岩溶区地铁盾构隧道下穿水源地综合勘探技术

蒋益平 , 陈洪胜, 李露瑶, 朱小辉, 杨正刚, 宋小庆, 曹振东

(1. 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200125; 2. 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司, 贵州 贵阳 550081; 3. 贵阳市公共交通投资运营集团有限公司, 贵州 贵阳 550081; 4. 贵州地质工程勘察设计研究院有限公司, 贵州 贵阳 550008)

0 引言

城市地铁勘察经常会遇到勘探孔无法实施的情况[1],如区间隧道下穿房屋、水源地的河道等,需要采取综合勘探技术替代无法实施的勘探孔。岩溶区由于溶洞发育规律性差,尤其采用盾构法施工的隧道,更需要采用合理的综合勘探技术解决无法实施勘探孔的难题,且对综合勘探成果有较高的精度要求。常规的地面物探受精度或作业条件限制,难以解决上述问题,而跨孔CT具有抗干扰效果好、精度高、工作高效等优点,被广泛应用于城市地铁勘察。

工程中常用的孔间物探方法主要为跨孔CT,其根据工作原理可分为电磁波CT[1-8]、地震波CT[7]和声波CT[9-12]。近年来地震波CT受震源的影响(主要受炸药的管制),使用场景受到很大限制,而电磁波CT[1-5]和声波CT[9-10]应用较广。有学者对数据处理方法进行不断研究,目前已有代数重建法(ART)、联合迭代法(SIRT)、共轭梯度法(CGT)和反投影法(BPT)[7],应用领域涵盖了岩性划分、城市隧道岩溶勘察[1-2]、煤矿采空区探测、水电水利工程质量检测[9-10]、铁路路基塌陷探测等。工作成果图以二维为主,也有学者开展了将成果三维化可视化应用的研究[4],成果解释已在人工智能发展的带动下,利用多源信息融合约束进行智能反演,并取得了较好的应用效果[8]。

对于城市岩溶区的溶洞、裂隙、基岩面的探测,取得了很好的效果。王薇等[1]利用电磁波CT技术揭露了重大工程岩溶发育特征,但是岩溶地区工程勘察的地震波CT探测孔距一般不宜大于20 m[13-14],最大孔距不宜超过30 m。区间隧道下穿房屋、水源地的河道等无法实施勘探孔时,孔距一般大于30 m,常规的跨孔CT技术难以满足探测要求。

贵阳市轨道交通3号线一期工程农学院站—花溪公园站区间采用盾构法施工,需要下穿花溪河水源地,隧道顶距离花溪河底最近距离为6.7 m。盾构穿越花溪河地质条件十分复杂,花溪河为水源保护区,不允许实施水上勘探孔,且花溪河宽约40 m,两岸可实施的钻孔最小孔间距为48 m,超过常规跨孔CT的距离,故寻求综合勘探手段进一步查明盾构隧道下穿花溪河的地质条件十分有必要。本文通过对电磁波跨孔CT和声波跨孔CT激振源及采集元件进行改进,采用电磁波跨孔CT和声波跨孔CT 2种物探手段互相验证,实现超远距离跨孔CT的探测。综合2种超远距离跨孔CT和钻探孔的勘察成果,查明隧道上方的岩土层和节理裂隙分布情况,并分析岩土体与花溪河间的水力联系,以期为设计和施工提供合理的建议。

1 工程概况

1.1 工程位置

贵阳市轨道交通3号线一期工程线路全长约43 km,起点为花溪环城高速公路北侧的桐木岭站,终点为乌当区洛湾站。农学院站—花溪公园站区间隧道长1 677 m,采用盾构法施工,隧道直径6.2 m,区间位置示意见图1。隧道在右线里程YDK13+550～+591(左线里程ZDK13+539～+578)下穿花溪河,隧道与花溪河的平面关系示意见图2。

图1 农学院站—花溪公园站区间位置示意图

图2 隧道与花溪河的平面关系示意图

1.2 场地工程地质条件

根据区间详勘报告,场地属于溶蚀类型的丘峰谷地地貌。根据GB 50307—2012《城市轨道交通岩土工程勘察规范》[15]第11.3.2条和DBJ 52/T046—2018《贵州省建筑岩土工程技术规范》[16],场地属浅覆盖型,为岩溶弱发育场地。花溪河附近工程地质剖面示意见图3和图4。花溪河附近地层地质特征和工程性质分述如下。

图3 区间下穿花溪河左线地质剖面示意图(单位: m)

