综合勘察方法在城市地下车站岩溶勘察中的应用

万小乐

（中国地质环境监测院，北京 100081）

岩溶（又称喀斯特）是可溶性岩石在水的溶蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称（李志毅等，1994）。近年来，随着城市规模的不断扩大，城市轨道交通建设愈发兴盛，但面临的工程建设条件也愈加复杂。岩溶作为一种常见的不良地质现象，对城市轨道交通工程的设计、施工和后期运营的危害越来越明显（王其合，2021）。岩溶的存在常常会引发围护结构坍塌、漏水，基坑基底突涌，地表沉降过大等风险（王忠忠等，2022），因此如何更好地开展岩溶勘察工作成为亟待解决的重要问题（潘凯等，2017）。

由于岩溶的发育具有极大的随机性和不确定性，仅靠传统的工程地质钻探难以掌握整个场地内的岩溶发育情况，因此在实际探测中往往采用地球物理勘探和工程地质钻探相结合的方式（Tan et al.，2012），两者相互补充，相互验证，从而达到查明场地内岩溶发育特征的目的（刘存林等，2021）。目前进行岩溶勘察常用的物探方法有地质雷达法、浅层地震法、高密度电法、瞬变电磁法和跨孔CT法等（袁细平，2021）。由于每一种物探方法的应用均有一定的适用条件和局限性，因此需要结合工区周围环境、地质情况、地球物理特征及存在的限制条件，因地制宜采用适合的勘探方法（谢嘉等，2021）。

深圳市区某地下车站工程拟建场地内建筑物较多、地下管线密布，地表多以城市硬化路面为主。硬化路面的存在阻碍了物探电极的布设，此外受空间限制以及各种电磁、振动干扰的影响，传统的钻探和物探方法难以取得可靠的效果。为了在这种复杂条件下获得更加准确、可靠的探测结果，本文以满足工程建设的实际需要，经综合分析比选后采用结合工程地质调绘、工程地质钻探、等值反磁通瞬变电磁法和跨孔弹性波CT手段的综合勘察方法，查明了车站范围内岩溶的分布、形态和规模等发育特征，为后续的工程设计、施工提供可靠的地质资料，也为类似的工程勘察提供了一定的参考作用。

1 工程概况

拟建地下车站位于深圳市龙岗区，沿龙翔大道呈西南-东北向敷设，为2层地下岛式车站，起点里程为DK 58+272.00，终点里程为DK 51+121.00，全长849 m。车站结构型式为矩形框架，采用明挖法施工。车站属于冲洪积平原地貌单元，地形较为平坦，场地标高33.67～36.845 m。拟建场地内以城市主干道路为主，道路两侧分布有居民住房、商铺、工业区和办公楼等建筑物。

1.1 工程地质概况

根据前期勘探资料揭示，拟建地下车站场地内地层岩性复杂，表层覆盖层主要为第四系人工填土、冲洪积淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂以及残积粉质黏土，下伏基岩为石炭系下统测水组粉砂岩和灰岩。灰岩中发育覆盖型岩溶。

场区地处华南褶皱系南缘，隶属湘赣粤褶皱带之惠阳凹陷。根据搜集到的区域地质资料揭示，拟建车站北方向约600 m见龙城断裂组次级断裂F1253，产状为走向北东50～60°，倾向南东，倾角50～70°，性质为左旋斜冲，发育在下石炭统测水组中，为非活动性断裂，对拟建场地影响较小。

1.2 地球物理特征

表1为钻孔纵波测试结果，可以看出：粉质黏土和砂土根据密实程度和塑性状态不同纵波波速会有所变化，但一般在2000 m·s-1以下；完整基岩的纵波波速一般在4000 m·s-1以上；溶蚀基岩的纵波波速为2500～4000 m·s-1；而溶洞内纵波波速一般为1500～2500 m·s-1，由此可见完整基岩与溶洞间存在明显的波速差异，而这种差异的存在，为开展跨孔弹性波CT测试提供了良好的物性条件。

