù)雜,是區(qū)間隧道施工的重要風(fēng)險(xiǎn)源,且花溪河為水源保護(hù)區(qū),對(duì)盾構(gòu)施工提出很高的保護(hù)要求。綜合上述因素,需要進(jìn)一步查明隧道下穿花溪河區(qū)域巖土層分布情況和溶洞發(fā)育情況。然而,花溪河為水源保護(hù)區(qū),不允許實(shí)施水上勘探孔,故需要尋求綜合勘探手段進(jìn)一步查明盾構(gòu)隧道下穿花溪河區(qū)域巖土層分布情況和溶洞發(fā)育情況。

2 綜合探測(cè)方案研究和實(shí)施

2.1 綜合探測(cè)方案研究

地球物理勘探的前提或依據(jù)是被探測(cè)體的物性差異,常表現(xiàn)為巖石的電、磁、彈性波速等物性參數(shù)。場(chǎng)地為中風(fēng)化白云巖與巖洞,破碎帶在彈性波波速大小、電磁波吸收系數(shù)上存在較大差異,故選擇電磁波CT和聲波CT 2種方法,2種物探方法可以相互驗(yàn)證,從而提高解釋的可靠性?？紤]到場(chǎng)地探測(cè)孔孔距較大,需對(duì)電磁波CT和聲波CT的儀器裝置進(jìn)行局部改進(jìn)[17-18],以滿足勘察需要。

2.1.1 電磁波CT

2.1.1.1 方法原理

電磁波CT是電磁波層析成像的簡(jiǎn)稱,是一種高精度的井間地球物理方法,該方法是利用不同地質(zhì)體對(duì)一定頻率下電磁波能量吸收強(qiáng)弱的不同,再現(xiàn)地質(zhì)體異常的電磁波吸收系數(shù)圖像。

電磁波CT是基于射線原理,從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出電偶極子場(chǎng),當(dāng)電偶極子衍射效應(yīng)可以忽略、測(cè)點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)距離足夠遠(yuǎn)時(shí),可以將電偶極子場(chǎng)作為輻射場(chǎng)。在輻射區(qū)內(nèi),介質(zhì)中的電磁波傳播路徑可以用射線來描述。對(duì)于配置半波偶極子天線的電磁波儀,其輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)

(1)

式中:E0為初始輻射場(chǎng);f(θ)為偶極天線方向因子;R為射線長(zhǎng)度,即射線傳播的路線積分;β為反映介質(zhì)電磁特性的一個(gè)參數(shù),稱為介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)。

由式(1)可以推導(dǎo)出

(2)

式中D為兩孔間的水平距離。

2.1.1.2 儀器裝置改進(jìn)

電磁波CT有效探測(cè)的孔間距主要受地層巖性、巖體完整性和儀器發(fā)射功率、發(fā)射主頻等因素的影響。地震巖性的介電常越小、巖體完整性越好、儀器發(fā)射功率越大、儀器發(fā)射的主頻越低時(shí),其可有效探測(cè)的距離越大;但發(fā)射功率越大時(shí),所需的發(fā)射模塊體積越大、功耗越高,儀器發(fā)射的主頻越低,其探測(cè)分辨率會(huì)下降。

一般而言,電磁波CT所選用的工作頻率為8～64 MHz,為了確保電磁波長(zhǎng)距離穿透,新加工生產(chǎn)了2～4 MHz的工作頻率,既保證了電磁波能有效穿透長(zhǎng)距離的地層,又保證了數(shù)據(jù)采集的精度。裝置改進(jìn)后其測(cè)試方法與傳統(tǒng)方法相同,工作時(shí)不能用金屬的套管,不需要水等介質(zhì)進(jìn)行耦合,測(cè)試點(diǎn)距為1 m,定點(diǎn)為5 m。

2.1.2 聲波CT

2.1.2.1 方法原理

聲波CT是大功率聲波層析成像的簡(jiǎn)稱,該方法是依據(jù)彈性波的射線幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,利用聲波在巖體中傳播的走時(shí)進(jìn)行層析,從而得到成像區(qū)內(nèi)巖體聲波速度的分布。聲波在傳播過程中遵循惠更斯原理,其首波在介質(zhì)內(nèi)沿聲波旅行時(shí)最短的路徑傳播,利用這一原理研制成的聲波層析成像軟件,通過對(duì)實(shí)測(cè)聲波走時(shí)進(jìn)行處理,可以較準(zhǔn)確地重建出射線所掃描區(qū)域內(nèi)巖體聲波視速度的分布,確定出低速層的位置、空間分布和形態(tài),達(dá)到探測(cè)的目的。

2.1.2.2 儀器裝置改進(jìn)