图4 区间下穿花溪河右线地质剖面示意图(单位: m)

杂色,以碎块石为主,夹少量黏性土,左线层厚为2.0～4.5 m,右线层厚为6.0～7.7 m,厚度变化较大,土质不均,结构松散,强度不均。

1.2.2 〈13-1-2〉强风化白云岩(T2sz三叠系中统松子坎组)

灰白、肉红色,岩石主要由白云石构成,含少量褐铁矿、黄铁矿、方解石等,岩体节理裂隙发育,岩芯呈砂状及少量块状。

1.2.3 〈13-1-3〉中风化白云岩(T2sz)

灰白、青灰、肉红色,岩石主要由白云石构成,含少量褐铁矿、黄铁矿、方解石等,岩芯呈短柱状或块状,短柱状较多,局部溶蚀作用发育。根据区域地质与现场实测,该岩层倾向为85°～91°,倾角为50°～60°。岩石饱和抗压强度为41.4 MPa,为较硬岩,根据磨片鉴定报告,主要矿物成分为白云石,大于90%,双管钻孔取芯率较高,为85%～95%,RQD为20%～60%,岩体完整性系数约为0.51,为较破碎岩体,岩体基本质量等级为Ⅳ级。

1.3 场地水文地质条件

花溪河为区间穿越的地表水体,是贵阳市重要的水源保护区。勘察期间花溪河水面标高约1 090.3 m,百年洪水位为1 092.07 m。由于隧道上方分布厚度不等的杂填土,花溪河水与地下水存在一定的水力联系,对隧道产生不利影响。

地下水按不同介质划分类型主要有孔隙水与岩溶水,按照埋藏条件划分类型主要有潜水孔隙水、潜水岩溶水。孔隙水主要赋存于第四系松散覆盖层内,主要接受大气降雨补给,向下或向低洼地排泄,含水量不丰富。岩溶水主要赋存于可溶岩内,接受大气降雨及上层滞水补给,局部为岩溶管道水。拟建场地内地下水一般受降雨、地表径流和河流补给,潜水位随季节、气候等因素而有所变化。

拟建场地属长江流域乌江水系南明河支流汇水范围,地表水和地下水由南向北径流,由西向东流入南明河及其各支流(花溪河),南明河附近地面高程为999～1 100 m,是场地范围内地表水和地下水的最低排泄面。

1.4 问题的提出

盾构隧道下穿花溪河,隧道顶距离花溪河底最近距离为6.7 m。根据详勘报告,花溪河两岸分布有厚度不等的杂填土,最大厚度为7.7 m,局部分布强风化白云岩。花溪河流量较大,盾构穿越花溪河地质条件十分复杂,是区间隧道施工的重要风险源,且花溪河为水源保护区,对盾构施工提出很高的保护要求。综合上述因素,需要进一步查明隧道下穿花溪河区域岩土层分布情况和溶洞发育情况。然而,花溪河为水源保护区,不允许实施水上勘探孔,故需要寻求综合勘探手段进一步查明盾构隧道下穿花溪河区域岩土层分布情况和溶洞发育情况。

2 综合探测方案研究和实施

2.1 综合探测方案研究

地球物理勘探的前提或依据是被探测体的物性差异,常表现为岩石的电、磁、弹性波速等物性参数。场地为中风化白云岩与岩洞,破碎带在弹性波波速大小、电磁波吸收系数上存在较大差异,故选择电磁波CT和声波CT 2种方法,2种物探方法可以相互验证,从而提高解释的可靠性。考虑到场地探测孔孔距较大,需对电磁波CT和声波CT的仪器装置进行局部改进[17-18],以满足勘察需要。

2.1.1 电磁波CT

2.1.1.1 方法原理

电磁波CT是电磁波层析成像的简称,是一种高精度的井间地球物理方法,该方法是利用不同地质体对一定频率下电磁波能量吸收强弱的不同,再现地质体异常的电磁波吸收系数图像。

电磁波CT是基于射线原理,从麦克斯韦方程组推导出电偶极子场,当电偶极子衍射效应可以忽略、测点与发射点距离足够远时,可以将电偶极子场作为辐射场。在辐射区内,介质中的电磁波传播路径可以用射线来描述。对于配置半波偶极子天线的电磁波仪,其辐射场的场强

(1)

式中:E0为初始辐射场;f(θ)为偶极天线方向因子;R为射线长度,即射线传播的路线积分;β为反映介质电磁特性的一个参数,称为介质电磁波吸收系数。

由式(1)可以推导出

(2)

