城市轨道交通岩溶施工勘察方法应用研究

李世安 李耐宾 周华贵

(1.中铁大连地铁五号线有限公司，辽宁大连 116011； 2.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

1 概述

岩溶勘察工作一般采用钻探与物探方法相结合的方式进行，两种方法互为补充，相互印证。常规的物探方法有地质雷达、高密度电法、地震映像等，如葛双成和邵长云基于地质雷达原理及特点，研究了岩溶地层雷达波的反射特征，通过实例验证了其岩溶分布范围和充填性质探测的有效性[1]。戴前伟和冯德山对影响地质雷达探测效果的因素进行了分析，以高速公路桥址溶洞探测为例，证明了其可行性和有效性[2]。邢文宝通过对雷达数据采集、处理及解释技术的研究，分析了溶蚀破碎带、溶洞、溶沟或溶槽的雷达波反射特征[3]。蔡晶晶等将高密度电法运用在南京地铁3号线岩溶勘察中，采用人工堆土、加大电压的方式改善其接地条件，对于反演误差较大的剖面，直接利用视电阻率等值线图进行解译，取得了一定的效果[4]。蒋富鹏等在桥基、隧道岩溶勘察中采用了高密度电法，并分析了其可行性、有效性及局限性[5]。杨祥森等用地震映像法在宜万铁路沿线的岩溶隧道勘察中解译了多处溶洞和裂隙，提出了在仪器和施工场地受限时的工作建议[6]。由此可见，在干扰较小的环境下，常规物探岩溶勘察方法大多能够取得较为理想的效果，但在城市区域的场地条件下，受电磁、噪声干扰及耦合条件差等因素的影响，常规物探方法难以获得可靠的原始数据，勘探精度难以保证。跨孔弹性波CT[7-8]及跨孔电磁波CT[9]需要在钻孔内进行激发与接收，是一种岩溶探查精度较高的孔内物探方法，但在交通拥堵、管线众多的闹市区开展大面积钻探工作十分困难，且效率低、成本高。因此，以下重点研究复杂城区环境条件下，如何经济、高效、准确地进行岩溶勘察工作。

以大连某地铁的岩溶勘察为例：详勘工作揭示，该地铁隧道沿线以强-中风化石灰岩、白云岩地层为主，岩溶发育普遍。溶洞最大洞径为19.5 m，多为充填型溶洞，充填物为黏性土或全风化基岩，个别溶洞无充填。受城区勘察环境的限制，详勘钻探空白区域大，且地质钻孔布置在隧道洞身外3～5 m，揭露的地层界线、溶洞发育情况仅为“一孔之见”，无法探明两孔之间、孔周围岩溶的发育情况。岩溶发育具有隐蔽性、无规律性、连通性及不均一性等特点，详勘工作对隧道洞身影响范围内的隐伏岩溶发育揭露情况不能满足施工要求。因此，在施工阶段开展了以物探方法为主的补充勘察工作，以探明岩溶的发育位置、形态、埋深等情况，为注浆加固治理提供依据。

2 研究思路

以克服城区复杂地物及地表环境、强振动、电磁干扰源为研究前提，通过调研比选、试验分析研究，采用以地面微动与高精度瞬变电磁法为主、钻探验证与跨孔弹性波CT为辅的技术研究路线。

具体为：在车流量大、高压线及管线多、占道施工困难的繁华闹市区，采用微动探测技术方法；在干扰环境较少的郊区或山岭大埋深隧道段落，采用高精度瞬变电磁探测方法。在以上2种物探方法圈定的岩溶异常靶区进行钻探验证，并在揭露溶洞的钻孔周围布设跨孔弹性波CT，进行岩溶空间分布结构的精细探查。钻探的目的有3个：一是用于直观地揭露地层结构，二是用于跨孔弹性波CT钻孔，三是用于了解溶洞的充填类型、充填物的性状，同时进行原位测试工作，并对溶洞内的充填物进行取样。

3 技术特点

3.1 微动探测

通过二维台阵方式布设低频检波器，采集各种微弱振动信号。高频微动信号是工程勘察研究的重点，其瑞雷波的能量占信号总能量的70%以上，携带有丰富的浅层地质结构信息[10-13]。依据平稳随机过程理论，采用空间自相关法(SPAC)从微动信号中提取瑞雷波相速度频散曲线，经反演获得地下介质的横波速度结构，进而研究地下目标体的性质。主要优点为：利用天然场源，无需人工激发源，抗干扰能力强，采集装置灵巧，采集时间短，是一种快速、经济、环保、无损的地面勘探方法，特别适用于城市强干扰环境。