表1 场地内主要地层纵波平均速度Tab.1 P-wave average velocity in main strata

此外根据场地内开展的井内视电阻率试验，场地内完整灰岩的电阻率值在1000 Ω·m以上；溶蚀灰岩的电阻率值为100～300 Ω·m；溶洞内充填物的电阻率值为10～100 Ω·m；第四系覆盖层电阻率在100 Ω·m以内，完整灰岩与岩溶发育区之间存在较大的物性差异，因此场地内具备开展等值反磁通瞬变电磁法物探探测的基本条件。典型钻孔的井内视电阻率成果见图1。

图1 典型钻孔视电阻率试验成果图Fig.1 Results of borehole apparent resistivity test

2 综合勘察方法

根据对前期勘察成果的分析和工程地质调绘的成果，本次勘察将分为普查和详查2个阶段。普查阶段采用地面物探的方式，初步查明场地内岩溶的发育情况并为钻孔布置提供指导；详查阶段则采用孔中物探的方式，目的是详细查明岩溶的发育情况。由于工程场地内建筑物密集，地表以城市硬化路面为主，各种电磁、振动干扰非常强烈，因此传统的地面物探手段如高密度电法、地质雷达、地震勘探等很难有效地开展探测工作。经过现场试验和分析，地面物探采用等值反磁通瞬变电磁法，孔中物探采用跨孔弹性波CT法。

2.1 等值反磁通瞬变电磁法

瞬变电磁法是一种常用的地球物理勘探方法，其原理是利用脉冲电流激发地下一次脉冲磁场，在此一次脉冲磁场的激励下产生随时间变化的二次磁场；利用接收仪器测量二次磁场，通过研究二次场的特征及分布，从而获得地下地质体的分布特征（李貅，2002）。

等值反磁通瞬变电磁法与常规的瞬变电磁法原理相同，但为了有效消除接收线圈本身的感应电动势，获得地下纯二次场的响应，等值反磁通瞬变电磁法采用了上下平行共轴的2个相同线圈通以反向电流作为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，接收地下的纯二次场响应，装置示意见图2。由于接收线圈位于上下2个线圈的等值反磁通平面，其一次场磁通始终为零，这样就消除了常规瞬变电磁法浅层探测的盲区，获得了浅部地质体的信息，提高了探测的能力（杨建明等，2018；高远，2018）。

图2 等值反磁通装置示意图Fig.2 Geometry of OCTEM system

野外数据采集工作完成后，将现场采集得到的数据传输到电脑中，运用与采集系统相配套的数据处理软件，通过数据预处理、定性分析、定量解释和综合推断，同时参考已知地质资料，经综合解译得到电阻率断面图，从而得到地下岩溶发育和分布特征。

2.2 工程地质钻探

虽然在岩溶勘察中工程地质钻探存在诸多局限性，但其仍然是一种有效的勘察手段，钻探能够直观地揭露出地下的真实情况，有助于了解地下岩土界面的起伏状况、岩溶的位置和溶洞的充填情况等岩溶发育特征。为了对地面物探的成果进行验证，提高物探解译的精确度，在综合分析了前期钻探资料、工程地质调绘、地面物探等成果的基础上，在物探异常区布置了验证钻孔。钻孔的布置除了要考虑轨道交通勘察规范的要求外，还需考虑后续的孔内物探的测试距离要求，因此本次工程地质钻探钻孔之间的距离控制在20 m左右，施钻条件受限地段可以放宽至30 m左右。

2.3 跨孔弹性波CT法

跨孔弹性波CT法是利用弹性波在地下不同性质岩土体中传播速度的不同（杨永龙等，2021），从而准确地反演出目标地质体的内部结构和地球物理特征，具有技术先进、高效无损、成本可控等优点，适合应用于人文条件复杂的城市区域岩溶详查，如图3。

图3 地震CT成像工作示意图Fig.3 Seismic CT testing and imaging schematic diagram

在实际探测过程中，跨孔弹性波CT法的工作方式既可以是一孔发射弹性波，另外一孔多道接收，也可以是一孔发射多孔接收。本次探测是利用相邻的两个钻孔开展CT工作，在一个钻孔中以固定的间距（0.5～1 m）布置激发点发射弹性波，在另一个组钻孔中按发射孔相同间距布置若干接收器用来接收弹性波。探测中要保证发射孔中每个激发点发射出的弹性波均能被接收孔中的每个接收器接收，这样弹性波射线就在2个钻孔之间的地层中穿透形成了一个大量交叉的网络（龚选波等，2018）。再将接收器接收到的弹性波通过计算机进行数据计算，进而得到了2个钻孔间地层的波速图像，最后再将波速图像与前期勘察成果相结合综合分析得出探测范围内覆盖层厚度、溶洞及溶蚀裂隙分布等岩溶发育特征。

