深圳某明挖地鐵車站勘察方法研究及處理技術

賈振坡 梁曉輝

(1.中國礦業大學,北京 100083; 2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司,北京 100101)

1 概述

深圳地區的可溶巖主要為覆蓋型和埋藏型，覆蓋型可溶巖分布于龍崗區大部分地區，屬可溶巖相對緩坡帶；埋藏型可溶巖主要分布于龍崗及坑梓地區的第四系谷、盆邊緣及兩側山體低洼處的測水組砂頁巖之下；巖溶不良地質的勘察及處理技術成為該地區工程建設的主要難題之一，如何合理、準確的探明巖溶分布位置、類型和規模成為工程建設成功與否的一個關鍵點。

2 工程概況

深圳市某地鐵車站設計全長為225 m，結構標高約為21.8 m，底板埋深約為18 m。本次施工方法采用明挖法施工，擬建場地內巖溶為覆蓋型巖溶，發育類型主要有溶洞和溶隙。

3 勘察方法與手段

根據已掌握的地質資料和地質情況，綜合選擇鉆探、地球物理勘探、原位測試、室內試驗、水文地質試驗等方法，并結合鉆探物探相互驗證、兩種或兩種以上物探方法共同驗證等手段[1]，有針對性地進行巖溶專項勘察。

3.1 工程地質調查

為了深入研究勘察區域巖溶發育的區域地質背景，收集了深圳市1∶5萬地質圖、《深圳市龍崗區巖溶塌陷災害勘查報告》(廣東省深圳市地質局，深圳市地質礦產局，1998年7月)、《深圳地質》(地質出版社，2009.08)和相關區域道路及房屋建筑勘察資料，并對曾經發生過巖溶地面塌陷的區域進行現場調查核實。

3.2 工程地質鉆探

鉆探的目的主要是查明施工場地下伏基巖埋深和巖面起伏情況，查明可能存在的巖溶洞穴的發育程度和空間分布以及洞穴中巖溶水的埋深、動態、水動力特征等；為物探提供CT孔，驗證物探發現的異常情況；開展溶洞充填物原位測試和取樣試驗。

鉆探勘探點的布置主要遵循以下原則。

3.2.1鉆孔平面布置

按車站輪廓線沿車站敷設方向布置三排鉆孔，鉆孔間距為15 m。其中車站兩側邊線鉆孔利用詳勘鉆孔。

3.2.2鉆孔深度布置

1)控制性勘探孔進入結構底板下不小于25 m或進入結構底板以下中等風化或微風化不小于5 m，一般性勘探孔進入底板下不小于15 m或進入結構底板以下中等風化或微風化不小于3 m；要求深度內遇微風化巖時，控制性勘探孔可鉆入微風化巖3 m～5 m，一般性勘探孔可鉆入微風化巖1 m～2 m；要求巖溶發育地段鉆孔孔深至少要進入結構底板或樁端平面以下10 m；揭露溶洞時可根據工程需要適當加深。

2)根據物探(跨孔CT、管波測試)要求，為消除測試盲區，巖溶發育區所有要進行測試的勘探孔深度應在滿足規范要求的深度基礎上再加深5 m。

3.2.3鉆孔性質布置

本次專項勘察分為控制性勘探孔和一般性勘探孔，其中控制性勘探孔不少于總孔數的1/3，取樣及原位測試孔不少于總孔數的1/2。

3.2.4驗證孔

為了進一步確認物探試驗推測的關于巖溶發育情況的成果資料是可靠的，在進行跨孔彈性波CT測試之后，在物探推測的巖溶部位又選取3個鉆孔進行鉆探驗證。根據以上布置原則，擬建地鐵車站共布置鉆孔45個，其中28個為利用詳勘鉆孔。

3.3 物探

針對本工程巖溶問題，主要采用跨孔彈性波CT法和管波探測法兩種物探方法進行勘察。

3.3.1跨孔彈性波CT法

1)原理簡介。跨孔彈性波CT法(亦稱為跨孔地震CT法)是通過將收集的有關地質體的走時、能量、波形變化等信息輸入計算機，通過計算機對信息的處理并重建地質體內部結構圖像的一種跨孔物探方法，是計算機技術與現代地震數字觀測技術相結合的產物[2]。

跨孔彈性波CT法的工作原理是以一個鉆孔為發射孔，在發射孔中按0.5 m～1.0 m間距發射高頻彈性波(聲波),并以相鄰鉆孔為接收孔，在接收孔中按與發射點相同的間距接收彈性波，接收孔中接收點布置要和發射孔已知，以便能夠做到全孔接收，發射孔發射出的聲波以交叉網狀的射線穿透兩鉆孔之間的巖土層，通過拾取每個發射點和接收點聲波的走時或幅度等信息，通過計算機反演計算，得到兩孔之間的波速影響，并通過與地質資料綜合分析，得到鉆孔所不能揭示的巖土分界面、巖溶空間發育況和分布情況。

