巖溶地質(zhì)勘察及對隧道工程的改造方案分析

摘要：地質(zhì)勘探是物探技術(shù)的一種，該技術(shù)通過測量地震波在地下巖層中的傳播速度和反射情況，從而推斷地下巖層的情況。為了準(zhǔn)確地勘探施工區(qū)域的地層環(huán)境，研究采用鉆探和物探相結(jié)合的方式對巖溶區(qū)域的地質(zhì)進(jìn)行勘探，并根據(jù)勘探數(shù)據(jù)采用數(shù)值模擬方法對施工關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，為工程規(guī)劃和施工提供參考。研究對鉆探、物探結(jié)果進(jìn)行綜合對比，得到了該地區(qū)更詳細(xì)的地質(zhì)特征，并對樁基構(gòu)建過程中柱深與軸力的模擬值和實測值進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明誤差最小僅為0.21 kN，平均誤差為5.17 kN，該結(jié)果進(jìn)一步佐證了研究提出的勘探方法以及數(shù)值預(yù)測方法具有可行性。

關(guān)鍵詞：巖溶地 地質(zhì)勘探 隧道施工 樁基建造

中圖分類號：TE122. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Karst Geological Exploration and Analysis of Renovation Plans for Tunnel Engineering

CAO Gengshuo CAO Xingfu

248 Geological Briqade of Shandong Nuclear Industry，Qingdao ，Shandong Province，266041 China

Abstract： Geological exploration is a type of geophysical exploration technology， which infers the condition of underground rock strata by measuring the travel speed and reflection of seismic waves in underground rock strata. In order to accurately explore the stratum environment of the construction area， this studies uses a method of combining drilling and geophysical exploration to explore the geology of the karst area， and based on exploration data， it uses the numerical simulation method to predict key construction parameters， which provides reference for engineering planning and construction. This study conducts a comprehensive comparison of drilling and geophysical results， obtains the more detailed geological features of the region， and analyzes the simulated value and measured value of column depth and axial force during pile foundation construction. Analysis results indicate that the minimum error is only 0.21 kN， and that the average error is 5.17 kN， which further confirms the feasibility of the exploration method and the numerical prediction method proposed in the study.

Key Words： Karst region; Geological exploration; Tunnel construction; Pile foundation construction

巖溶地是由地下水溶蝕作用形成的一種地貌類型，具有獨特的地質(zhì)和地貌特征。巖溶地的形成過程受到地質(zhì)、氣候、水文等多種因素的影響，使得其地質(zhì)條件異常復(fù)雜，地下洞穴系統(tǒng)繁多，地質(zhì)結(jié)構(gòu)脆弱，這些特點給工程建設(shè)，尤其是隧道工程帶來了諸多挑戰(zhàn)[1]。由于巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件多變，傳統(tǒng)的工程勘察和設(shè)計方法往往無法直接適用于這里的隧道工程。此外，由于巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件脆弱，隧道施工過程中容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，如地面塌陷、洞頂崩塌等[2]。為了確保隧道工程的可靠性和安全性，此次研究采用鉆探和物探相結(jié)合的方法對巖溶地的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘探，并利用數(shù)值模型預(yù)測隧道施工的參數(shù)，為工程規(guī)劃和施工提供有效的參考信息。此次研究創(chuàng)新點在于采用了巖芯管鉆探和物探兩種方式勘探施工地域土層情況，為工程規(guī)劃和施工提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

