高速鐵路巖溶勘察技術研究現狀及展望

易勇進 宋 章 張廣澤 蔣良文

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

根據中國巖溶地質館資料，全球巖溶總面積約 2 200萬km2，占地球陸地面積的15%，主要分布于地中海、東歐、中東、中國西南部、東南亞、美國東南部和中美洲等國家和地區；我國巖溶面積達344萬km2，約占全球巖溶總面積的15.6%，約占我國國土面積的 1/3，其中裸露型巖溶75.64萬km2，主要分布于西南的黔滇桂川渝及中南的湘鄂粵等地，構成了世界上最大的連片裸露型巖溶區之一。

據統計，目前世界巖溶區高速鐵路里程約 5 000 km，我國巖溶區高速鐵路里程約 3 600 km，約占世界巖溶區高速鐵路的72%。其中西南巖溶區高速鐵路約 2 600 km，約占全國巖溶區高速鐵路的72%，約占世界巖溶區高速鐵路的52%。根據鐵路中長期路網規劃，我國巖溶區規劃待建高速鐵路約 3 000 km。

由于巖溶發育具有高度不均一性、隨機性、隱蔽性等特點，巖溶災害具有突發性、復雜多變性等特性，故巖溶區高速鐵路建設地質問題尤為突出，給巖溶區鐵路尤其是高速鐵路地質選線、勘察設計、風險評估及防災減災等帶來極大的挑戰。

1 巖溶勘察國內外研究現狀

根據近50年我國西南巖溶區十余條干線鐵路和武廣、渝利、南廣、貴廣、云桂、長昆、貴南等巖溶區高速鐵路的勘察設計實踐，認為巖溶問題對鐵路工程的影響和危害主要表現在五個方面[1-2]：①巖溶地面塌陷威脅構筑物安全；②巖溶隱伏溶洞及其充填物影響構筑物基礎的穩定性；③隧道巖溶涌水突泥危害地下工程和環境；④巖溶洼地積水浸泡或淹沒路基和其它地面工程；⑤碳酸鹽巖層風化產物的膨脹性影響邊坡穩定性。

目前，國內外關于巖溶勘察技術的研究和應用較多[3-9]，形成了以地質調繪、遙感技術為主，結合工程地質勘探和物探的勘察技術方法和手段，收到了較好的成效。

1.1 工程地質調繪

工程地質調繪是巖溶勘察工作的基礎和先導性工作，是后期各種勘察技術方法選擇和勘探點布設的依據[5]，貫穿于各勘察階段。工程地質調繪的優點是可較直觀地查明巖溶地貌形態、地層巖性、地質構造、地表水狀況及地表巖溶發育形態等；缺點是受地形、氣候、交通條件影響大，僅能查明一定范圍內地表巖溶的分布形態和發育規律，難以查明地下隱伏巖溶的發育情況。

1.2 遙感技術

為適應鐵路建設發展的需要，上世紀50年代中期，航空遙感技術開始被引進并應用于航測工作；60年代航測測圖得到了較大發展，為線路選線提供了較可靠的依據；70年代隨著中國第一顆人造地球衛星的成功發射，多種專業的遙感判釋技術得到了較大發展，遙感技術逐步應用于地質勘察工作；80年代后，隨著計算機及數字技術的發展，遙感技術得到了廣泛應用[7]。21世紀以來，隨著氣象衛星和資源衛星等的相繼發射，加之光電化、數字化、自動化等技術的快速發展，高精度、快速精準定位技術及多片種、多時相、定量、動態遙感判釋技術得到了長足發展，并實現了地形數據(DTM)、地理信息系統(GIS)和多種計算機輔助工具的聯合應用[7]。