聲波CT有效探測(cè)的孔間距主要受到地層巖性波速、巖體完整性和電火花震源發(fā)射功率、儀器接收探頭靈敏度等影響。當(dāng)?shù)貙訋r性波速越高、巖體完整性越好、電火花震源發(fā)射功率越大、儀器接收探頭靈敏度越好時(shí),其可有效探測(cè)的距離越大,反之亦然。在本項(xiàng)目中,地層巖性波速、巖體完整性和儀器接收探頭靈敏度難以改變,故只能考慮提升電火花震源發(fā)射功率,來達(dá)到增加有效探測(cè)孔間距的目的。

電火花震源因充放電開關(guān)不一樣,傳統(tǒng)的集電控制器或空氣開火因可以自由串聯(lián)而使其功率變得較高,但裝置難以達(dá)到瞬間放電的效果,使其產(chǎn)生的瞬間功率大打折扣。本項(xiàng)目所使用的充放電開關(guān)為晶閘管開關(guān),雖然所標(biāo)識(shí)的功率不如傳統(tǒng)的功率那么高,但由于能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間放電,產(chǎn)生更集中的功率,使其在工程探測(cè)中有著良好的使用效果。常規(guī)使用的聲波CT電火花震源功率為2 500 J,在較完整灰?guī)r、白云巖中,穿透距離一般不大于40 m。為了保證孔間距在50 m左右的聲波CT效果,研制出聲波CT發(fā)射的電火花震源,將電火花震源功率提升到5 000 J,同時(shí)將數(shù)據(jù)采集控制器和儲(chǔ)能控制器進(jìn)行分離,保證現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全[17]。裝置改進(jìn)后其測(cè)試方法與傳統(tǒng)方法相同,工作時(shí)需要水或泥漿等介質(zhì)進(jìn)行耦合,測(cè)試點(diǎn)距為1 m,定點(diǎn)為5 m,改進(jìn)后所測(cè)數(shù)據(jù)增益在80 dB以下,與傳統(tǒng)短距離孔間CT測(cè)試值相當(dāng)。為對(duì)比2種儀器的效果,在同一位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,見圖5和圖6。

圖5 電火花功率為2 500 J儀器和波形圖

圖6 電火花功率為5 000 J儀器和波形圖

2.2 綜合探測(cè)方案實(shí)施

2.2.1 勘探孔布置

在花溪河兩岸的隧道中心線布置了4個(gè)勘探孔和2組CT剖面,平面位置示意見圖7,孔深均為40 m,左線和右線勘探孔距分別為48.1 m和54.4 m。成孔后預(yù)埋PVC管,并采用清水洗孔。

圖7 勘探孔和跨孔CT剖面示意圖(單位: m)

2.2.2 電磁波CT測(cè)試技術(shù)參數(shù)

通過試驗(yàn),本工區(qū)觀測(cè)系統(tǒng)采用定點(diǎn)發(fā)射、扇形接收、兩孔互換的觀測(cè)系統(tǒng),選用頻率為2～4 MHz。定發(fā)點(diǎn)距為5 m,接收點(diǎn)距為1 m,全孔接收,互換觀測(cè)。

2.2.3 聲波CT測(cè)試技術(shù)參數(shù)

觀測(cè)系統(tǒng)采用定點(diǎn)激發(fā)、扇形接收、兩孔互換的觀測(cè)系統(tǒng)。定發(fā)點(diǎn)距為2 m,接收點(diǎn)距為1 m。

3 綜合勘探成果

3.1 電磁波CT和聲波成果

B1剖面和B2剖面電磁波跨孔CT和聲波跨孔CT的測(cè)試成果見圖8—11。

(a) 色譜圖

(a) 色譜圖

(a) 色譜圖

(a) 色譜圖

根據(jù)電磁波跨孔CT和聲波跨孔CT的測(cè)試成果可知,2種方法在B1剖面和B2剖面的淺表均揭示了電磁波強(qiáng)吸收區(qū)和低波速區(qū),推測(cè)為覆蓋層及其影響區(qū)。

B1剖面大樁號(hào)側(cè)深部,電磁波CT出現(xiàn)了強(qiáng)吸收區(qū),參考其衰減系數(shù)大小,解釋了1個(gè)強(qiáng)溶蝕區(qū)和4個(gè)溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶;聲波CT出現(xiàn)了低波速區(qū),結(jié)合其波速值大小和形態(tài)分析,解釋了1個(gè)強(qiáng)溶蝕區(qū)和4個(gè)溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶。結(jié)果表明,兩者異常位置、形態(tài)基本吻合。

B2剖面除淺表受覆蓋層影響出現(xiàn)明顯的異常外,2種CT成果均解譯出深部無集中的較大異常、局部有零散小異常。結(jié)合2種物性參數(shù)分布影響分析可推測(cè),電磁波CT剖面出現(xiàn)了4個(gè)溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶,聲波CT出現(xiàn)了2個(gè)溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶。

