貴陽城市軌道交通工程勘察的巖溶問題及其探察方案探討

李法濱, 王 祥, 冉 軍, 龍 斌, 曾 耀

(1.貴州省山區(qū)高速公路智慧運(yùn)維工程研究中心,貴陽 550000;2.貴州黔通工程技術(shù)有限公司,貴陽 550014;3.貴陽市公共交通投資運(yùn)營集團(tuán)有限公司,貴陽550081;4.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴陽 550081)

0 引言

貴陽屬巖溶地貌典型發(fā)育,碳酸鹽類巖石分布面積約占全市的72%。地處黔中山原丘陵中部,地勢(shì)西南高、東北低,具有低緯度、高海拔、地形多樣的顯著特征,全市地形起伏大,山地、丘陵約占全市土地面積的88%。其中觀山湖區(qū)與老城區(qū)高差達(dá)220 m[1]。受地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造等影響,貴陽城市空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是“雙核多組團(tuán)”:以老城區(qū)、觀山湖區(qū)為核心,形成若干個(gè)產(chǎn)城互動(dòng)、規(guī)模合理、適宜居民生活就業(yè)的城市組團(tuán)[2]。

貴陽市位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的黔北臺(tái)隆和黔南臺(tái)陷的過渡帶,其地質(zhì)背景的典型特點(diǎn)是:①巖溶發(fā)育,形態(tài)多樣,地表以溶溝、溶槽、巖溶洼地為主,隱伏巖溶多為溶洞、溶隙、溶溝、溶槽等;②構(gòu)造復(fù)雜,其中城市軌道交通1號(hào)線穿越19條斷層,2號(hào)線穿越21條斷層,3號(hào)線穿越11條斷層;③水文條件復(fù)雜,線路靠近或穿越地表徑流花溪河、南明河、市西河、貫城河等,同時(shí)巖溶和構(gòu)造的復(fù)雜性使得局部地區(qū)的地表水和地下水通過溶洞、裂隙、斷層等貫通,造成了水文條件復(fù)雜多變的現(xiàn)狀。

1 需要解決的巖溶工程地質(zhì)問題

在貴陽城市軌道交通工程勘察中,面臨的首要問題就是巖溶。根據(jù)貴陽軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃,貴陽城市軌道交通工程穿越可溶巖地層長度占總線網(wǎng)長度的90%以上。貴陽市軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線一期和二期工程地下區(qū)間主要采用礦山法施工,貴陽市軌道交通3號(hào)線一期工程開始引入盾構(gòu)法施工工藝,采用盾構(gòu)法施工區(qū)間超過區(qū)間長度的1/2,施工過程常遇突泥、突水、大型溶洞、地面塌陷等巖土工程問題。

根據(jù)統(tǒng)計(jì),貴陽城市軌道交通1號(hào)線一期工程898個(gè)鉆孔中,發(fā)現(xiàn)溶洞229個(gè),見洞率為25.5%,施工中揭露溶洞約3 000余個(gè)。2號(hào)線一期工程654個(gè)鉆孔中發(fā)現(xiàn)溶洞199個(gè),見洞率為20.3%。3號(hào)線一期工程693個(gè)鉆孔中發(fā)現(xiàn)溶洞134個(gè)(部分串狀溶洞),見洞率為19.3%。

巖溶對(duì)城市軌道交通工程造成的危害主要集中在兩個(gè)方面:①對(duì)軌道交通工程本身造成的危害,主要是突泥涌水[3]、結(jié)構(gòu)變形[4]、掌子面溜塌等;②對(duì)周圍環(huán)境造成的危害,主要是地表塌陷[5]、地表沉降、周邊構(gòu)建筑物變形等。

解決巖溶地質(zhì)問題的3個(gè)核心要素:①巖溶的發(fā)育位置、規(guī)模、形態(tài)和充填情況等自身存在狀態(tài);②巖溶所處的地表環(huán)境、圍巖環(huán)境和地下水環(huán)境等周圍環(huán)境情況;③巖溶所處的工程類別、工程部位和施工工法等施工方案。

2 不同施工背景下的巖溶探查方案

2.1 礦山法巖溶問題

巖溶是礦山法掌子面溜塌、突泥涌水、冒頂、地面塌陷等災(zāi)害的主要風(fēng)險(xiǎn)源。城市軌道交通工程埋深較淺,其頂板大多位于巖土界面附近,或者位于溶溝、溶槽和表層溶蝕裂隙等淺層巖溶發(fā)育區(qū)附近。當(dāng)掌子面頂部揭露巖溶時(shí),極易引起溜塌、冒頂和地面塌陷等;當(dāng)掌子面中部或底部揭露巖溶時(shí),極易引起突泥、涌水、支護(hù)變形、隧底塌陷等。