式中D为两孔间的水平距离。

2.1.1.2 仪器装置改进

电磁波CT有效探测的孔间距主要受地层岩性、岩体完整性和仪器发射功率、发射主频等因素的影响。地震岩性的介电常越小、岩体完整性越好、仪器发射功率越大、仪器发射的主频越低时,其可有效探测的距离越大;但发射功率越大时,所需的发射模块体积越大、功耗越高,仪器发射的主频越低,其探测分辨率会下降。

一般而言,电磁波CT所选用的工作频率为8～64 MHz,为了确保电磁波长距离穿透,新加工生产了2～4 MHz的工作频率,既保证了电磁波能有效穿透长距离的地层,又保证了数据采集的精度。装置改进后其测试方法与传统方法相同,工作时不能用金属的套管,不需要水等介质进行耦合,测试点距为1 m,定点为5 m。

2.1.2 声波CT

2.1.2.1 方法原理

声波CT是大功率声波层析成像的简称,该方法是依据弹性波的射线几何运动学原理,利用声波在岩体中传播的走时进行层析,从而得到成像区内岩体声波速度的分布。声波在传播过程中遵循惠更斯原理,其首波在介质内沿声波旅行时最短的路径传播,利用这一原理研制成的声波层析成像软件,通过对实测声波走时进行处理,可以较准确地重建出射线所扫描区域内岩体声波视速度的分布,确定出低速层的位置、空间分布和形态,达到探测的目的。

2.1.2.2 仪器装置改进

声波CT有效探测的孔间距主要受到地层岩性波速、岩体完整性和电火花震源发射功率、仪器接收探头灵敏度等影响。当地层岩性波速越高、岩体完整性越好、电火花震源发射功率越大、仪器接收探头灵敏度越好时,其可有效探测的距离越大,反之亦然。在本项目中,地层岩性波速、岩体完整性和仪器接收探头灵敏度难以改变,故只能考虑提升电火花震源发射功率,来达到增加有效探测孔间距的目的。

电火花震源因充放电开关不一样,传统的集电控制器或空气开火因可以自由串联而使其功率变得较高,但装置难以达到瞬间放电的效果,使其产生的瞬间功率大打折扣。本项目所使用的充放电开关为晶闸管开关,虽然所标识的功率不如传统的功率那么高,但由于能够实现瞬间放电,产生更集中的功率,使其在工程探测中有着良好的使用效果。常规使用的声波CT电火花震源功率为2 500 J,在较完整灰岩、白云岩中,穿透距离一般不大于40 m。为了保证孔间距在50 m左右的声波CT效果,研制出声波CT发射的电火花震源,将电火花震源功率提升到5 000 J,同时将数据采集控制器和储能控制器进行分离,保证现场操作人员的安全[17]。装置改进后其测试方法与传统方法相同,工作时需要水或泥浆等介质进行耦合,测试点距为1 m,定点为5 m,改进后所测数据增益在80 dB以下,与传统短距离孔间CT测试值相当。为对比2种仪器的效果,在同一位置进行数据采集,见图5和图6。

图5 电火花功率为2 500 J仪器和波形图

图6 电火花功率为5 000 J仪器和波形图

2.2 综合探测方案实施

2.2.1 勘探孔布置

在花溪河两岸的隧道中心线布置了4个勘探孔和2组CT剖面,平面位置示意见图7,孔深均为40 m,左线和右线勘探孔距分别为48.1 m和54.4 m。成孔后预埋PVC管,并采用清水洗孔。

图7 勘探孔和跨孔CT剖面示意图(单位: m)

2.2.2 电磁波CT测试技术参数

通过试验,本工区观测系统采用定点发射、扇形接收、两孔互换的观测系统,选用频率为2～4 MHz。定发点距为5 m,接收点距为1 m,全孔接收,互换观测。

2.2.3 声波CT测试技术参数

观测系统采用定点激发、扇形接收、两孔互换的观测系统。定发点距为2 m,接收点距为1 m。

3 综合勘探成果

3.1 电磁波CT和声波成果

B1剖面和B2剖面电磁波跨孔CT和声波跨孔CT的测试成果见图8—11。

(a) 色谱图

(a) 色谱图

(a) 色谱图

(a) 色谱图

根据电磁波跨孔CT和声波跨孔CT的测试成果可知,2种方法在B1剖面和B2剖面的浅表均揭示了电磁波强吸收区和低波速区,推测为覆盖层及其影响区。

B1剖面大桩号侧深部,电磁波CT出现了强吸收区,参考其衰减系数大小,解释了1个强溶蚀区和4个溶蚀破碎区或岩体破碎带;声波CT出现了低波速区,结合其波速值大小和形态分析,解释了1个强溶蚀区和4个溶蚀破碎区或岩体破碎带。结果表明,两者异常位置、形态基本吻合。