3 勘察成果与分析

3.1 等值反磁通瞬变电磁法成果分析

结合工作任务及现场探测条件，沿车站中线布设1条测线（图4），测线长度约1000 m，点间距5 m。本次探测采用的仪器是湖南五维地质科技有限公司研制的HPTEM18型高精度瞬变电磁系统，数据采集参数：电源电压12V，发射电流8.5A，发射频率6.25 Hz，关断时间28.5 μs，叠加周期为600次。

图4 等值反磁通瞬变电磁法测线布置图Fig.4 Diagram of OCTEM probe line

物探解译如图5所示，图例中颜色由冷色调至暖色调反映了电阻率值从小变大的趋势，剖面浅部的电阻率明显偏低，等值线横向连续性较好，垂向差异明显。结合前期井内电阻率试验以及钻探成果，推测浅部低阻带为第四系覆盖层的电性反映。深部电阻率明显偏高，推测为下伏基岩的电性反映。

图5 等值反磁通瞬变电磁法电阻率断面图Fig.5 The contour map of OCTEM inversion resistivity

通过物探反演成果和前期钻孔揭露情况的综合分析，场地内第四系覆盖层和基岩的划分大致以400 Ω·m为界，根据工区地球物理特征可知，该区地层表现为双层结构：

1）表层第四系覆盖层电阻率偏低，电阻率横向上连续性较好，垂向上差异明显，电阻率范围为200～400 Ω·m，覆盖层和下伏基岩的电阻率界限明显，覆盖层厚度10～20 m，局部地段（DK50750）厚度可达40 m，推测是溶槽和溶沟的影响。

2）下伏基岩电阻率表现为持续增大的高阻，电阻率范围为500～1500 Ω·m，由于该组电阻率范围相近，无法具体分辨基岩种类。基岩横向上存在不同深度和宽度的低电阻率异常区共计5处（位于DK50430～50520、DK50770～50950范围内），异常深度处于30～50 m，推测这几处低电阻率异常区岩溶发育。

3.2 工程地质钻探成果分析

根据钻探揭露，场地内岩溶主要为覆盖型岩溶，发育类型主要有溶洞、溶隙、溶沟和溶槽。本次钻探揭露的溶洞总数为41个，洞高0.50～8.73 m，平均高度2.73 m。大部分溶洞规模较小，溶洞洞高＜2.0 m的共有21个，占总数的约50.0%。溶洞充填类型为全充填、半充填、无充填，充填物主要为软—可塑状粉质黏土、砂土、角砾和碎石。

本次工程地质钻探共完成68个可溶岩勘探孔，其中有28个钻孔揭露到溶洞，钻孔见洞率41.18%，总线岩溶率为22.40%。

为验证物探成果的正确性，在等值反磁通瞬变电磁法揭露的低电阻异常区也布置了验证钻孔，物探异常区钻孔成果见图6。通过两者对比，发现各个低电阻率异常区域中均发现有不同程度的岩溶存在，表明钻探验证成果与等值反磁通瞬变电磁法反演成果较为一致，物探的探测效果比较可靠。

图6 物探异常区钻孔断面图Fig.6 Profile of borehole drilling in OCTEM abnormal area

3.3 跨孔弹性波CT法探测成果分析

钻孔资料揭示车站场地内的第四系覆盖层主要为粉质黏土、砂层，下伏基岩为石炭系粉砂岩或灰岩，岩溶较发育，而溶洞内充填物一般以黏性土为主，部分溶洞无充填物。根据现场钻孔纵波波速测试成果可知，完整基岩与岩溶发育区间存在明显的波速差异，为开展跨孔弹性波CT测试提供了良好的物性条件。加之场地内地下水位埋深较浅，一般为1.5～5 m，又提供了良好的耦合条件，因此场地具备开展弹性波CT探测工作的前提。