1)初勘階段,針對(duì)礦山法巖溶問題,應(yīng)根據(jù)地面現(xiàn)狀和地質(zhì)情況等合理選擇物探方法,沿隧道中線布置1條連貫的地面物探測(cè)線,或平行車站輪廓線布置不少于3條地面物探測(cè)線。物探方法應(yīng)優(yōu)選具有點(diǎn)測(cè)深功能的方法,可選用天然源面波法、大深度探地雷達(dá)法、直流電測(cè)深法和瞬變電磁法等,有條件的情況下或重大巖溶異常應(yīng)選取兩種甚至兩種以上物探方法進(jìn)行綜合解釋。針對(duì)物探解釋異常,開展鉆探驗(yàn)證和單孔物探,并適當(dāng)開展跨孔CT工作。

2)詳勘階段。針對(duì)初勘揭露的巖溶情況加密地面物探測(cè)線,形成一定密度的物探測(cè)網(wǎng),具備條件時(shí)應(yīng)開展跨孔CT工作,以準(zhǔn)確查明巖溶水平位置、埋深、形態(tài)、充填狀態(tài)等基本情況。

3)施工階段。開展探地雷達(dá)、TSP、瞬變電磁法、超前水平鉆和加深炮孔等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,以降低施工風(fēng)險(xiǎn),避免重大安全事故發(fā)生。

貴陽城市軌道交通3號(hào)線一期工程松浣區(qū)間隧道為礦山法施工,雙洞單線型式,單洞截面寬度為6.52 m。ZDK31+005～ZDK31 +100段揭露巖土組成為第四系人工回填土、紅粘土,下伏基巖為三疊系大冶組(T1d)石灰?guī)r。

詳勘階段設(shè)計(jì)鉆孔間距為30 m,實(shí)際鉆孔間距為25 m～35 m,鉆探未揭露巖溶。沿線路布置1條地震映像法測(cè)線,于ZDK32+077～ZDK32+107段發(fā)現(xiàn)1處裂隙發(fā)育帶(ZDK31+087處布置鉆孔M3Z2-37-1)。詳勘階段成果見圖1。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖(詳勘階段)Fig.1 Engineering geological section(Detailed survey stage)

2021年4月3日,左線掌子面里程ZDK32+010、右線開挖掌子面里程YDK32+037.4于洞頂位置均揭露溶洞。其中,左線溶洞內(nèi)填充物溜塌約70 m3。4月3日～4月6日開始注漿,共完成注漿199 m3。

險(xiǎn)情發(fā)生后,開展淺層探地雷達(dá)掃描和深層綜合物探。淺層雷達(dá)掃描的目的是探測(cè)是否發(fā)生路面脫空,深層綜合物探的目的是探測(cè)巖溶發(fā)育情況、形成的空腔大小和土體疏松范圍,采用大探深探地雷達(dá)(成果見圖2)、微動(dòng)勘探法(成果見圖3)、高密度電法(成果見圖4)三種物探方法的綜合。

圖2 大探深探地雷達(dá)法成果解釋圖Fig.2 Result interpretation diagram of deep GPR

圖3 微動(dòng)勘探法成果解釋圖Fig.3 Result interpretation diagram of microseismic exploration

圖4 高密度電法成果解釋圖Fig.4 Result interpretation diagram of high density electrical method

綜合物探發(fā)現(xiàn)掌子面前方存在3處巖溶異常(成果平面圖見圖5),其中1處異常位于詳勘地震映像法推斷的裂隙發(fā)育帶內(nèi);掌子面后方存在1處異常(施工開挖已揭露為裂隙)。針對(duì)掌子面前方的巖溶異常設(shè)計(jì)3個(gè)鉆孔實(shí)施2個(gè),2個(gè)鉆孔均揭露巖溶。針對(duì)揭露的2處巖溶,提前進(jìn)行了注漿加固處理,施工通過時(shí)未發(fā)生險(xiǎn)情。

圖5 巖溶平面圖(施工階段) Fig.5 Karst plan figure(Construction stage)

ZDK31+005～ZDK31+100段,詳勘階段依靠鉆探揭露1處巖溶,施工階段依靠“綜合物探普查+鉆探驗(yàn)證”的辦法揭露4處巖溶。由此可見,利用“綜合物探普查+鉆探驗(yàn)證”的辦法,保證了洞內(nèi)施工安全,預(yù)防了地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)。

此處大冶組(T1d)石灰?guī)r節(jié)理裂隙較發(fā)育,淺表層多溶孔、溶隙、溶槽和溶洞等巖溶形態(tài)。此類巖溶多向上與覆土層連通,因此地質(zhì)異常體在雷達(dá)剖面上多表現(xiàn)為雜亂反射,并常具繞射弧,在微動(dòng)剖面上多表現(xiàn)為高速背景內(nèi)的錐狀低速體,高密度電法剖面上多表現(xiàn)為高阻背景內(nèi)的低阻體。

