钻探与物探在岩溶勘测中的综合应用

郑江波

(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308)

据资料显示,全球岩溶面积约2 200×104km2,占地球陆地面积的15%,而中国岩溶面积约346.3×104km2,占我国国土面积的1/3,岩溶的勘测处理已经成为地下隧道工程中的重要问题。 岩溶勘测的主要方法有钻探、物探等,如果仅仅考虑单一的方法,容易导致勘测结果不准确[1 2]。

1 概述

岩溶学主要研究以碳酸盐岩为主的可溶岩地区的岩溶作用,以及其形成的岩溶地貌、岩溶资源和岩溶环境,是地质学与地理学的交叉学科。

近年来,岩溶学的研究发展迅猛。 20 世纪末,袁道先等建立了岩溶动力学重点实验室,加深了对岩溶动力学系统及其运行规律的理解,从而逐渐形成了岩溶动力学基本理论。 西南岩溶地区的地质调查与地下水开发示范方面成果显著[35]。

在勘察阶段,如何对岩溶及相关的突水、突泥问题进行有效的预测,并提出相应的设计对策是勘察设计人员的头等大事[67]。 以广州市地铁某车站为例,对采用钻探和地震CT 相结合的综合勘探方法进行研究。

2 场地岩土工程特性

2.1 区域地质概况

场地位于广花凹陷构造区。 广花凹陷处于广从断裂以西、广三断裂以北,包括了华岭一带的西北向断层及其以东的花都、江南、竹料等区域。 主体构造为北东向,由上古生界及其褶皱和伴生的断裂,以及二叠系和古近系向斜盆地构成[89]。 本区第四系地层主要由上更新统和全新统人工填土、冲洪积砂层、冲洪坡积土层和残积层组成,下伏基岩主要为石炭系、二叠系、三叠系和古近系碎屑岩和碳酸盐岩,岩性有灰岩、泥灰岩、炭质灰岩、炭质泥岩,或页岩、砂岩、泥岩、砾岩、灰质砾岩等。 构造区内不良地质主要为岩溶,其他不良地质有断裂和风化槽等。

2.2 岩土分层及其特征

依据收集的资料及本次勘察情况,场地各岩土分层及其特征如下。

主要为耕土、素填土,局部为杂填土,颜色以灰褐色为主,成分以黏性土为主,松散,稍湿-饱和。

①淤泥层

深灰色、灰黑色,呈流塑状,主要由黏粒及有机质组成。

②淤泥质土层

深灰色、灰黑色,呈流塑状,主要由黏粒及有机质组成,局部含较多粉细砂,具滑腻感和腥臭味。

③粉细砂层

灰色、灰褐色,松散状为主,局部呈稍密状,主要由粉细粒石英砂组成,级配不良,局部夹少量淤泥、黏粒。

④中粗砂层

灰色、灰褐色,松散-稍密状,主要由中粒石英砂组成,局部夹较多淤泥质、黏粒,底部粒径稍大,级配不良。

⑤粉质黏土层

灰褐色,软塑状为主,部分呈流塑状,主要由黏粉粒组成,土质较均匀,黏性较好,局部粉粒较多。

①砂层

呈浅黄色、灰色,主要成份为石英,饱和,分选性一般,级配不良,含较多黏粒和中砂,局部夹中砂薄层。

②流塑-软塑状粉质黏土层

呈黄色、红色等,主要由粉质黏土组成,局部为黏土,含少量砂粒。

③可塑状粉质黏土层

呈灰色、肉红色、灰白、褐黄、青灰色,主要由粉黏粒组成,土质较均匀,局部含砂粒。

④硬塑状粉质黏土层

土黄色,主要成分为黏粉粒,干强度及韧性高。

⑤淤泥层

深灰色,流塑,含少量有机质或粉细砂,局部为淤泥质土。

⑥淤泥质土层

深灰色,流塑,含少量有机质或粉细砂,偶见贝壳。

①灰岩残积土层

黄色,软塑-流塑,含较多岩屑,本层零星分布。

②粉质黏土层

浅红色、灰黄色,可塑,干强度高,断续分布于基岩面以上。

③粉质黏土层

暗黄色,硬塑,含少量中细砂,本层零星分布。

(5)中风化岩层(C1ds)

主要为中等风化石灰岩,浅灰色、灰黑色,隐晶质结构,中厚层状构造,溶蚀现象及方解石脉发育,岩芯呈短柱状、扁柱状,碎块状,节长10 ～15 cm,RQD=20% ～30%,部分裂隙面见灰黑色炭质,属于较软岩,岩体较破碎。

(6)微风化岩层(C1ds)

主要为微风化石灰岩,灰黑色、灰白色、灰色,隐晶质结构,中厚层状构造,主要矿物成分为方解石。 节理裂隙稍发育,方解石脉稍发育,取芯以中、长柱状为主,局部为短柱状、块状,RQD=40% ～75%,部分裂隙面见灰黑色炭质。 锤击声脆,属较硬岩,岩体较完整。

(7)溶洞和土洞

①溶洞

充填或半充填、无充填,充填物一般为流塑-软塑状粉质黏土,夹粉细砂及岩屑,主要发育于浅层岩层,深部岩层溶洞发育较少。 本次施工勘察钻孔共有10 孔揭露,见洞率达50%,平均层厚3.10 m。

②土洞

充填流塑状泥浆或粉细砂等,充填物较杂,或者半充填,充填物多为顶板垮塌松散堆积物。 本次施工勘察钻孔共有4 孔揭露,平均层厚2.3 m。

3 岩溶勘探

3.1 钻探布置方案

在车站主体结构左右线各布置一排钻孔(布置于每幅连续墙中间位置),钻孔间距为12 m,左右线交叉错开(见图1)。 图1 中,红色实心圆圈为钻孔,钻孔深度一般情况下应达到连续墙底部5 m 以下,如遇溶洞,必须贯穿溶洞底进入完整岩3 m 以上,且保证溶洞贯穿上下基岩累计达5 m 以上。