为了更精细地探测出场地内地下岩溶的发育情况和空间分布，现采用跨孔弹性波CT法对普查阶段揭示的岩溶发育区进行详查工作，部分CT剖面布置如图7所示。

图7 CT剖面布置图（部分）Fig.7 Plan of survey lines for the cross-hole seismic CT test

通过现场的数据采集、资料处理和综合解译工作，最终较准确地查明了工程场地内地下岩溶的发育情况，本文以LC21—LC28剖面的地质解译图（图8）为例进行说明。

从图8可见，弹性波CT可以很好地反映出地下目标体的速度差异。覆盖层与下伏基岩的波速差异很大，波速影像图上反映为高速区与低速区之间明显的分界，大致以波速2500 m·s-1为分界线。溶洞发育区与周围完整基岩间也存在十分明显的波速差异，在波速影像图上反映为速度色谱的突变，而这种色谱突变的低速异常区域就代表着岩溶发育区。溶蚀裂隙发育区与周围的完整基岩之间存在一定的波速差异，大致以波速4000 m·s-1为分界，波速大于4000 m·s-1区域代表完整基岩，低于4000 m·s-1则为覆盖层或溶洞发育区与完整基岩间过渡的溶蚀区域。

图8 LC21—LC28剖面弹性波CT地质解译成果图Fig.8 Comprehensive geological interpretation map of LC21-LC28 seismic CT tomography

根据反演的波速影像图并结合钻探资料进行综合分析，对溶洞的发育程度、充填类型进行了判断，部分解释结果见表2。

表2 跨孔弹性波CT法溶洞发育解释结果（部分）Tab.1 The position of karst caves and filled conditions by the results of velocity tomography

3.4 勘察成果综合分析

通过工程地质调绘、等值反磁通瞬变电磁法、工程地质钻探、跨孔弹性波CT等4种勘察方法获取的成果资料综合判断可知，车站场地内发育覆盖型岩溶，发育类型主要为溶洞、溶沟、溶槽和溶隙。勘探揭露的土、岩分界线起伏较大，基岩面平均埋深约10～20 m，局部地段（DK50890）基岩埋深较大（超过50 m），基岩深埋地段岩面附近分布有软—可塑状的黏性土，为溶沟溶槽堆积物。本次物探和钻探过程中，揭露了大量溶洞，揭露的溶洞总数为63个，洞高0.50～8.73 m，揭露的单层溶洞有31个，揭露串珠状溶洞的共计有32个，单孔揭露最多溶洞个数为4个。钻孔见洞率41.18%，总线岩溶率为22.40%。溶洞充填类型无明显规律，大部分有充填物，少部分无充填物，揭露无充填物的溶洞有13个，约占溶洞总数的20.6%。溶洞充填物主要为灰褐色软—可塑粉质黏土、砂、角砾和碎石。4种方法取得的成果吻合度高，取得了较好的勘察成果。根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》表6.6.2判定，拟建车站岩溶发育等级为强发育。

4 结论

以上工程实例中，多种勘察手段的综合使用取得了良好的效果，从中得到以下结论：

1）等值反磁通瞬变电磁法设备轻便，施工高效，抗干扰能力强，且消除了常规瞬变电磁法浅层的“盲区”，在人文环境复杂的城市轨道交通岩溶勘察中可以发挥较大的优势。

2）跨孔弹性波CT法能够真实全面地反映钻孔间岩土分界面的起伏情况、岩溶的空间分布、发育程度等特征，在岩溶的精细勘察中具有良好的应用前景。

3）本次岩溶勘察在充分分析研究了前期勘察资料和工程地质调绘成果的基础上，采用了工程地质钻探与地球物理勘探（等值反磁通瞬变电磁法、跨孔弹性波CT）相结合的综合勘察方法，有效地查明了拟建地下车站范围内地下岩溶的发育程度和分布情况，为后续车站的设计、岩溶处理和施工提供了较为可靠的基础资料，也证明了多种勘察手段取长补短、相互配合，能够有效避免单一手段的局限性，提高勘察的精确度。