2.2 盾構(gòu)法巖溶問題

在貴州地區(qū)隧道施工中,貴陽市軌道交通3號(hào)線一期工程首次引入盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)區(qū)間13個(gè),盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5.5 m,外徑為6.2 m,管片環(huán)寬為1.5 m,管片厚度為0.35 m。盾構(gòu)法施工穿越巖溶時(shí),易引發(fā)盾構(gòu)機(jī)陷落、隧道偏線、突泥涌水、倉內(nèi)失壓、地面塌陷、漿液涌出地地面等風(fēng)險(xiǎn)。因此,在盾構(gòu)掘進(jìn)前需對(duì)隧道周邊溶洞作加固處理。據(jù)研究,隧道上部溶洞應(yīng)全部填充處理;隧道側(cè)部及底部,溶洞處理范圍可定為與隧道凈距6 m以內(nèi)[6]。

巖溶區(qū)盾構(gòu)機(jī)施工,在工序管理上應(yīng)做到施工前階段的巖溶精細(xì)勘探,務(wù)必查清隧道洞身及兩側(cè)6 m范圍內(nèi)的溶洞;掘進(jìn)前,首先地面加固處理洞徑不小于6 m的溶洞;掘進(jìn)過程中,做好掌子面前方的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和注漿加固處理。

針對(duì)施工前階段的巖溶精細(xì)勘探,初勘階段,應(yīng)根據(jù)地表現(xiàn)狀環(huán)境和地質(zhì)情況合理選擇有效的物探技術(shù)手段,于隧道中線和兩側(cè)布置連貫的物探測(cè)線,然后針對(duì)物探異常進(jìn)行鉆探驗(yàn)證和鉆孔物探工作,有條件的情況下適量開展CT工作。詳勘階段,針對(duì)初勘異常開展地面綜合物探工作,布置網(wǎng)狀測(cè)線或平行測(cè)線以查清溶洞邊界,然后開展跨孔CT工作,以精細(xì)探測(cè)地下溶洞范圍。地面物探工作,應(yīng)優(yōu)選具備點(diǎn)測(cè)深功能的物探方法。

貴陽城市軌道交通3號(hào)線一期工程花明區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。詳勘階段采用“全線地震映像法和鉆探,局部跨孔CT法”;施工階段,盾構(gòu)機(jī)入場(chǎng)前開展了巖溶專項(xiàng)補(bǔ)充勘察,采用“全線跨孔CT+單孔物探”。地震映像法顯示該段存在反射異常,推斷存在巖溶;鉆孔揭露該段巖溶,跨孔CT查明該段巖溶的發(fā)育范圍和基本形態(tài)。成果資料見圖6～圖11。

圖6 工作布置及成果平面圖Fig.6 Work layout and achievement plan figure

圖7 地震映像法成果圖Fig.7 Results of seismic imaging method

圖8 電磁波CT成果及地質(zhì)解釋圖(1) Fig.8 Electromagnetic wave CT results and geological interpretation (1)

圖9 電磁波CT成果及地質(zhì)解釋圖 (2)Fig.9 Electromagnetic wave CT results and geological interpretation (2)

圖10 M3Z3-8-YK2孔巖芯照片F(xiàn)ig.10 Core photo of M3Z3-8-YK2

圖11 工程地質(zhì)剖面圖Fig.11 Engineering geological section

此處基巖為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a2)白云巖,局部相變?yōu)榘自瀑|(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖,節(jié)理較發(fā)育～發(fā)育,節(jié)理面多呈微張型,巖溶多沿基巖面發(fā)育于表層節(jié)理發(fā)育區(qū)。此類地質(zhì)異常在地震映像剖面上多表現(xiàn)為較連續(xù)反射背景下的同相軸錯(cuò)斷和低頻特征,在電磁波CT剖面上多表現(xiàn)為低吸收系數(shù)背景下的高吸收特征,高吸收體多向上與表現(xiàn)為強(qiáng)吸收特征的覆蓋層相連通。

2.3 基坑巖溶問題

巖溶是誘發(fā)基坑突泥涌水等災(zāi)害的主要風(fēng)險(xiǎn)源。巖溶的不均勻性和隨機(jī)性是巖溶地下水的控制性因素,所以巖溶涌水常常是突發(fā)的,基坑開挖未揭露地下水前,又難以確定具體的涌水部位。因此,施工前,應(yīng)精確查明基坑范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況,掌握地下水規(guī)律(圖12);施工中,應(yīng)開展物探和超前鉆等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