3.2 地震CT 布置方案及分析原则

(1)地震CT 布置方案

地震CT(弹性波CT)法的基本原理为:在第一个孔内利用激发器发射弹性波,到达第二个孔后被检波器接收,之后在波形记录上拾取弹性波在钻孔间的传播时间,获得初至波走时,然后通过求解大型矩阵方程来反演钻孔之间的速度剖面图像,从而获得地下地层结构的速度信息。

根据场地内钻孔施作情况,弹性波CT 剖面在相邻钻孔之间布设,孔间距不超过30 m。 本次布设的CT剖面孔间距为15 ～26 m(见图2)。

图1 钻孔平面布置

图2 地震CT 测线平面布置

(2)成果分析原则

①在弹性波CT 剖面成果中,依据横波、纵波速度的变化梯度(辅以钻孔)揭示岩性界面,标定分界P 波速度值,以此标定值划分岩性界线。

②在弹性波CT 剖面成果中,无钻孔段落应沿成果剖面色阶线绘制岩性界线;当出现较大片状、带状低速异常区(横、竖向梯度变化较大)时,可推测为溶蚀发育区。

③在弹性波CT 剖面成果中,若出现较明显的低速闭合或半闭合区域,可依此圈定出被高速围岩包裹的低速异常体或弱风化岩面的低速下凹区(横向梯度变化剧烈区),可推断为溶洞。 考虑到物探体积效应、探测误差及反演计算模型网格间距,圈定的溶洞界限可能比实际范围略大。

3.3 岩溶勘测成果

本次勘察钻孔揭露溶洞共计10 孔,见洞率高达50%,最大溶洞高度为11.1 m,由流塑状黏土及岩石碎屑等全充填,稍漏水。 分布情况见表1。

表1 溶洞统计

本次地震CT 共完成了37 对弹性波CT 剖面。 通过分析对比CT 剖面成果中的纵波速度值差异及分布状态,并参照地质钻孔资料,对地层土石界面做出了比较清晰的划分[1012]:在弱风化基岩面以下,共推测溶洞32 处,溶洞高程范围基本在 7.5 ～29.8 m 之间(个别溶洞深度超出CT 探测范围),横向宽度基本在1.5 ～73.6 m,各溶洞之间连通复杂、无规律。

对地震CT 的结论,要根据钻探揭露的地质情况进行修正,方可得出比较合理的解释及说明(见图3)[1315]。

图3 岩溶发育区域平面

3.4 岩溶勘测成果验证方案及结论

(1)验证目的

①通过有效的验证方法评估物探成果的可靠性与准确率。

②根据验证结果复解、修正物探成果,使物探成果更准确、客观地反映溶洞发育状态。

③根据验证结果为后期的治理提供思路和依据。

(2)验证区域选择

①孔间弹性波CT 方法受干扰因素较少,可靠度高,验证区域应选择具有重大地质安全隐患的溶洞异常区。 在验证的基础上,可直接利用已有钻孔进行治理。

②验证区域应合理分布,兼顾岩溶强发育区及中等或弱发育区。

③验证区域的数量根据溶洞异常区数量及发育程度确定。

④对于边墙位置的CT 剖面溶洞异常,可根据后续详勘一墙两钻、CT 孔及探边孔的钻探资料加以验证[16]。

(3)验证方法与验证孔布设

物探成果验证方法主要采用钻探手段,根据钻孔揭露溶洞、溶蚀位置、规模及发育程度等实际地质情况,综合评估物探成果的可靠性与准确率。

在确定的物探验证区域,即溶洞异常的中心位置布设验证孔。

(4)验证结论

根据钻探取芯结果分析,本次地震CT 探测出的岩溶发育区域均揭露有溶洞,只是溶洞深度上存在较小的差异。

4 结论及建议

(1)本次综合勘测结果表明,本场地内岩溶发育且集中,基岩上砂层较厚,工程建设活动可能导致岩溶地面沉降或塌陷、基坑边坡坍塌等地质灾害。 在地铁施工前,必须对岩溶区域进行处理。

(2)根据本次勘测中揭露的场地地质情况,下套管时要保证达到基岩面以下(穿越溶洞),为物探提供施作条件;在物探施作过程中,场地范围内噪声不应过大,仪器操作应准确规范。

(3)建议采用灌注双液浆等方法处理连通性强的溶洞,并封闭溶洞间水力通道;对于结构底板以下0 ～10 m、侧壁附近0 ～5 m、洞高2 ～5 m 的溶洞,可采用吹砂、填充骨料、灌注砼、压力注浆等方法处理;可采用压力注浆等方法处理隧道影响范围内所有宽度大于1 m的溶沟、溶槽。

(4)建议采用钻孔取芯的方法对注浆效果进行严格的检验,如发现注浆效果较差的区域,应重新对该区域进行地震CT 探测。

5 存在问题

(1)由于弹性波CT 方法本身的局限性,探测剖面中还可能存在未被识别或遗漏的规模较小的溶洞。

(2)弹性波CT 剖面是二维剖面,无法揭示溶洞的三维空间规模,将影响后续溶洞体积的估算。

(3)溶洞的充填情况需根据钻孔资料确定,弹性波CT 成果无法直接反映溶洞充填情况。

(4)由于溶洞发育的不规则性,注浆处理难以一次到位,故需要探测、处理有序进行,切不可为了节约成本,在溶洞处理未达标的情况下贸然施工,造成更大的损失。