3.2 高精度瞬变电磁

高精度瞬变电磁法是基于小框源中心回线方式的瞬变电磁测深方法。向2个直径相同、平行共轴的线圈内，分别供以方向相反、大小相等的电流，在双线圈源合成的一次场零磁通的平面上接收地下纯二次场[14-15]，通过研究随时间变化的二次场衰减特征，达到探测地下目标体的目的。主要优点为：抗干扰性强，效率高，成本低，浅层分辨率高(0～100 m)，适合电磁干扰较小的城市工作环境。

3.3 跨孔弹性波CT

在2个钻孔内分别激发和接收弹性波，观测弹性波在穿越地下不同介质时的走时、能量和波形的变化，根据初始速度模型和初至时间，反演、重建地质体的内部结构图像，其分辨率高，可靠性强，主要用于隐伏岩溶空间分布形态的精细探测。

4 方案实施

4.1 测区地球物理特征

根据详勘资料，溶洞的波速、电阻率与围岩之间存在明显的物性差异(见表1)，具备开展微动、高精度瞬变电磁及跨孔弹性波CT方法的地球物理条件。

表1 主要介质物性参数统计

4.2 参数设计与数据采集

(1)微动探测

采用半径为3 m的正五边形阵列观测系统，测点间距为5 m， 单点采集时间为15 min，采样率为8 ms，陷波为50 Hz。记录仪为美国Geometrics公司生产的NZ-XP高精度地震仪，检波仪为主频2 Hz的三分量检波器。

(2) 高精度瞬变电磁

测点间距为5 m，单点采集时间为5 min，发射频率为25 Hz，接收频率为625 000 Hz，叠加400次。采集仪器为国产HPTEM-08 型高精度瞬变电磁系统。

(3) 跨孔弹性波CT

钻孔间距控制在20 m左右，接收信道数为24道，接收点距与激发点距均为1.0 m，采样间隔为0.833 μs，叠加次数为5次。记录仪为美国Geometrics公司生产的NZ-XP高精度地震仪，检波仪为2套国产CH3型高灵敏度12道声波探头，震源为德国Geotomographie公司生产的IPG5000电火花震源。

4.3 数据处理技术关键

(1) 微动探测

采用空间自相关法处理微动数据时[16]，首先剔除干扰明显的微动信号记录段，然后分别计算各个频率成分中心点与其它测点之间的空间相关系数并进行方位平均，最后用各观测半径的自相关系数计算瑞雷波相速度频散曲线。给定初始模型后，采用遗传算法对频散曲线进行反演，求得S波速度结构。

(2)高精度瞬变电磁

高精度瞬变电磁的数据处理主要包括数据预处理、全区视电阻率计算及电阻率反演。数据预处理：采用最小二乘法对噪声干扰数据进行曲线拟合，剔除畸变点，保持衰减曲线的圆滑、连续性。采用“分阶段搜索法”计算全区视电阻率[17]，实现浅层电性结构的连续追踪。优化反演：以基于全区视电阻率“烟圈”的直接反演结果作为初始模型进行约束。

(3)跨孔弹性波CT

其数据的处理流程主要为拾取初至时间、计算射线平均波速及反演波速影像。根据钻孔资料及射线平均波速综合估算的初始模型，反演跨孔剖面波速影像。

5 典型成果分析

5.1 微动成果

在环境复杂的城区段落采用地面微动探测方法。沿隧道左、右线的中线各布设微动测线1条，选取某盾构区间的1条微动测线(标识为T1)成果进行分析阐述。T1测线长145 m，点距5 m，共计30个测点(如图1)。

图1 T1测线及溶洞异常平面位置

图2 T1测线微动视S波速度剖面

由图2可看出，浅表层低速异常(Vs<300 m/s)为素填土、粉质黏土类第四系覆盖层的反映，厚1.4～7.7 m，覆盖层厚度变化较大。在测点WD-7与WD-9之间、深度17.5～14.5 m处，存在1处明显的低速圈闭异常；在测点WD-23与WD-24及WD-26与WD-27之间，呈现3处相对低速闭合异常，结合地质资料，推测为4处溶洞异常发育区，分别标识为WRD-1、WRD-2、WRD-3及WRD-4。3个钻孔(ZK-1、ZK-2、ZK-3)的验证结果(如表2)表明：微动推测的结果均得到了验证，与钻探揭露情况基本一致，顶板最大误差为1.5 m，底板最大误差为1.3 m。WRD-2与WRD-4溶洞异常位于隧道顶板附近，易造成顶板垮塌。因此，需要布设跨孔弹性波CT，以探明溶洞发育规模。