2)CT孔布置圖示。根據鉆探情況，對巖溶相對發育區(根據鉆探)布置CT孔，相鄰的兩個鉆孔進行配對掃描(如圖1所示)。

3.3.2管波探測法

1)原理簡介。管波探測法是在鉆孔中利用特殊的彈性波(“管波”)，探測鉆孔周邊一定范圍內可能存在的溶洞、溶蝕裂隙和軟弱夾層等不良地質體的最新孔中物探方法[3]。

管波探測法的工作原理是：在鉆孔中利用“管波”這種特殊彈性波作為探測物理場，通過對反射波的收集，分析波幅特征，并對產生波阻抗差異的界面進行解釋，從而可以推斷孔旁溶洞、溶蝕裂隙和軟弱夾層的發育情況[4]。

2)異常特征及其地質解釋。管波探測法異常主要表現為兩種：一種是在界面處的管波反射，另一種是在不良地質體處的管波能量變化。

鉆孔中可能產生管波反射的界面主要有：基巖面、溶洞頂和底面、裂隙、孔底、水面等。引起管波能量變弱的不良地質體主要有：溶洞、溶蝕、軟弱巖層、土層等。

管波探測法的地質解釋分為完整基巖段、裂隙發育段、溶蝕發育段、巖溶發育段、軟弱巖層和土層等6種情況。完整基巖段的特征是：管波無能量衰減，界面反射在段內明顯甚至有多次反射；巖溶發育段的特征是：管波能量嚴重衰減，界面反射在段內消失了；裂隙發育段、溶蝕發育段的特征是：段內界面反射多，溶蝕發育段伴隨有能量衰減現象。軟弱巖層和土層的特征是：管波速度變低和有能量衰減。

根據以上原則，擬建車站(主體結構)共布置管波探測孔42個。

4 巖溶驗證情況

本次勘察在鉆探上揭露的溶洞與物探CT的結果基本吻合，除個別溶洞因深度較大，物探未能反映。為了進一步確認物探試驗推測的關于巖溶發育情況的成果資料是可靠的，在進行跨孔彈性波CT測試之后，在物探推測的巖溶部位又選取3點進行鉆探驗證。驗證孔的選取原則主要包括：

1)對工程安全有影響的溶洞；2)鉆孔沒有揭露而跨孔彈性波CT法有所反映的溶洞；3)物探揭示的巖面與已有鉆孔揭示的巖面差異較大的剖面。

根據上述原則，所選取的跨孔彈性波CT法剖面號分別為M16Z3S-TLCT32、驗證孔孔號分別為M16Z3S-YZTL01，現將驗證鉆孔相關情況分述如下，M16Z3S-YZTL01驗證情況見圖2。

1)二者差別：巖面：物探推斷14.1 m，鉆探揭露13.6 m，誤差0.5 m，基本吻合。溶洞與巖溶發育區：物探推斷巖溶發育區1深度為21.6 m～23.4 m，鉆探揭露溶洞發育深度為24.4 m～25.3 m；物探推斷巖溶發育區2深度為34.3 m～38.52 m，鉆探在此深度范圍內揭露見溶蝕現象及半邊巖，基本吻合。2)誤差分析：a.跨孔彈性波CT法根據波速差異解釋巖溶的存在情況，由于引起彈性波波速變化的因素很多，因此所圈定的巖溶發育區在宏觀上可能表現為溶洞、溶蝕裂隙等巖溶發育情況，其中會包含部

分孤立、規模較小的中、微風化巖塊。b.跨孔彈性波CT法根據波速差異解釋巖溶的邊界，受走時觀測誤差的影響，存在一定誤差。c.對于物探推斷34.3 m～38.52 m的巖溶發育區，在鉆孔巖芯在對應深度(33.8 m～34.0 m，35.0 m～35.3 m)存在明顯的溶蝕現象。

5 結語

1)鉆探施工獲得的資料具有直觀性、可靠性等特點，因此鉆探在工程施工中成為采用最多的勘探手段，但由于鉆探只能揭示鉆孔內的目的物，在溶洞發育地區很難完整地反映地下溶洞的展布情況，又不能以極密的網度來查明復雜的空洞區的分布特征時，在巖溶發育區結合跨孔彈性波CT法，便可從鉆探的“一孔之見”擴展到一個剖面，發現兩鉆孔之間可能存在的巖溶、溶蝕裂隙；

2)管波探測法能夠探測鉆孔旁一定范圍內的溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質體，同時可以對跨孔彈性波CT法起到驗證補充作用；因此將鉆探手段和跨孔彈性波CT法、管波巖溶探測等物探方法有機結合起來，有效的避免了鉆探資料的單一性和物探方法的多解性，能夠以極高的效率性和可靠性為深圳地區地下巖溶的類型、規模、發育情況提供地質資料。