场地岩溶发育特征规律研究及勘探技术优选*

郜江俊，肖 豹，蒋春桂，杨小龙

(中国建筑第五工程有限公司，湖南 长沙 414000)

0 引言

岩溶是碳酸盐、硫酸盐、卤素岩等可溶性岩石在地质作用下，形成溶沟、溶隙、溶洞、暗河等一系列现象的统称。随着我国经济建设的高速发展，铁路、桥梁、公路等工程设施分布区域愈加广泛，不可避免接触含隐伏溶洞的岩溶发育地区。处于覆盖型岩溶地区的隐伏溶洞隐蔽性好，难以发现，极易造成安全隐患，对工程建设的危害性巨大[1-3]。因此岩溶区域修建公路与桥梁首先应对隐伏溶腔的规模及特点进行较准确探测与认知[4-6]，进行勘探及规律研究，主要手段有工程地质钻探和物探[7]。

许多发达国家物探技术发展起步较早，并且为从业人员制定了相关的技术标准。例如，美国测试与材料协会颁布了《地面地球物理方法选择标准指南》，提供了工程地质调查中常用勘测方法的适用条件、使用方法等。同年，英国大不列颠标准局颁布了《地质调查标准》，提出跨孔地震、微重力、电阻率或电导剖面法以及地质雷达等方法在岩溶区勘测中最有效。美国 Technos 地质与地球物理咨询公司出版了《地面地球物理方法》，该书通过总结先前地球物理勘测经验，系统分析了各种岩溶勘测方法[8]。近年来，国内的岩溶地区地球物理勘测技术也不断发展，并且大量运用于工程建设当中[9-10]。根据测量原理可以将岩溶场地物探技术归为两大类[11]：一是以介质弹性差异为基础的方法，主要有地震波反射法、地震波透射法、瑞利波法等；二是以介质电性和磁性差异为基础的方法，有高密度电流法、瞬变电磁法[12]、探地雷达法、电波透视法等。除此以外，目前在溶洞和采空区的勘查中还有一些其他方法，如微重力探测法和管波探测技术等方法。

物探方法以其精度高、覆盖较全面的特点，在岩溶场地工程勘察中发挥着重要作用。随着工程建设范围以及涉及区域的逐渐扩大，单一的物探已经不再能够满足复杂的勘探要求，其多解性与岩溶复杂程度造成了单一的物探方法在解决问题时具有诸多缺陷，此时综合物探的方法成为工程技术人员的最佳选择[13]。在明确各物探方法特点及优势的基础上，将物探与传统钻探结合将会使勘探效率得到显著提升[14]，并且该方法已成为当今岩溶勘探领域的重点课题。

1 工程概况

泰康(南京)国际医学中心项目位于南京市栖霞区仙林街道学海路(在建)东侧，工区位于现有泰康仙林鼓楼医院南侧沿山空地。项目所在地属岩溶发育地质，根据详勘报告揭示，本工程位于岩溶强发育地段，⑤2层中等风化石灰岩发育溶洞，填充物为岩块混粉质黏土，溶洞分布极不规律，下伏溶洞形状较小且埋深浅。为指导场地岩溶施工，需要开展施工地区岩溶发育规律调查，并依托工程场地岩溶勘探评价岩溶发育程度和稳定性。为此，本文采取工程地质钻探与地球物理勘探相结合的方法，采用瞬变电磁法和超前钻孔法，调查场地岩溶发育情况，总结岩溶发育规律并进行勘探技术优选。

2 试验场地岩溶勘察

2.1 试验段设置

在岩溶发育地区，勘查初期应首先采用综合物探的方法，并且结合工程地质调绘和工程地质条件，决定如何布置勘测点。综合考虑泰康(南京)国际医学中心项目地质条件及设备条件后，为查明工区范围内覆盖层的厚度、基岩的埋藏深度及可能存在的岩溶位置和规模，为工区内岩溶发育程度评价提供物探依据，本文选取瞬变电磁法作为岩溶勘探的具体实施方法。本次共完成瞬变电磁测线19条，东西向长线点距为3m，南北向短线点距为2m，累计完成362个测点，测线总长945m，共发现18处岩溶或岩层风化破碎带发育区。

为达到最佳的探测效果，根据探测目的及现场施工条件，本次物探采用瞬变电磁法。本场地瞬变电磁法测量工作实际共完成19条测线，其中2条长测线按照拐点分段观测，分别为1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，2-1，2-2，2-3，2-4，2-5。9条短测线由西向东北为10线、20线、30线、40线、50线、60线、70线、80线、90线。

2.2 瞬变电磁法勘探

瞬变电磁法1-1测线，南西-北东向，方位角62°，剖面长度93m，点距3m，实测32个测点。根据1-1测线反演成果图，该剖面电性层特征明显，纵向上看其电阻率数值由浅至深的整体变化趋势为低到高，基本能定性反映地层电阻率的变化特征，该测线在铺装路面上施工，前70m测量信号衰减较快，推测为路面下方埋设电线或钢筋造成，故前70m数据质量较差，横向来看，在电阻率反演剖面上出现电阻率低值异常，即剖面的76～88m，高程26.000～19.000m附近，电阻率等值线横向不连续，下凹，呈现近“V”字形，其数值明显低于两侧，推断为岩层风化破碎或岩溶发育引起。