圖12 基坑涌水情況[7]Fig.12 Photo of water gushing in foundation pit

初勘階段,應(yīng)根據(jù)地面現(xiàn)狀和地質(zhì)情況等合理選擇物探方法,沿結(jié)構(gòu)物輪廓線布置地面物探測(cè)線,基坑范圍內(nèi)適當(dāng)布置少量地面物探測(cè)線。針對(duì)物探解釋異常,開展鉆探驗(yàn)證和單孔物探。詳勘階段,針對(duì)初勘揭露的巖溶情況加密地面物探測(cè)線,形成一定密度的物探測(cè)網(wǎng),并適當(dāng)開展跨孔CT工作,以精確掌握基坑范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況。

施工階段,開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,主要是地質(zhì)雷達(dá)、面波等物探方法結(jié)合超前水平鉆等鉆探方法。

貴陽軌道交通2號(hào)線一期工程延安西路站設(shè)計(jì)開挖深度24 m～28 m,2014年2月開始施工,2015年11月開始基坑明挖?；油谥?7 m時(shí)突發(fā)涌水,最大出水量8 000 m3/d～10 000 m3/d,嚴(yán)重影響施工和工期。

延安西路站基坑地層為上覆第四系覆蓋層,下伏三疊系中統(tǒng)松子坎組一段(T2sz1)中厚層狀泥質(zhì)白云巖和泥質(zhì)石灰?guī)r互層,三疊系下統(tǒng)安順組二段和三段(T1a2+3)中厚層～厚層狀白云巖。照壁山斷層(F15)穿過基坑,斷層北盤富水性較好,南盤富水性較差。受構(gòu)造影響,基巖面起伏大,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶強(qiáng)發(fā)育。巖溶發(fā)育形式為溶蝕裂隙和巖溶管道。

為準(zhǔn)確查明基坑內(nèi)的破碎帶、溶蝕裂隙和巖溶管道的發(fā)育情況,揭示導(dǎo)水通道,為注漿止水方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料,采用了考慮道間時(shí)差相位的多道瞬態(tài)瑞雷波探測(cè)方法,在基坑開挖面及基坑外圍地表均布置了測(cè)線[7]。結(jié)果表明,無覆蓋層條件下,受富水?dāng)鄬涌刂频娜芪g裂隙和巖溶管道在瑞雷波相速度剖面上,表現(xiàn)為高速度背景中的較連續(xù)低速體。

根據(jù)探測(cè)成果對(duì)巖溶富水區(qū)進(jìn)行帷幕注漿堵水設(shè)計(jì)[8]。注漿堵水施工完成后,基坑繼續(xù)開挖,揭露的地質(zhì)斷面以及注漿形成的結(jié)石體與瑞雷波相速度成像結(jié)果(圖13)所指示的巖溶發(fā)育情況十分吻合。

圖13 瑞雷波相速度-深度剖面與開挖揭露驗(yàn)證[7]Fig.13 Rayleigh wave phase velocity-depth profile and excavation exposure photo

3 結(jié)論及討論

1)重大巖溶風(fēng)險(xiǎn),如果在勘察設(shè)計(jì)階段沒有被發(fā)現(xiàn),其風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)傳遞到施工階段;如果在施工階段沒有被消弭,其風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)傳遞到運(yùn)營階段。巖溶風(fēng)險(xiǎn)的每一次傳遞,都是安全風(fēng)險(xiǎn)的積累,嚴(yán)重者最終會(huì)轉(zhuǎn)化為安全事故。因此,針對(duì)巖溶風(fēng)險(xiǎn),所應(yīng)持的原則應(yīng)是“早發(fā)現(xiàn),精勘探,適當(dāng)超前處置”。

2)巖溶探測(cè)方案應(yīng)“先地面探測(cè)巖溶的位置、范圍、埋深等,后鉆探驗(yàn)證和補(bǔ)充,最后跨孔CT精細(xì)刻畫形態(tài)”。工勘階段應(yīng)有針對(duì)性地開展地面物探;初勘階段應(yīng)以地面物探為主,鉆探為輔,地面物探應(yīng)保持剖面連貫性;詳勘階段應(yīng)針對(duì)初勘階段成果,有針對(duì)性開展地面物探加密和跨孔CT工作,目的在精細(xì)刻畫巖溶形態(tài),為設(shè)計(jì)巖溶處置方案提供資料支撐。地面物探方法應(yīng)優(yōu)選天然源面波法、人工源面波法等彈性波法,大探深探地雷達(dá)法、直流電法、小回線瞬變電磁法等電法或電磁法。不同的物探方法在探測(cè)深度、分辨率和工作效率上具有明顯的差異性,巖溶探測(cè)應(yīng)根據(jù)具體的場(chǎng)地條件、地質(zhì)條件、施工工法和探測(cè)要求等靈活確定綜合物探方法的組合和流程設(shè)計(jì)。