岩溶地质勘察及对隧道工程的改造方案分析

摘要：地质勘探是物探技术的一种，该技术通过测量地震波在地下岩层中的传播速度和反射情况，从而推断地下岩层的情况。为了准确地勘探施工区域的地层环境，研究采用钻探和物探相结合的方式对岩溶区域的地质进行勘探，并根据勘探数据采用数值模拟方法对施工关键参数进行预测，为工程规划和施工提供参考。研究对钻探、物探结果进行综合对比，得到了该地区更详细的地质特征，并对桩基构建过程中柱深与轴力的模拟值和实测值进行了分析。分析结果表明误差最小仅为0.21 kN，平均误差为5.17 kN，该结果进一步佐证了研究提出的勘探方法以及数值预测方法具有可行性。

关键词：岩溶地 地质勘探 隧道施工 桩基建造

中图分类号：TE122. 3 文献标识码：A

Karst Geological Exploration and Analysis of Renovation Plans for Tunnel Engineering

CAO Gengshuo CAO Xingfu

248 Geological Briqade of Shandong Nuclear Industry，Qingdao ，Shandong Province，266041 China

Abstract： Geological exploration is a type of geophysical exploration technology， which infers the condition of underground rock strata by measuring the travel speed and reflection of seismic waves in underground rock strata. In order to accurately explore the stratum environment of the construction area， this studies uses a method of combining drilling and geophysical exploration to explore the geology of the karst area， and based on exploration data， it uses the numerical simulation method to predict key construction parameters， which provides reference for engineering planning and construction. This study conducts a comprehensive comparison of drilling and geophysical results， obtains the more detailed geological features of the region， and analyzes the simulated value and measured value of column depth and axial force during pile foundation construction. Analysis results indicate that the minimum error is only 0.21 kN， and that the average error is 5.17 kN， which further confirms the feasibility of the exploration method and the numerical prediction method proposed in the study.

Key Words： Karst region; Geological exploration; Tunnel construction; Pile foundation construction

岩溶地是由地下水溶蚀作用形成的一种地貌类型，具有独特的地质和地貌特征。岩溶地的形成过程受到地质、气候、水文等多种因素的影响，使得其地质条件异常复杂，地下洞穴系统繁多，地质结构脆弱，这些特点给工程建设，尤其是隧道工程带来了诸多挑战[1]。由于岩溶地区的地质条件多变，传统的工程勘察和设计方法往往无法直接适用于这里的隧道工程。此外，由于岩溶地区的地质条件脆弱，隧道施工过程中容易引发地质灾害，如地面塌陷、洞顶崩塌等[2]。为了确保隧道工程的可靠性和安全性，此次研究采用钻探和物探相结合的方法对岩溶地的地层结构进行勘探，并利用数值模型预测隧道施工的参数，为工程规划和施工提供有效的参考信息。此次研究创新点在于采用了岩芯管钻探和物探两种方式勘探施工地域土层情况，为工程规划和施工提供更详细的数据。

1 岩溶地隧道工程方案分析

1.1 岩溶地勘探技术优化设计

岩溶地是指由于地下溶蚀作用而形成的地貌类型。它主要存在于石灰岩、石膏岩、大理石等可溶性岩石地区。岩溶地地貌独特，包括洞穴、峰丛、溶洞、溶谷、塌陷地等。岩溶地与常见的地质结构存在较大差异，因此在岩溶地上的施工也存在一定差异。通常岩溶地区的隧道工程需要格外注意桩基附近的土层结构，因此施工前需要进行严格的勘探和分析。目前常见的勘查方法包括地质钻探、地下水位监测、地下洞穴勘查等。地质钻探是最常用的地质勘探方法，该方法通常在需要钻探的地区进行定位布孔，再利用钻机进行钻探。进行地质钻探的目的是对岩土进行取样，并对钻探周边土层的种类、厚度、力学结构等进行分析，从而确定该地区是否符合建筑要求[3]。在建筑中常用到的钻探技术包括反循环式钻探技术、绳索取芯钻探技术、液动锤钻探技术。此研究在对上述钻探技术进行综合考量后选取反循环式钻探技术对隧道工程的施工区域进行地质勘探，反循环式钻探技术示意图如图1所示。反循环式钻探技术主要有两种作业环境，一种为钻探过程需要保持地层的原始状态，此时使用空气作为钻探介质可以减小对周边土层性质的改变，而在钻探地层中存在易燃气体或可燃性物质时则更多使用水作为介质。反循环式钻探技术通过维持高压气体环境或液体环境来产生反循环流动，从而快速而有效地排出钻屑和碎屑，提高钻探效率，并且对地层的干扰较少[4]。

管波探测也是勘查土层物理性质的常见方法，该方法通常需要对勘探区域进行选址打孔，再利用管波产生一种特定频率的地震波来进行探测[5]。地震波返回的信号可以用来确定地下结构的位置、尺寸和性质。此外，溶蚀裂隙是由于地下水的溶蚀作用而形成的，这些裂隙可以影响地下水的流动路径和水力特性。管波探测法可以探测到这些裂隙的存在和分布情况，从而更好地理解地下水的流动，为隧道工程的实施提供相关参考和依据。