表2 微动成果与钻探结果对比统计 m

5.2 高精度瞬变电磁成果

结合工区地下管线图并经现场排查，在无地下管线及地上电缆线的郊区段落开展地面高精度瞬变电磁岩溶探查工作。沿隧道左、右线中线各布设1条高精度瞬变电磁测线，选取某盾构区间1条高精度瞬变电磁测线(标识为T2)成果进行研究分析。T2测线长105 m，点距5 m，共计22个测点(如图3)。

图3 T2测线及溶洞异常平面位置

图4 T2测线高精度瞬变电磁电阻率反演剖面

由图4可看出，浅表层明显的低阻异常(ρs<240 Ω·m)为第四系覆盖层素填土、粉质黏土的反映，覆盖层厚约12 m，厚度较大，起伏变化不大。在测点TM-8与TM-10、测点TM-13与TM-15位置处存在明显的低阻圈闭异常，结合地质资料，推测为溶洞发育区，分别标识为TRD-1、TRD-2。 2个钻探孔(ZK-4、ZK-5)的验证结果(如表3)表明：推测的2处溶洞均得到了验证，在深度方向上误差稍大(底板最大误差为4 m)，但能够反映出地下隐伏溶洞的存在。一般情况下，高精度瞬变电磁对溶洞顶板埋深的探测精度优于底板。在配合钻孔及跨孔弹性波CT精细探查的前提下，高精度瞬变电磁法仍是一种快速、经济的城市岩溶勘察方法。

表3 高精度瞬变电磁成果与钻探结果对比统计 m

5.3 跨孔弹性波CT成果

微动与高精度瞬变电磁成果仅为测线下方地质纵断面的解释，要查明岩溶的空间展布形态、规模及其与隧道结构的位置关系等准确信息，还需要开展跨孔弹性波CT探测工作，以便为岩溶注浆加固处理工作提供更加准确、翔实的资料信息。

选取T2测线高精度瞬变电磁2处溶洞异常(TRD-1、TRD-2)布设跨孔弹性波CT工作。布设CT钻孔6个(如图5)，编号CTZK-1至CTZK-6，同时利用ZK-4与ZK-5钻孔，共计完成跨孔弹性波CT剖面14对。以跨孔弹性波CT剖面CTZK-1～ZK-4～CTZK-5～ZK-5～CTZK-3为例进行分析阐述。

从图6上看，存在2处明显的被高速度围岩包裹的低速异常条带区，推测为溶洞边界发育范围。2处宽条带状溶洞边界范围自隧道顶板上方溶蚀发育至底板下方附近。根据钻孔ZK-4与ZK-5的揭露，溶洞为全充填型溶洞，充填物为粉质黏土，标贯为6～7击。该类溶洞极易引起盾构机载头陷落、刀盘磨损等安全事故。根据14对跨孔弹性波CT剖面成果，综合推断了溶洞平面发育形态(见图5、图6)，为岩溶注浆加固处理提供了依据。

图5 T2测线跨孔弹性波CT剖面及溶洞异常平面分布

5.4 成果综述

大连某地铁的岩溶补勘工作主要以微动探测方法为主，局部小范围采用了高精度瞬变电磁法，共计推断溶洞异常209处。根据微动与高精度瞬变电磁成果资料，梳理出位于隧道顶底板6 m范围内的溶洞异常(洞径>3 m)22处。钻孔验证表明，其中16处钻孔揭露出溶洞，钻探验证吻合率为72.7%；其余6处为溶蚀破碎区，岩芯溶蚀破碎，裂隙发育。

图6 T2测线跨孔弹性波CT层析成像色谱

6 结论

采用微动探测技术、高精度瞬变电磁、跨孔弹性波CT及钻探方法，对大连某地铁岩溶发育情况进行了综合研究分析，得到如下结论：

(1)在复杂的城市环境条件下，微动探测技术可以取得较为准确、可靠的探测成果，其抗干扰能力及场地适应性强，采集时间短，效率高，是一种技术先进、经济高效、环保无损的城市强干扰环境下的岩溶勘察方法。

(2)高精度瞬变电磁受制于电磁环境干扰，在城区应用具有局限性，但在干扰较少的郊区地段亦能表现出良好的岩溶探测能力，配合钻孔、跨孔弹性波CT方法，可充分发挥其快速、经济的优点。

(3)应预先考虑城市轨道交通沿线环境的复杂程度及岩溶发育程度，合理选用微动探测技术、高精度瞬变电磁、跨孔弹性波CT及钻探综合勘察模式中的3种或4种组合方法，可极大提高勘察精度与效率，降低勘察成本。