2種跨孔CT解譯的匹配性較好,達(dá)到了較好的互相驗(yàn)證,2種跨孔CT測(cè)試均能比較清晰地反映出覆蓋層、溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶的分布情況,而且與詳勘報(bào)告一致。相比較而言,聲波跨孔CT對(duì)淺部薄弱區(qū)域的解譯精度稍高于電磁波跨孔CT,其能比較清晰地反映出覆蓋層、溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶的分布情況。

3.2 綜合地質(zhì)剖面圖

根據(jù)鉆探孔、電磁波跨孔CT及聲波跨孔CT的綜合勘探成果,聲波跨孔CT能較清晰地反映出覆蓋層、溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶分布情況,并通過了電磁波跨孔CT成果的驗(yàn)證,故采納聲波跨孔CT的解譯成果。隧道下穿花溪河綜合地質(zhì)剖面見圖12和圖13。

圖12 B1剖面(左線)的綜合地質(zhì)剖面示意圖

圖13 B2剖面(右線)的綜合地質(zhì)剖面示意圖

本次綜合勘探揭示左線隧道頂板主要位于中風(fēng)化白云巖中,局部位于溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶,花溪河水與隧道頂部的巖溶水可能存在水力聯(lián)系。大里程端下部35 m以下為強(qiáng)溶蝕區(qū)。右線隧道主要位于溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶中,即主要位于強(qiáng)風(fēng)化白云巖中,該地層滲透性強(qiáng)于中風(fēng)化白云巖?；ㄏ铀c場(chǎng)地地下巖溶水存在一定的水力聯(lián)系。

4 隧道下穿花溪河的建議

根據(jù)綜合勘探成果,盾構(gòu)隧道下穿花溪河的地質(zhì)條件較為復(fù)雜,同時(shí)花溪河為水源地保護(hù)區(qū),提出如下隧道下穿花溪河的建議。

1)隧道左線和右線的地質(zhì)條件有一定差異,設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)引起重視,并采取針對(duì)性的措施。

2)花溪河水位存在季節(jié)性變化,設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)重視水位變動(dòng)帶來的不利影響。

3)隧道右線地下水與花溪河水的水力聯(lián)系要強(qiáng)于隧道左線,施工時(shí)應(yīng)重視盾構(gòu)工作面水壓的變化情況,針對(duì)可能發(fā)生的局部涌水量較大的情況,做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

4)由于花溪河屬于水源地保護(hù)區(qū),盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)合理控制同步注漿和二次注漿的壓力,避免注入的水泥漿進(jìn)入花溪河,建議隧道下穿花溪河期間加強(qiáng)對(duì)水面的監(jiān)測(cè)。

5)隧道掘進(jìn)時(shí)要重視局部區(qū)域工作面巖層軟硬不均的不利影響,控制好隧道軸線。

5 結(jié)論與討論

1)對(duì)電磁波CT和聲波CT的儀器裝置進(jìn)行局部改進(jìn),電磁波CT采用更低頻率的發(fā)射、接收天線來實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離的探測(cè),聲波CT通過增加大功率的發(fā)射電火花來實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的探測(cè),實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離跨孔CT的探測(cè),克服了花溪河水源保護(hù)區(qū)無法實(shí)施勘探孔的難題。

2)區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿花溪河水源地,采用超遠(yuǎn)距離電磁波跨孔CT和聲波跨孔CT相互驗(yàn)證,結(jié)合鉆探孔成果,查清下穿花溪河區(qū)域的覆蓋層分布、強(qiáng)溶蝕區(qū)和溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶的分布、形態(tài)和規(guī)模等。

3)相比較而言,改進(jìn)后的聲波跨孔CT對(duì)淺部薄弱區(qū)域的解譯精度稍高于電磁波跨孔CT,聲波跨孔CT能比較清晰地反映出覆蓋層、溶蝕破碎區(qū)或巖體破碎帶的分布情況。

4)采用綜合勘探技術(shù)查明了盾構(gòu)隧道下穿花溪河區(qū)域的薄弱巖土層分布情況,提出隧道左右線地下水與花溪河的水力聯(lián)系存在差異,給設(shè)計(jì)和施工提供了合理的建議。

5)改進(jìn)后電磁波跨孔CT和聲波跨孔CT的跨孔CT組合技術(shù)可應(yīng)用于地鐵區(qū)間勘探孔無法實(shí)施的情況。

6)盡管本次實(shí)現(xiàn)了比常規(guī)更大距離的孔間CT探測(cè)工作,但由于受電磁波CT發(fā)射、接收機(jī)主頻限制和聲波CT發(fā)射功率的影響,其孔間距離不可能無限增加。