B2剖面除浅表受覆盖层影响出现明显的异常外,2种CT成果均解译出深部无集中的较大异常、局部有零散小异常。结合2种物性参数分布影响分析可推测,电磁波CT剖面出现了4个溶蚀破碎区或岩体破碎带,声波CT出现了2个溶蚀破碎区或岩体破碎带。

2种跨孔CT解译的匹配性较好,达到了较好的互相验证,2种跨孔CT测试均能比较清晰地反映出覆盖层、溶蚀破碎区或岩体破碎带的分布情况,而且与详勘报告一致。相比较而言,声波跨孔CT对浅部薄弱区域的解译精度稍高于电磁波跨孔CT,其能比较清晰地反映出覆盖层、溶蚀破碎区或岩体破碎带的分布情况。

3.2 综合地质剖面图

根据钻探孔、电磁波跨孔CT及声波跨孔CT的综合勘探成果,声波跨孔CT能较清晰地反映出覆盖层、溶蚀破碎区或岩体破碎带分布情况,并通过了电磁波跨孔CT成果的验证,故采纳声波跨孔CT的解译成果。隧道下穿花溪河综合地质剖面见图12和图13。

图12 B1剖面(左线)的综合地质剖面示意图

图13 B2剖面(右线)的综合地质剖面示意图

本次综合勘探揭示左线隧道顶板主要位于中风化白云岩中,局部位于溶蚀破碎区或岩体破碎带,花溪河水与隧道顶部的岩溶水可能存在水力联系。大里程端下部35 m以下为强溶蚀区。右线隧道主要位于溶蚀破碎区或岩体破碎带中,即主要位于强风化白云岩中,该地层渗透性强于中风化白云岩。花溪河水与场地地下岩溶水存在一定的水力联系。

4 隧道下穿花溪河的建议

根据综合勘探成果,盾构隧道下穿花溪河的地质条件较为复杂,同时花溪河为水源地保护区,提出如下隧道下穿花溪河的建议。

1)隧道左线和右线的地质条件有一定差异,设计和施工单位应引起重视,并采取针对性的措施。

2)花溪河水位存在季节性变化,设计和施工单位应重视水位变动带来的不利影响。

3)隧道右线地下水与花溪河水的水力联系要强于隧道左线,施工时应重视盾构工作面水压的变化情况,针对可能发生的局部涌水量较大的情况,做好相应的应急预案。

4)由于花溪河属于水源地保护区,盾构掘进时应合理控制同步注浆和二次注浆的压力,避免注入的水泥浆进入花溪河,建议隧道下穿花溪河期间加强对水面的监测。

5)隧道掘进时要重视局部区域工作面岩层软硬不均的不利影响,控制好隧道轴线。

5 结论与讨论

1)对电磁波CT和声波CT的仪器装置进行局部改进,电磁波CT采用更低频率的发射、接收天线来实现对远距离的探测,声波CT通过增加大功率的发射电火花来实现更长距离的探测,实现了超远距离跨孔CT的探测,克服了花溪河水源保护区无法实施勘探孔的难题。

2)区间盾构隧道下穿花溪河水源地,采用超远距离电磁波跨孔CT和声波跨孔CT相互验证,结合钻探孔成果,查清下穿花溪河区域的覆盖层分布、强溶蚀区和溶蚀破碎区或岩体破碎带的分布、形态和规模等。

3)相比较而言,改进后的声波跨孔CT对浅部薄弱区域的解译精度稍高于电磁波跨孔CT,声波跨孔CT能比较清晰地反映出覆盖层、溶蚀破碎区或岩体破碎带的分布情况。

4)采用综合勘探技术查明了盾构隧道下穿花溪河区域的薄弱岩土层分布情况,提出隧道左右线地下水与花溪河的水力联系存在差异,给设计和施工提供了合理的建议。

5)改进后电磁波跨孔CT和声波跨孔CT的跨孔CT组合技术可应用于地铁区间勘探孔无法实施的情况。

6)尽管本次实现了比常规更大距离的孔间CT探测工作,但由于受电磁波CT发射、接收机主频限制和声波CT发射功率的影响,其孔间距离不可能无限增加。