2.3 地质钻孔验证

本文对场地岩溶的发育形态及分布特征展开研究，地球物理勘探方法探测范围广，但是具体精确性如何尚未可知，故采用地质钻孔方法，并对钻孔数据中遇见溶洞的勘探孔数据进行整合梳理，以此来分析揭露溶洞位置及发育特征，从而对物探结果进行验证。结合场地内见洞钻孔平面位置的分布，得出钻孔揭露溶洞位置。

2.4 勘探技术优选

瞬变电磁法是一种针对查明含水地质如岩溶洞穴与通道、采空区探测领域有良好效果的物探勘查方法，在地质勘查中有广泛应用[15]。

本文依托工程泰康(南京)国际医学中心项目属低山丘陵地貌单元，地形起伏较大，整体呈东南高西北低，靠近东南侧坡度达25°、局部地段未进行分层碾压。南侧大部分地段为回填土，且为建筑垃圾回填，孔口标高为21.420～55.570m，相对高差34.15m。

本次物探探测场地为多为空地、工地活动板房旁、水泥路等。受人为因素影响，场地原始地貌已被破坏，场地地表较为平整，主要为水泥地坪或回填土。本次物探工作采用具备零互感特性的等值反磁通装置形式，如图1所示，天线类型为收发一体，接收等效面积200m2，在正式采集数据前，分别进行发送频率、叠加周期等选择试验，确定最佳观测参数，根据现场试验结果，确定发送频率25Hz，采样时间窗口最大为20ms，发送电流大于10A，叠加周期数500次，重复两次观测。现场施工时，沿测线逐点移动观测，若曲线出现畸变，查明原因，重复观测，并做好记录。

图1 等值反磁通瞬变电磁装置示意

在充分考虑探测目标、勘探场地大小、勘探场地接地条件等诸多因素后，本次瞬变电磁探测采用HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬变电磁系统，该系统采用统一标准的微线圈对偶磁源、高灵敏磁感应接收传感器、高速24位采集卡以及高密度测量技术实现浅层高精度瞬变电磁勘探，施工更便捷，满足探测工作要求。

3 试验场地岩溶发育特征规律分析

3.1 整体岩溶发育特征规律

3.1.1钻孔岩溶率

为了探明区域内溶洞发育特征，首先根据区域内钻孔情况进行统计，通过从现场收集的50组钻孔钻探资料发现，上覆土层厚度离散性很大，浅的3.5m，深的达21.2m，上覆土层一般由人工填土和粉质黏土组成，基岩为石灰岩，土层由上而下一般为杂填土、素填土、粉质黏土、强风化石灰岩。

溶洞大多分布在地表下4～29m深度范围内，常见溶洞高度0.3～4m，局部高度为4～6m，典型高度为0.3～2m。灰岩区遇洞率95.6%，线岩溶率10.5%，洞内均被全填充，充填物以硬塑～可塑状粉质黏土或黏土为主，混较多中风化灰岩碎块，洞内有漏水现象。

相关数据统计结果如图2所示。

图2 钻孔岩溶率统计

不同位置的岩溶发育情况存在差异，不同钻孔之间钻孔岩溶率差异很大。可以看出，钻孔岩溶率较高的钻孔分布都较为集中，大概分布在几块不同的区域，中间几乎没有岩溶分布。但是钻孔揭示的只是一个点的情况，钻孔之间的情况无法探明，为了更好地还原地层下岩溶发育的本来面貌，需要结合前述物探方法进行综合判断。

3.1.2岩溶垂向发育特征

试验场地岩溶垂向发育主要关注钻探中揭示的洞顶标高、溶洞高度和顶板厚度等参数。现将区域内钻孔相关数据进行统计，结果如图3所示。

图3 洞顶标高与溶洞高度

项目区岩溶的埋藏深度小，其形态各异，规模大小不一，岩溶的埋藏深度一般在 16.80～29.50m，属于浅覆盖型，溶洞高度范围在0.3～6.0m。场地岩溶强发育，溶洞分布无规律性。

钻探时揭露的溶洞洞体顶板岩石厚度均小于洞体高度，当受到较大的外力作用情况下，可能造成顶板塌落，地面发生塌陷，对于地基稳定性和桩基施工影响较大。本场地岩溶较为发育，建议桩基施工前应进行施工勘察(一桩一孔)，并对溶洞区域采取注浆等处理措施，桩基施工时应钻穿溶洞区域，桩端坐落于完整基岩之上，避免其对工程的不利影响。

3.2 串珠状溶洞发育特征规律

项目区串珠状溶洞占比情况及内部填充情况如图4所示。

图4 项目区串珠状溶洞占比

可见工程沿线串珠状溶洞发育最为广泛，占比超过工程沿线总量的一半，且存在垂向4～5个溶洞同时发育的情况。对于串珠状溶洞内部充填情况，绝大多数溶洞均是全填充，无填充溶洞极少，内部填充物物以硬塑～可塑状粉质黏土或黏土为主，混较多中风化灰岩碎块。

4 结语

1)场区主要的不良地质现象为岩溶，区域内溶洞分布较为分散，岩溶的埋藏深度一般在16.80～29.50m，洞高0.3～6.0m，基本上为全填充，充填物以硬塑～可塑状粉质黏土或黏土为主，混较多中风化灰岩碎块，洞内有漏水现象。

2)综合瞬变电磁法与超前钻探法可以发现，瞬变电磁法具有数据采集速度快、采集方式灵活、分辨率高、勘探深度较大的优势，结合钻孔验证能够高效率地进行面状岩溶剖面的快速准确辨识。

3)通过瞬变电磁法勘探与地质钻孔勘探结合与相互验证，比选出较优的岩溶地质勘探技术。