1 巖溶地隧道工程方案分析

1.1 巖溶地勘探技術(shù)優(yōu)化設(shè)計

巖溶地是指由于地下溶蝕作用而形成的地貌類型。它主要存在于石灰?guī)r、石膏巖、大理石等可溶性巖石地區(qū)。巖溶地地貌獨特，包括洞穴、峰叢、溶洞、溶谷、塌陷地等。巖溶地與常見的地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在較大差異，因此在巖溶地上的施工也存在一定差異。通常巖溶地區(qū)的隧道工程需要格外注意樁基附近的土層結(jié)構(gòu)，因此施工前需要進(jìn)行嚴(yán)格的勘探和分析。目前常見的勘查方法包括地質(zhì)鉆探、地下水位監(jiān)測、地下洞穴勘查等。地質(zhì)鉆探是最常用的地質(zhì)勘探方法，該方法通常在需要鉆探的地區(qū)進(jìn)行定位布孔，再利用鉆機(jī)進(jìn)行鉆探。進(jìn)行地質(zhì)鉆探的目的是對巖土進(jìn)行取樣，并對鉆探周邊土層的種類、厚度、力學(xué)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析，從而確定該地區(qū)是否符合建筑要求[3]。在建筑中常用到的鉆探技術(shù)包括反循環(huán)式鉆探技術(shù)、繩索取芯鉆探技術(shù)、液動錘鉆探技術(shù)。此研究在對上述鉆探技術(shù)進(jìn)行綜合考量后選取反循環(huán)式鉆探技術(shù)對隧道工程的施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘探，反循環(huán)式鉆探技術(shù)示意圖如圖1所示。反循環(huán)式鉆探技術(shù)主要有兩種作業(yè)環(huán)境，一種為鉆探過程需要保持地層的原始狀態(tài)，此時使用空氣作為鉆探介質(zhì)可以減小對周邊土層性質(zhì)的改變，而在鉆探地層中存在易燃?xì)怏w或可燃性物質(zhì)時則更多使用水作為介質(zhì)。反循環(huán)式鉆探技術(shù)通過維持高壓氣體環(huán)境或液體環(huán)境來產(chǎn)生反循環(huán)流動，從而快速而有效地排出鉆屑和碎屑，提高鉆探效率，并且對地層的干擾較少[4]。

管波探測也是勘查土層物理性質(zhì)的常見方法，該方法通常需要對勘探區(qū)域進(jìn)行選址打孔，再利用管波產(chǎn)生一種特定頻率的地震波來進(jìn)行探測[5]。地震波返回的信號可以用來確定地下結(jié)構(gòu)的位置、尺寸和性質(zhì)。此外，溶蝕裂隙是由于地下水的溶蝕作用而形成的，這些裂隙可以影響地下水的流動路徑和水力特性。管波探測法可以探測到這些裂隙的存在和分布情況，從而更好地理解地下水的流動，為隧道工程的實施提供相關(guān)參考和依據(jù)。

1.2 巖溶地隧道工程改造方案設(shè)計

在巖溶地環(huán)境下的時空可能面臨地下空洞的坍塌、洪水、涌水等問題可能會導(dǎo)致工程事故或損壞。因此，巖溶區(qū)域的隧道施工在制定方案時，需要綜合考慮巖溶洞穴、裂隙等因素，并采取相應(yīng)的措施，以確保改造后的隧道工程能夠安全、穩(wěn)定地運行。此次研究以某地區(qū)地鐵4號線二期工程為例，該工程全程長為16.74 km，工程涉及面積為2.694 hm，設(shè)置站點16個。該期工程站點之間最小間距為0.747 km，最大間距為2.039 km。巖溶地隧道工程改造方案首先需要對工程地質(zhì)進(jìn)行調(diào)研，此次調(diào)研采用鉆探工具采用XY-100型工程鉆機(jī)，并選取地勢平坦的地方進(jìn)行開孔，開孔直徑約為150 mm。巖芯管在進(jìn)行鉆探時，其采取率不應(yīng)低于75%。此次研究區(qū)域計劃鉆孔600個，其中原位試孔291個，取土孔為309個。

物探技術(shù)可以提供關(guān)于地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水位、地下巖層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性等方面的信息。此次研究選用的物探儀器為Novocontrol Alpha-A電測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于測量地下電阻率分布，以揭示地下巖層的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)[6]。該儀器的主要參數(shù)包括單向電壓、電極間距、電位差測量等。研究將該儀器單向電壓設(shè)置為180 V，電流類型為直流電，電源脈沖速度為0.5 s，電源每秒切斷一次，因此，巖層電阻率計算如式（1）所示。

