综合勘察手段在济南某区间隧道中的应用

■ 上海同济城市规划设计研究院有限公司 王威汐

济南轨道交通集团有限公司 郭建民

济南市勘察测绘研究院 薛明华

前言

济南市区南部普遍分布着寒武—奥陶系石灰岩，常见溶沟、溶槽、溶洞、溶蚀裂隙等岩溶发育现象，受构造、岩性、地下水等因素影响，部分地段岩溶较发育，给工程建设带来了不利影响。岩溶对轨道交通区间隧道工程安全的影响突出表现在：溶洞的存在导致岩石地基承载力降低，增加了围岩的不稳定因素，溶洞顶板的坍塌可能导致盾构机的沉陷，给盾构施工带来较大风险；洞穴充填物较松软，使周边地层应力重分布，对隧道结构受力产生不利影响；隧道切穿岩溶有压通道出现突水，涌水将洞内堆积物携出造成突泥等安全事故。[1]-[2]因此，在隧道施工前查明岩溶的发育位置、规模及岩溶水的赋存情况，采取合理的处治措施，对规避轨道交通建设风险极为重要。

济南轨道交通某区间隧道位于市区南部，拟采用盾构法施工，结构底板埋深20.0m ～30.0m，隧道洞身位于中风化灰岩层，隧道直径6.4m。根据初勘、详勘资料，下伏基岩以中风化石灰岩为主，局部地段较破碎，溶蚀现象发育，钻孔见洞隙率高达40%，线岩溶率为2.76%～33.58%，平均线岩溶率7.2%，前期钻孔揭露溶洞46个，其中，位于隧道顶板以上溶洞5个，隧道洞身范围内溶洞11个，底板以下0m ～5m 范围内溶洞14个，底板以下5m ～10m 范围内溶洞12个，底板以下大于10m 深度溶洞4个。

区间隧道位于快速路市政道路下，市政道路于近期进行改造，在区间隧道上方拟建设综合管廊，管廊先于区间隧道建设，若快速路建成后，采取地面注浆方式对溶洞处理会面临困难。因此，需在快速路施工前探明岩溶的发育情况，提前采取处治措施。

勘察方法的选择

因岩溶发育的复杂性，仅靠钻探手段难以查明其发育特征，且地铁线路多沿市政道路下敷设，钻孔布置常受道路交通、地下管线等因素影响，导致在勘察阶段，钻孔密度不宜过大，因此，对于轨道交通工程而言，岩溶的探查常利用钻探与物探相结合的方法。

在充分考虑场地工程地质与水文地质条件、周边环境条件等因素的基础上，本区间岩溶专项勘察的工作流程为：沿区间隧道左右线布置地面物探测线，结合前期初勘、详勘钻孔资料，圈定物探异常区（岩溶发育地段），在岩溶发育地段布置勘察钻孔，在钻孔之间进行跨孔CT 测试。

由于物探是通过仪器测试获得岩土层物性差异的信息，并推测介质体内的目标，由于不同场地的地质条件差异较大，物探使用的限制性较为明显，因此，需要根据探测目标选择适合的方法。综合各因素后，该工程拟采用高密度电法和浅层地震反射波法地面物探手段进行扫面，选择跨孔电磁波CT 探测两钻孔之间的岩溶发育情况。

该项目沿线场地地形较为平坦，覆盖层厚度约12.5m ～ 27.0m，覆盖层厚度相对较浅，下伏中风化灰岩，沿线地层电性差异化明显。岩土体的结构、构造、孔隙度及含水量等特征均会影响其电阻率[3]，完整的灰岩孔隙度小、含水量小、电阻率较高，受溶蚀后，裂隙发育、空隙度增大、含水量升高，电阻率值会明显低于周围围岩的电阻率值，若溶蚀范围很大，形成很大的空洞，电阻率反而增大，在电阻率剖面上呈现高阻异常，电性差异为高密度电法勘察提供了充分的物性基础。

对于浅层地震法，根据现场地震反射试验和表层低速带调查资料表明，测区第四系地层介质、基岩破碎带、风化带或溶洞表现为具有低密低速的物性特点，而相对较完整的灰岩地带具有较高密度和高速特点。利用不同介质波阻抗差异较大特点，具备开展浅层地震纵波反射法探测的物理前提。

在物探异常区布置钻孔，钻孔布置在隧道结构外边线3m左右，沿轮廓线交错布置，钻孔间距控制在20m以内，钻孔深度进入结构底板以下10m，在钻孔中遇溶洞充填物进行取样和原位测试工作，以查明充填物的力学性质。

