综合勘探方法在湖底岩溶区隧道的应用

王瑞芳

（武汉科技大学 城建学院土木系，湖北武汉430065）

0 引言

随着城市化进程的推进，交通拥堵问题越来越突出。城市主管部门为缓解交通压力、增加机动车的出行方式，采取向空中（高架桥）和地下（地铁、隧道）延伸的方式来缓解交通堵塞的问题。地铁、隧道建设若穿越岩溶地带，岩溶会增加工程建设的难度，使造价提高。近年来关于岩溶方面的研究越来越多，如蔡晶晶[1]以南京地铁3 号线将穿越岗谷地和岩溶区为工程背景，根据等值线图中低电阻率分布特征推断岩溶发育情况，其结果与钻探结果较为吻合，取得了较好效果。刘猛[2]在鄂西山区某高速铁路隧址区勘察过程中采用综合勘探手段，通过钻探与物探的相互验证,较好地查清了隧址区钙质胶结砾岩区岩溶发育、富水情况及断层破碎带分布情况。郑江波[3]以广州市地铁某车站为例，采用钻探和地震CT，对该车站的岩溶发育情况进行勘测。周大海、秦志明[4]以广西隆林县境内的克长至岩茶公路的岩溶塌陷为背景，提出合理有效的地质灾害勘查手段，取得了预期的资料成果。

1 工程概况

某湖底隧道工程是穿越城市内湖的一条城市主干路，是城市二环线的分流通道。该项目包含地表及穿越内湖的隧道，隧道主线全长19.25km[5]。沿线地理环境较复杂，地面建筑物较多，地下管网较复杂，且两次下穿地铁线路。湖底隧道主要采用地下隧道形式建设，岸上段采用明挖法建设，水底段采用盾构法建设，隧道断面为14.5m，单管双层双向4 车道，盾构段长8485.1m。根据隧道初、详勘结果[5]，湖底隧道与道路相接段下伏基岩主要为C-T 石灰岩等可溶岩，约合2010m 长。岩溶对设计、施工和隧道运营安全影响较大，为了查明岩溶发育特征，建设单位拟对已揭露碳酸盐岩的区段进行岩溶专题勘察工作。

钻孔过程中，工作人员发现石灰岩面上往往分布着一层软弱的黏性土，增加了钻探难度。石灰岩内溶洞多，钻探过程中漏水严重，导致岩渣难以排出，为下管钻进造成了阻碍。另外，溶洞充填物往往容易垮塌，也增加了下管继续钻进难度。为提高对岩溶分布情况的勘探准确率及保证湖底盾构机的安全施工，项目采用钻探与物探相结合的综合手段，对场区岩溶发育特点进行分析，重点探查隧道底板以下一倍洞径范围内岩溶，评价其对隧道工程的影响，为隧道岩溶加固与处理提供可靠的地质资料。

2 勘察工作

该隧道为城市交通隧道，地表标高为15.8～26.3m，水位一般在19.5m 左右，隧道顶部标高为3.0～10.0m，隧道底部标高为-26～-5m（均为绝对标高）。以YRK155～YRK167 剖面图为例，隧道顶板、底板与剖面图的关系如图1 所示。

图1 弹性波隧道CT 地质剖面图

由于岩溶发育具有随机性以及隧道工程的重要特性，本次勘察所有钻孔均不在隧洞轴线上，钻探揭露的溶洞不在隧道部位。拟在隧道两侧布置勘探孔，钻孔间距一般控制在10 ～12m，实际施工过程中根据地质条件可适当调整，对于物探CT 探查异常地段，适当布置钻孔验证。

在隧道洞身穿过的可溶岩区域进行专项勘察勘探孔布置，沿隧道轴线法线方向上，钻孔尽量布置在隧道开挖边界外侧3～5m 范围内，将法线方向上勘探孔间距控制在25m 以内（隧洞宽度14.5m），最大不超过30m[6-9]，如图2 所示。

