岩溶地区岩土工程勘察技术的探究

乔高乾

（广东有色工程勘察设计院，广东广州510080）

我国可溶岩分布面积广大，裸露于地表的碳酸盐岩面积有91×104km2，加上覆盖与埋藏于地下的碳酸盐岩，可溶岩分布面积达344×104km2，约占35%。由于岩溶地区的地质条件相对复杂，勘察施工难度大、风险高，质量保证困难，这是岩溶地区勘察工作中普遍存在的问题，从这个角度出发，制定合理可行的勘察方案和选择合理的勘察手段至关重要。

1 岩溶地区岩土工程勘察的特点

岩溶又称喀斯特（Karst），是指水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为特征的综合地质作用以及由此产生的一系列地质现象，是一种十分常见的地质现象，属不良地质范围。岩溶地区的基岩面复杂多变，不仅有溶蚀、溶洞等不良的地质条件，而且还具有复杂而特殊的地质条件。复杂的地质条件给岩土工程研究带来了很大的困难，尤其是岩溶的埋藏条件与建筑工程场地的适宜性和稳定性直接相关。因此，如何在复杂的岩溶分布区进行岩土工程研究是许多地质学家面临的关键问题之一。岩溶地区地质勘察的主要目的是查明各种岩溶洞隙和土洞的位置、规模、埋深，岩溶堆积物性状和地下水特征，探明溶洞之间的关系及其与地下水和地表水之间的联系。

要达到岩土工程研究和设计目标的关键是要合理地选择勘察手段和方法，常见的勘察方法有地质测绘、钻探、物探、遥感及原位测试。其次是对区域地质的分析和研究。同时工程建设会损害或影响周围的地质条件，所以，还需要对周边环境进行评估、分析和研究，以便为项目的基本设计提供强有力的技术指导。

2 岩土工程勘察的原则

岩溶地质勘察一般可分为可行性研究勘察、初步勘察、详细勘察、施工勘察四个阶段。一般在可行性阶段可不进行钻探，必要时可布置少量钻孔；初勘阶段一般在物探判定的岩溶发育带和物性指标异常的部位应布置钻孔验证，同时查明岩溶的基本形态和规模、溶洞充填物的性状和地下水标高等，在桥位等构造物部位，可结合桥跨组合100m左右布置一个钻孔，岩溶不发育的可适当减少钻孔，岩溶发育的可适当增加钻孔；详勘阶段岩溶地区，勘探的重点宜在初勘已查明的岩溶发育地段布置钻孔。如果工作量受限的情况下，钻探宜采用多次实施、逐步深入的方法，即先按由外及内、由疏及密的布置原则，根据钻孔探明的岩溶发育情况，在岩溶发育段按逐步增加钻孔。

钻孔深度，以结构物类型、工程规模、岩土类别、持力层深度、桥涵及防护工程基础深度、隧道埋置深度和其它工点处理深度而定，以满足能评价项目工程的地质条件、确定适宜的基础类型和埋深要求。一般根据构造物类型具体确定。

精心组织、设计和使用先进的勘察手段和方法，确保岩溶地区的勘察精度和勘察质量，为岩土工程勘察的有效进行提供保障。由于岩溶地区的岩土工程勘察主要是对地层变化及其物理和力学特性的综合评估，帮助相关单位了解该地区岩溶发育的形态和分布，形成机理和物理力学特性。所以合理地选择勘察手段和实施方案尤为重要，它可以事半功倍，同时还可以确保岩溶地区岩土工程项目的整体质量得到提高。通过大量工程实例总结得出按照以下勘察方案的布置原则较为合理；①坚持以工程地质调绘查为先；②遵循从面到点、先地表后地下、先定性后定量、先控制后一般以及先疏后密的原则；③岩溶勘探点数量应根据勘察阶段、场地地形条件、岩溶发育程度、构筑物类型及规模，并结合物探方法、水文地质试验要求等综合确定。

3 岩溶地区勘察方法及选择

3.1 工程地质调绘

工程地质调绘是进行岩溶地区勘察的第一步。开展工程地质调绘应紧密结合工程设置，采用远观近察、由面到点、点面结合的工作方法，在地质调绘的基础上，合理、有效地布置工程勘探、地质测试工作，为线路方案比选和工程设计提供准确、可靠的地质资料。它包括地表调绘和洞穴调查两部分；地表调绘是在查清各种有关地质要素的基础上，查明场地岩溶现象与地下水的分布及运动情况。洞穴调查一是查明洞穴的形态特征和地质构造的关系，特别是顶板高度及结构面产状的测量；二是查清地下水的情况。

3.2 钻探

一般情况下，完成了根据地质调绘的结果有针对性的布置钻孔，所以钻探是开展岩溶勘察的第二步。同时钻探也是最常用的勘察方法，但所花费的时间较多，费用较高。该种方法不仅可以明确所钻位置及附近的地层情况（岩土性质、厚度、地下水位等），还可以进行钻孔的原位测试和利用钻取的岩土芯做室内测试，以便获取更多、更准确的岩土信息。

在钻探实施过程中，应特别注意的是，遇到溶洞或土洞，上层又是强透水的砂层时，如果套管未进行有效隔离，则有可能出现钻头掉落、钻头掩埋、甚至出现以钻孔为中心的地面塌陷事故，会威胁到施工设备和人员的安全。所以，岩溶地区钻探施工要使用套管壁孔钻和金刚石单作用双管旋转钻机。

3.3 物探

岩溶发育地区，应在工程地质测绘和调绘的基础上，结合钻探等其他勘探方法，在各勘察阶段开展物探工作[1]。物探的方法有很多种，在岩溶地区，针对不同的勘察目的和勘察要点需要选择相应的物探方法，下面是关于岩溶地区常见选用物探方法的特点和适用条件。