图1 高密度电法工作原理

在正式探测前，对选择的物探方法进行了有效性试验，根据试验结果选择了合适的装置和参数。

物探方法原理及仪器选用

高密度电法

高密度电法勘探系统由数据采集和资料处理两部分组成。现场探测时，把电极布设在一定间隔的测点上，利用多芯电缆将其连接到程控式多路电极转换开关上，电极转换开关是一种受微片机控制的电极自动转换装置，可以根据需要自动进行电极装置形式、电极距及测点的转换。测量信号通过电极转换开关送入微机工程电测仪，并将测量结果依次存入随机存储器后，利用微机便可按给定程序对原始资料进行处理。高密度电法勘探系统具有采集数据信息量大、工作效率高、装置形式多样等优点，其工作原理见图1。

此次勘察仪器使用的是青岛骄鹏工程技术研究所生产的E60DN 型高密度电阻率仪，仪器采用程控方式进行数据采集和电极控制。考虑到此次对物探探测的精度要求较高，勘察拟联合使用温纳装置（α 排列装置）和三极装置，电极距为2m。

浅层地震纵波反射

浅层地震反射波探测是在离震源较近的若干观测点上，测定地震波从震源到不同弹性的地层界面反射回到地面的旅行时间，测线不同位置法线反射时间的变化反映了地下地层的构造形态，从而达到划分地层层位或断层、岩溶的目的[4]。此次探测采用单边激发多次覆盖观测系统，工作采用的装置道间距2m，根据现场试验结果采用不同的偏移距，接收道数为72道，覆盖次数为9次。震源激发采用连续变频扫描方式，频率扫描范围为20Hz-120Hz，扫描长度10s，起始和终了斜坡取0.5s，采样间隔0.5ms，记录长度1000ms。在每条测线探测工作实施前，均进行观测系统参数试验、激发能量试验以及环境噪声监测。

浅震勘探的资料处理采用Vista 地震数据处理软件，数据处理流程见图2。

图2 浅震勘探数据处理流程

若地震时间剖面上有反射波同相轴错断或缺失、波形紊乱、反射波频率降低、能量增强、速度降低等特征，推测为破碎带或溶洞。

跨孔电磁波CT 测试

跨孔电磁波CT 是一种高频的电磁波物理勘探方法，根据地下介质对高频电磁波的吸收差异，达到圈定异常体（如溶洞、断裂带等）的目的。电磁波在地下岩体中传播时，由于岩体电阻率和介电常数的不同，它们对电磁波能量吸收不同，完整的灰岩呈现高阻、衰减较小，而灰岩中的断层破碎带或裂隙发育区，对电磁波的吸收能力增强，遇充泥、充水溶洞时，透视的电磁波能量大量被吸收。相比于弹性波CT、超声波CT，电磁波CT 成像的优点是仪器轻便、探测精度较高。

此次电磁波CT 探测使用廊坊市迪远仪器有限公司生产的JW-6型地下电磁波仪系统，主要由钻孔发射机、钻孔接收机、地面控制和数据采集器，天线及其辅助设备、充电器等组成，以跨孔方式探测钻孔间的剖面。观测现场布置见图3。

图3 JW-6型地下电磁波仪现场布置图

成果分析

地面物探

（1） 高密度电法探测

图4为高密度电法剖面5及地质解释图，从图像分析可知：视电阻率大致均匀分布，物性层位清晰，有一定规律，能够反映土层、岩石内部情况。总体来看，在纵向上，视电阻率值呈现高—低—高特征，其电性分布特征反映出了岩性的差异，横向上视电阻率在剖面中部出现低阻异常。

纵向上约0m-4m 之间浅部地表内有相对高阻，主要是由于浅层的人工杂填土的影响；纵向上约4m-16m之间视电阻率阻值变化相对较低，该层主要为第四系土层，局部包含碎石土；纵向上约16m-40m 之间视电阻率阻值相对较高，推断16m-40m 之间为较完整石灰岩，需要注意的是，横向上100m 附近在35m-40m 深度位置出现明显的低阻异常，推测此处可能为岩溶发育，横向上160m 附近剖面中部出现了明显的低阻异常条带，宽度约30m，推测此处可能为构造破碎带或溶蚀裂隙发育带。

（2） 浅层地震探测

因市政道路交通车流量大、背景干扰较大，为规避干扰，保证数据采集质量选择在夜间10时至凌晨4时施工。

图5为测线III 叠加时间剖面及地质解释图，测线长度406m，该测线的地下反射信息单一。根据剖面反射波场特征，在该剖面上共解释了1组特征明显的地层反射，即在剖面图中的标识为T1波组。T1波组对应基岩顶面，依据钻探资料校正计算得到T1时深埋深的等效速度约为1320m/s，测线范围内基岩面在9m ～18m 之间。