图2 勘察平面布置图

图3 中，以YRK13 为例进行分析，岩土层分布不是很均匀，分别是淤泥质粉质黏土、粉质黏土、红黏土、中风化石灰岩，隧道穿越的土层主要为中风化泥质粉砂岩。从图3 可以看出，岩溶发育严重。

图3 剖面图

3 物探方法选取

物探利用地下岩土体物理性质的差异来探测地层岩性、地质构造等地质问题，通常单一的物探手段对岩溶勘察精度是有限的，本次物探工作按下述方法进行[10]。

3.1 钻孔彩色电视

采用钻孔彩色电视进行钻孔内溶洞和土洞的原位观察，该系统的原理是采用反光锥镜摄取360°孔壁图像，由计算机对图像进行采集处理，形成连续的全孔壁展开图像，孔壁图像的展开按N →E →S →W →N 的顺序。该系统可进行孔壁图像实时采集、展开处理、拼接、实时存盘，现场直接观察全孔壁展开拼接图像，实现电视探头下钻孔全孔壁一次成像，大大提高了生产效率和钻孔资料的质量， 仪器装置如图4 所示。

为了查清场地岩层的产状，本次勘察挑选了5 个孔进行孔内电视，采用GD3Q-GA6 型号，钻孔直径为500mm。由于拟建工程场地位于东湖水域，施工期间受季风气候影响，波浪较大，造成孔内水浑浊，故实际只有一组孔YZ6 钻孔有彩色电视成果，如图5 所示。在钻孔深度35.0～36.0m 深度处，有竖直裂隙，裂隙宽度为2mm 左右，为张开裂隙。从图4 可以看出，岩层溶隙孔洞发育较多。通过观察钻孔彩色电视成果，发现岩层风化严重，且有溶蚀现象[5，11]。

图4 钻孔彩色电视仪器

图5 YZ6 钻孔在不同深度的岩层状态

3.2 孔间电磁波CT 层析成像

本次岩溶专项勘察主要采用孔间电磁波CT 层析成像，目的是探查湖底下隐伏岩溶、破碎带、溶蚀裂隙带的发育及分布规律，根据测区的溶洞及裂隙在剖面上的异常特征，可以反映其分布形态及地下隐伏的地质构造情况。

湖底隧道下伏基岩主要以灰岩为主，灰岩强度高、裂隙较少、电阻率较高，对电磁波的吸收能力弱。对于泥岩、砂岩、页岩、硅质岩等电磁波无法穿透的非可溶性碳酸盐岩区域，没有划分基岩较完整的分界线。各地层时代岩性视吸收系数特征如表1所示。

表1 各地层时代岩性电磁波CT 视吸收系数特征表

现场物探拍摄图片及数据分析结果如图6 所示。

图6 孔间电磁波CT 射线与成果分布图

图6（a）中，岩层深度较浅范围内出现视吸收系数高值区域，呈现为深色区块 ；随着深度的增加，岩层出现裂隙，岩溶的比例也在增大，说明盾构机在湖底隧道施工需重点关注深度大的岩溶、裂隙。

3.3 孔间弹性波CT

弹性波层析成像（CT）基本原理同电磁波CT 原理类似，曲线如图6（b）所示。在弹性波CT 地质剖面图上确定剖面异常的原则有两个[12-13]：（1）在较完整岩体里，波速值≥4000m/s；（2）在岩体较差或土岩结合部视波速值比背景值小1000 ～2000m/s。同时结合具体的地质、钻孔资料，对异常进行分类，基岩面界线大致以波速值≥2400m/s 为界划分。根据波速的变化来反映地质体的特征，一般情况下岩溶、破碎带、裂隙发育区等地质异常区会表现出低波速异常，CT 弹性波图像特征见表2。

表2 CT 剖面图像特征表

4 勘查和物探溶洞在高程上的分布特征

根据本次勘察期间水位观测情况，钻孔揭露溶洞均位于湖水地下水位以下。地下水位以下的溶洞基本处于饱水状态，溶洞空腔富水性很强[14]，隧道开挖时应重点注意可能揭露富水含泥溶洞的突水、涌泥问题。