3.3.1 高密度电法

它是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法,根据在施加电场作用下地中传导电流的分布规律,推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况[2]。主要探测岩溶、土洞的大致位置与分布、地质构造、基岩面起伏。该方法的优点是：成果图（详见图1）比较直观，异常部位明显，施工方便。适用条件要求一般为：地形平坦，岩层倾角较小，岩性层差异大，探测深度一般在100～150m 以内，精度范围10%～20%，一般40～100m效果较好。

3.3.2 地质雷达法

在国企海外总体形象较好的同时，由于多种原因，部分中国企业在海外的不良商业行为和不佳社会责任表现，特别是在合规治理方面，在反商业贿赂方面，在为拿到订单而低价竞标方面，在环保、劳资、社区纠纷等方面还存在着一些问题，给西方媒体恶意炒作留下可乘之机，在一些地区加深了东道国民众对中国企业乃至中国形象的成见，不仅企业利益受损、海外发展受阻，还可能影响国家双边经贸关系，甚至不得不动用外交资源予以解决。

该方法为电磁法的一种，是近年来新发展起来的，在岩溶勘察中取得了一定的效果。该方法的优点是：比较准确地确定出地下空洞的埋藏深度、轮廓大小，而且具有很高的分辨能力，可直接探测到较小的空洞。成果图（详见图2）比较直观，异常部位明显，解释容易，施工方便。适用条件要求一般为：不受地形影响，适用于高阻地质体（溶洞充水），探测深度一般在60m以内，精度范围5%，一般10m以内效果较好。

3.3.3 面波法

图2 地质雷达成果图展示

该方法为地震法的一种，优点是：比较准确地确定出地下空洞的埋藏深度、轮廓大小，而且具有很高的分辨能力，可直接探测到较小（20～30cm）的空洞。成果图（详见图3）清晰直观，解释容易，施工方便。适用条件要求一般为：不受地形影响，探测深度一般在40～50m以内，精度范围5%，一般10～40m以内效果较好。

3.3.4 微动探测法

它是基于地层介质的不均匀性，面波在地层介质中传播时会产生频散。微动探测观测地球表面无时不在的地面振动“微动”（振幅微米量级），以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波（瑞利波）频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的横波速度结构[3]。优点是：比较准确地确定出地下空洞的埋藏深度、轮廓大小，而且具有很高的分辨能力。成果图（详见图4）清晰直观，解释容易，施工方便，抗干扰能力强。适用条件要求一般为：不受地形影响，可根据探测深度来布设采集设备，精度和深度可控。

3.3.5 跨孔CT法

图4 微动探测法成果图展示

该方法为地震法的一种，精度较高，比较准确地确定出地下空洞的埋藏深度、轮廓大小，而且具有很高的分辨能力，可直接探测到较小（20～30cm）的空洞。成果图（详见图5）清晰直观，解释容易，施工方便，但需钻探配合。

3.3.6 管波法

该方法为地震法的一种，精度较高，比较准确地确定出地下空洞的埋藏深度、轮廓大小。管波探测是利用一个勘察钻孔，探测半径可达1.2～3.0m，而且具有很高的分辨能力，可直接探测到大于30cm的空洞。成果图（详见图6）清晰直观，解释容易，施工方便，但需钻探配合。

以上6种物探方法在岩溶地区较为常用，当然还有一些方法根据场地条件、测试目的等原因也会被采用，比如多频声波法、声呐探测法等，每种物探方法的特点及适用条件见表1，我们可根据勘察目的、环境条件等因素正确选择相应的物探方法。

3.4 遥感

遥感技术是根据电磁辐射的理论，应用现代技术中的各种探测器，对远距离目标辐射来的电磁波信息进行接受，传送到地面接收站加工处理成遥感资料（图像或数据），用来探测识别目标物的整个过程，遥感图像能宏观且真实地反映地表特征和各种地质现象的空间关系，遥感影像视域广阔、信息量大，在识别岩溶地貌形态岩溶层组划分及地质构造特征等方面，具有其他勘测方法所不及的优点，尤其适用于裸露型岩溶地区。

图6 管波法成果图展示

表1 岩溶地区物探方法选用表

4 结论及建议

为了能够在岩溶发育地区把勘察工作取得满意效果，可为施工设计提供准确的数据。工程技术人员需要充分了解岩溶地区的基本特征并根据这些特征编制高效的勘察方案以及选择合理的勘察手段。

根据本文经验，针对岩溶地区勘察中的不同勘察对象和目的，我们总结提出如下方法的建议，以优化勘察方案，提高勘察效率，降低勘察成本。

（1）如果在岩溶发育的复杂区，根据现有工程勘察规范布设钻孔很难将不良地质勘察清楚，一味依靠加密钻孔来提高勘察精度的做法则会增加勘察成本、延长工期。建议通过采用合理的物探方法补充两孔之间钻探盲区的探测结果。根据物探的探测结果再针对性地布设钻孔验证，既可减少钻探工程量，也可以保证地质勘察精度，大大降低勘察成本。

（2）如果岩溶地区进行可研性勘察时或勘察经费受限时，可根据现场环境条件和勘察目的按照表1来选择合理的物探手段先进行普查，然后根据普查结果再有针对性地布置钻孔来相互验证，既可保证质量，也可满足勘察要求。

（3）如果岩溶地区进行施工勘察时，应采用钻孔结合物探方法，比如“一桩一孔一管波”的方案来替代“一桩多孔”的方案，既可以节约勘察成本，又可以缩短勘察工期。