1.2 岩溶地隧道工程改造方案设计

在岩溶地环境下的时空可能面临地下空洞的坍塌、洪水、涌水等问题可能会导致工程事故或损坏。因此，岩溶区域的隧道施工在制定方案时，需要综合考虑岩溶洞穴、裂隙等因素，并采取相应的措施，以确保改造后的隧道工程能够安全、稳定地运行。此次研究以某地区地铁4号线二期工程为例，该工程全程长为16.74 km，工程涉及面积为2.694 hm，设置站点16个。该期工程站点之间最小间距为0.747 km，最大间距为2.039 km。岩溶地隧道工程改造方案首先需要对工程地质进行调研，此次调研采用钻探工具采用XY-100型工程钻机，并选取地势平坦的地方进行开孔，开孔直径约为150 mm。岩芯管在进行钻探时，其采取率不应低于75%。此次研究区域计划钻孔600个，其中原位试孔291个，取土孔为309个。

物探技术可以提供关于地下地质结构、地下水位、地下岩层的强度和稳定性等方面的信息。此次研究选用的物探仪器为Novocontrol Alpha-A电测量系统，该系统主要用于测量地下电阻率分布，以揭示地下岩层的性质和结构[6]。该仪器的主要参数包括单向电压、电极间距、电位差测量等。研究将该仪器单向电压设置为180 V，电流类型为直流电，电源脉冲速度为0.5 s，电源每秒切断一次，因此，岩层电阻率计算如式（1）所示。

（1）

式（1）中，为电源间隔系数；为圆周率；为电极间距；为电压变化值；为测量出的电流值。电阻率的测试采用原位测试，测试过程需要做贯入试验，贯入试验需要预先钻孔0.15 m，再击打贯入0.3 m。此外在贯入时还需记录每贯入0.1 m所需的击打数，并将实际击打数与预测数进行比较，从而得出土层状况。岩溶地层桩基的设计也对隧道工程具有较大的影响。为了应对施工区域复杂的土层情况，研究采用人工挖孔桩和钻孔灌注桩两种施工方式协同进行。人工挖孔桩工序简明且灵活，可以应对较为复杂的情况，但对于地质条件较差的情况效果并不好，因此该工程主要钻孔灌注桩为主，部分隧道段采用人工挖孔桩。

2 岩溶地地质条件稳定性和桩基情况评价

研究根据上述两种地质勘探方式对施工区域进行了土层结果分析，由地质勘探结果可以得出，该期工程范围内基岩大多为可溶性盐岩，且规划路线上存在较多溶蚀裂缝以及较大的溶洞。研究共钻探600个探孔，其中244个探洞测出溶洞，钻探出溶洞的概率为40.67%。在所有探孔中，对桩身稳定性、承载能力有影响的溶洞共159个。钻探中发现的溶洞最大直径达到了13.71 m，最小的为0.42 m，其余溶洞直径均在3 m以内，较大的溶洞具体情况如表1所示。根据钻探结果可以得出施工区域地势较平坦，工程相关区域的地基土类型属于高硬土并掺杂部分易被腐蚀的熔岩，无不可塑土和膨胀土层分布。

运用钻探和物探的数据生成数值模型模拟出的最佳柱深与施工过程测量的实际柱深数据对比如图2所示。从图2中可以发现，实测出的轴力大多高于模拟出的预测值。这是由于现场工况和岩溶地地质条件较为复杂，且存在气候环境的影响，因此实际测得的桩基轴力值要大于模拟值。从数值模拟预测的结果来看，对应柱深承受的轴力平均误差约为5.17 kN，该误差在可接受范围内，这进一步验证了数值模拟预测桩基深度的可行性。

3 结论

岩溶地质区域存在溶洞、地下水通道等特殊地质现象，这些现象可能对地下工程建设带来风险。因此研究采用钻探和物探两种方式对施工区域进行地质勘探，并对比两种勘探结果的契合度，进而确定土层状况。经数值模拟结果验证，上述地质勘探方法通过对地层结构的勘探得到了相对准确的数据。研究将采集的数据导入数值模型中成功预测出了桩基建造的深度与轴力关系，在预测数据中，误差最小仅为0.21 kN，最大为12.48 kN，均在要求的误差范围内。因此，研究提出的工程改进方法在理论和实际应用中均表现出良好的效果。但研究未考虑气候等因素对工程的影响，因此，后续需要继续优化和完善该方法，以实现更精确地预测和更高效地施工。

参考文献

[1]齐朝华.广域电磁法在巨厚低阻层下水文地质勘探中的应用：以安徽淮南某煤矿为例[J].物探与化探，2023，47（3）：700-706.

[2]SUN K，ZHANG H，LU Y G， et al. Analysis on geological characteristics and prospecting potential of the Central African Cu-Co metallogenic belt[J]. Geology in China， 2022， 49（1）： 103-120.

[3]MANISH G，ALBERTO M J， YANG L， et al. Ultrafast photon-induced tunneling microscopy[J].ACS nano，2021，15（11）： 18071-18084.

[4]李志军，洪开荣，陈桥，等.高原铁路TBM法隧道施工难点分析及对策研究[J].铁道工程学报，2022，39（9）：70-78.

[5]周寒冰，包玉，王志泰.岩溶地区不同规模城市遗存山体表面空气负离子及其影响因素——以贵阳市为例[J].生态学报， 2023， 43（15）：6257-6277.

[6]刘思若，郭博文，杨文润.基于地质勘探的某土石坝异常渗流问题分析[J].人民黄河， 2023，45（6）：143-146.