（1）

式（1）中，為電源間隔系數(shù)；為圓周率；為電極間距；為電壓變化值；為測量出的電流值。電阻率的測試采用原位測試，測試過程需要做貫入試驗，貫入試驗需要預(yù)先鉆孔0.15 m，再擊打貫入0.3 m。此外在貫入時還需記錄每貫入0.1 m所需的擊打數(shù)，并將實際擊打數(shù)與預(yù)測數(shù)進(jìn)行比較，從而得出土層狀況。巖溶地層樁基的設(shè)計也對隧道工程具有較大的影響。為了應(yīng)對施工區(qū)域復(fù)雜的土層情況，研究采用人工挖孔樁和鉆孔灌注樁兩種施工方式協(xié)同進(jìn)行。人工挖孔樁工序簡明且靈活，可以應(yīng)對較為復(fù)雜的情況，但對于地質(zhì)條件較差的情況效果并不好，因此該工程主要鉆孔灌注樁為主，部分隧道段采用人工挖孔樁。

2 巖溶地地質(zhì)條件穩(wěn)定性和樁基情況評價

研究根據(jù)上述兩種地質(zhì)勘探方式對施工區(qū)域進(jìn)行了土層結(jié)果分析，由地質(zhì)勘探結(jié)果可以得出，該期工程范圍內(nèi)基巖大多為可溶性鹽巖，且規(guī)劃路線上存在較多溶蝕裂縫以及較大的溶洞。研究共鉆探600個探孔，其中244個探洞測出溶洞，鉆探出溶洞的概率為40.67%。在所有探孔中，對樁身穩(wěn)定性、承載能力有影響的溶洞共159個。鉆探中發(fā)現(xiàn)的溶洞最大直徑達(dá)到了13.71 m，最小的為0.42 m，其余溶洞直徑均在3 m以內(nèi)，較大的溶洞具體情況如表1所示。根據(jù)鉆探結(jié)果可以得出施工區(qū)域地勢較平坦，工程相關(guān)區(qū)域的地基土類型屬于高硬土并摻雜部分易被腐蝕的熔巖，無不可塑土和膨脹土層分布。

運用鉆探和物探的數(shù)據(jù)生成數(shù)值模型模擬出的最佳柱深與施工過程測量的實際柱深數(shù)據(jù)對比如圖2所示。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，實測出的軸力大多高于模擬出的預(yù)測值。這是由于現(xiàn)場工況和巖溶地地質(zhì)條件較為復(fù)雜，且存在氣候環(huán)境的影響，因此實際測得的樁基軸力值要大于模擬值。從數(shù)值模擬預(yù)測的結(jié)果來看，對應(yīng)柱深承受的軸力平均誤差約為5.17 kN，該誤差在可接受范圍內(nèi)，這進(jìn)一步驗證了數(shù)值模擬預(yù)測樁基深度的可行性。

3 結(jié)論

巖溶地質(zhì)區(qū)域存在溶洞、地下水通道等特殊地質(zhì)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能對地下工程建設(shè)帶來風(fēng)險。因此研究采用鉆探和物探兩種方式對施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘探，并對比兩種勘探結(jié)果的契合度，進(jìn)而確定土層狀況。經(jīng)數(shù)值模擬結(jié)果驗證，上述地質(zhì)勘探方法通過對地層結(jié)構(gòu)的勘探得到了相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。研究將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)值模型中成功預(yù)測出了樁基建造的深度與軸力關(guān)系，在預(yù)測數(shù)據(jù)中，誤差最小僅為0.21 kN，最大為12.48 kN，均在要求的誤差范圍內(nèi)。因此，研究提出的工程改進(jìn)方法在理論和實際應(yīng)用中均表現(xiàn)出良好的效果。但研究未考慮氣候等因素對工程的影響，因此，后續(xù)需要繼續(xù)優(yōu)化和完善該方法，以實現(xiàn)更精確地預(yù)測和更高效地施工。

參考文獻(xiàn)

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