4.1 钻孔溶洞在高程上的分布特征

在湖底隧道区间，钻孔揭露的溶洞数量较多，溶洞顶板在高程上的分布统计见图7。其中：T1d——三叠系大冶组，P1g+P1q——二叠系下统孤峰组和栖霞组，C2h+c——石炭系上统黄龙和船山组。

图7 钻孔溶洞顶板高程分布图

由图7 可知，钻孔所揭露的溶洞顶板高程大多集中在5～-20m高程段，共有大小溶洞641 个，约占溶洞总数的86.70%，此高程段以外勘探深度范围岩溶相对不发育，各岩溶层组的溶洞分布高程略有差异。T1d 组发育溶洞顶板分布高程的峰值位于-10 ～10m，P1g+P1q 组发育溶洞顶板分布高程的峰值位于-20 ～10m，C2h+c 组发育溶洞顶板分布高程的峰值位于-25 ～5m。

4.2 物探CT 推测岩溶异常点在高程上的分布特征

由图8 可知，物探所揭露的溶洞顶板高程大多集中在5 ～-30m 高程段，共有大小溶洞813 个，约占溶洞总数的79.7%。各岩溶层组的溶洞分布高程略有差异，T1d 组发育溶洞顶板分布高程的峰值位于-25 ～10m，P1g+P1q 组发育溶洞顶板分布高程的峰值位于-25 ～10m，C2h+c 组发育溶洞顶板分布高程的峰值位于-30 ～5m。

图8 物探CT 推测岩溶异常点顶板高程分布图

电磁波CT 探测共发现异常点1020 个，其中537 个异常点与钻孔揭露的溶洞相吻合，其余483 个异常点位于钻孔之间。该项目共布置40 个物探异常验证孔，实际完成35 个，其中33个异常区揭露为溶洞，2 个异常区揭露为岩体的碎裂结构。

结合钻探、物探CT 探测成果分析，物探CT 推测的岩溶异常点的高程分布规律与钻孔揭露的溶洞高程分布规律基本吻合。场地内溶洞顶板高程大多分布在5 ～-20m 高程段，其余高程段溶洞分布较少，表明场地灰岩中溶洞、溶隙处于浅部岩溶发育带内。

5 结论

本文采用钻探和物探相结合的方法进行岩溶专项勘察，物探采用孔内彩色电视、孔间电磁波CT、孔间弹性波CT，弥补了钻探以点代面的缺点，保证了工程的勘察质量，加快了工程的勘察进度。通过工程实践，得出如下结论：

（1）该项目的勘测方法可直观地探查隐伏岩溶、破碎带、溶蚀裂隙带的发育情况及分布规律，确定地层岩性及岩溶发育带等异常地质体；

（2）钻孔揭露岩溶分布，具有直观可靠的优点，但钻探揭示的地质体情况是“点状分布”，且施工费用高、时间长。物探方法属于间接勘探方法，可从宏观层面探测目标地质体的整体情况，具有勘测周期短、勘察范围大的“面状分布”特点。通过钻探和多种物探勘测结合的方式进行综合分析，可以提升勘察成果的准确率[15]；

（3）比较图6 和图7，钻孔揭露的岩溶异常点分布和物探CT 推测的岩溶异常点在高程上的分布规律很相似，说明钻孔和物探CT 相结合及相互验证，能较好地查明湖底隧道岩溶洞分布等，进一步可分析成因与发展趋势，及对工程可能产生的后果。

针对城市湖底隧道分布有岩溶，岩溶发育强、对施工及运行危害大的缺陷，采用多种物探技术与钻探结合，对岩溶的分布状况及溶洞的大小、充填情况进行勘探，取得了较好的勘探效果，可为后续盾构机在湖底隧道安全施工前对溶洞进行注浆处理提供有力的依据。