结合叠加时间剖面和钻探资料，在CDP18-70、CDP120-190、CDP195-270和CDP280-320反射信息弱至不可见，推测为异常区域。

跨孔电磁波CT

根据物探解释成果，场地岩溶发育不规则，根据跨孔CT 的探测结果与钻孔资料的对比分析，跨孔CT 反映的结果与钻探资料基本吻合，钻孔揭示的溶洞在电磁波成像上均有反映，图6为部分钻孔间获得的电磁波吸收系数成像剖面，色标颜色的差异体现了地层对电磁波吸收程度的差异。

图4 高密度电法剖面及地质解释图

图5 测线III 叠加时间剖面及地质解释图

图6 跨孔电磁波测试成果图

跨孔电磁波CT 根据电磁波在介质中的传播差异解释岩溶的发育情况及边界情况，受地质模型的简化、介质各向异性、成像算法等因素影响，跨孔CT 解译的溶洞边界与钻探有少量偏差，需加强与钻探资料的对比解译。

溶洞发育特征

本段共探测到溶洞146个，其中无充填的空洞13个、半充填的溶洞1个，其余均充填可硬塑状黏土或黏土混少量碎石，最大洞高4m。从探测结果来看，岩溶多沿裂隙、层面溶蚀扩大为岩溶化裂隙或小型洞穴，部分溶洞上下连通，在同一个钻孔中表现为串珠状。溶洞高度H＜1m 的71个，占48.6%；1m ≤H＜3m 的67个，占45.9%；H＞3m 的8个，占5.5%。结合物探测试成果来看，溶洞的洞高和平面尺寸集中在0.5m ～3.0m 范围内。

根据钻探及物探资料，溶洞的垂直分布特征见表1，由统计数据可知，岩溶主要分布在隧道洞身范围内及底板下0～5m 范围内。

表1 溶洞的垂直分布特征统计一览表

岩溶处治措施

根据溶洞发育特征及与隧道的位置关系，一般可划分为高风险区和低风险区[5]，地铁隧道轮廓线两侧及上部3m范围内和下部5m 范围内为高风险区，其余区域为低风险区。对于高风险区的溶洞处理原则是保证填充密实。

高风险区的全填充型溶洞，若填充物为硬塑状且溶洞无渗漏水现象，一般可不予处理，对于空洞、半充填型溶洞或充填物较软弱、或渗漏水明显的溶洞，则需对此类溶洞进行注浆加固处理。隧道高风险区正上方若有半填充溶洞或空洞时，应进行注浆处理。

岩溶对区间隧道的影响与其分布的部位及岩溶发育的规模大小有关，按岩溶分布深度与基础底板的关系分别评价如下：

（1）顶板以上：共揭示溶洞41 个，洞高0.20m ～3.10m，平均1.13m，均为硬塑黏土或黏土混碎石充填，且溶洞均位于地下水位以上不含水，可不予处理。

（2）洞身范围内：共揭示溶洞56个，洞高0.20m ～ 4.10m，平均1.10m，其中空洞7个、半充填1个，余为硬塑状黏土或黏土混碎石充填。根据物探及钻探成果，溶洞具有一定的连通性，且钻探过程中普遍漏水，因空洞规模较小，可通过高压灌浆处理。

（3）底板以下0 ～5m 范围：共揭示溶洞30 个，洞高0.20m ～3.90m，平均1.16m，其中空洞3个，其余为硬塑状黏土或黏土混碎石充填。根据物探及钻探成果，溶洞具有一定的连通性，且钻探过程中普遍漏水，因空洞规模较小，可通过高压灌浆处理。

（4） 底板5m以下范围：共揭示溶洞19个，洞高0.50m～3.30m，平均1.20m，其中空洞3个，其余为硬塑状黏土或黏土混碎石充填。因其在隧道底板以下5m 范围外，对隧道建成后运行影响小，但该深度处于地下水的季节性波动范围以内，溶洞具备继续发育的条件，基于地铁工程为百年运营周期，从安全角度考虑，建议对其进行注浆加固处理。

结语

综上所述，岩溶勘察利用综合勘察手段，可以减少钻探数量，降低钻探风险，节省勘察成本和工期；根据勘察的目的和任务要求，充分利用前期勘察成果，分析各地层或目标物的特点和物理性质差异，选择合适的探测手段，对探测的精度具有至关重要的影响；任何一种物探方法都有其局限性，需要多种勘察手段综合应用，且需要结合一定数量的钻孔资料分析，进行互补、验证，以提高资料的解译精度和成果的可靠性。