在鐵路勘察中，遙感技術作為巖溶形態調查的主要手段之一，目前已得到了較好的應用。如利用遙感技術對巖溶地面塌陷進行探測及監測[10-11]、鐵路沿線巖溶發育狀況的調查和普查[12]、巖溶地區石漠化普查和發展趨勢的分析[13]等均取得了很好的效果；此外，采用高精度衛星遙感圖像的圖像預處理、圖像融合、正射校正技術等實現遙感影像三維可視化研究亦取得了較好的成績。同時，遙感技術結合ArcGIS技術可實現巖溶區漏斗信息提取、形態顯示和地下溶洞網分析等[14]，Rahim Kazemi[15]通過航空照片、衛星圖像結合GIS技術在巖溶水的勘察方面取得了一定成效。

遙感技術具有視域寬、信息量大、獲取快等特點，可大幅提高巖溶地質測繪填圖的質量和效率。在宏觀上可查明區域地質構造、巖溶分布形態、水文地質等信息，對巖溶區地質條件做出初步評價，為鐵路工程地質選線及工程建設提供較準確的科學依據。但在微觀上須配合地面調繪及勘探工作，方能驗證其準確度和精度。

1.3 工程地質勘探技術

地質勘探是巖溶勘察過程中獲取地下巖溶發育情況最為直觀的方法和手段，可以探明巖溶基礎地質條件，驗證遙感、地質調繪以及其它勘探方法的內容，進行巖溶水文地質試驗和物探測井等工作，從而獲得巖溶工程地質和水文地質參數，為工程設計和施工提供依據。

1.4 工程地質物探技術

上世紀50-70年代，鐵路工程地質物探工作主要以找水為目的，采用直流電法和地震折射法開展工作[9]；80年代以來，隨著數字化儀器及計算機技術的發展，在結合其它勘探方法的基礎上，物探技術在巖溶勘察中的應用得到了長足發展。

美國試驗與材料協會在某指南中介紹了在巖溶區探測中較為有效的地球物理方法[3]，并對每一種方法的技術特點、用途、技術優缺點等進行了評述。美國地質與地球物理咨詢公司在總結1971年以來地球物理勘探經驗的基礎上，對14種物理探測技術方法的使用條件和優缺點進行了詳細分析[6]，認為在巖溶探測中的首選方法為地震面波、地質雷達和微重力法。近年來，隨著計算機技術及數字化技術的發展，工程物探技術正朝著集成化、多功能化方向發展，并注重新型物探儀器的研發和應用[16]。如用于天然場觀測和人工源信號的V-5、V5-2000、V-6、V-8音頻大地電磁系統及MMS-04音頻大地電磁系統(目前主要用于深部巖溶研究)；用于做天然場觀測的MT-24、EH4系統，其中MT-24主要用于研究深部構造，EH4系統用于淺部研究(小于1 km)。

國內在鐵路工程巖溶探測技術上尤其是地球物理勘探方面也進行了研究應用[16]，主要有遙感物探技術、地球物理探測技術(電法、震法、測井法、地質雷達、微重力勘探、CT技術、可控源音頻大地電磁法、電磁測深以及甚低頻電磁法)、環境同位素技術、巖溶地貌與水文網分析法、地理信息系統(GIS)等。目前應用比較成熟的方法有地質雷達、高密度電法、淺層地震反射、以及彈性波法等。如應用電磁波CT法對某鐵路車站埋深20 m范圍內的巖溶洞穴位置、形態、充填情況及暗河走向進行探測[17]、基于“地質雷達法”及“地震單點反射波法”的優勢互補性對宜萬鐵路隧底隱伏巖溶進行普查[18]等，均取得了良好的效果。

物探技術具有方法多、信息量大、操作方便、大范圍及三維立體勘探等優點，其缺點是準確度有待鉆探及其它勘探方法驗證。

1.5 綜合勘察技術

綜合勘察技術是在遙感地質解譯的基礎上，結合區域地質資料進行地面地質測繪工作，并合理應用勘探技術、物探技術及試驗測試等勘探方法和手段，以最佳的勘探組合模式，通過密切配合，方法優勢互補，結論互相驗證，對成果資料進行綜合分析和利用，以達到查明工程地質問題、提高勘察質量和效益的目的。綜合勘察技術在復雜地質條件下的大型重點工程和前期鐵路選線的地質勘測中具有顯著的優勢[8]。如利用遙感技術、地質測繪、綜合物探及地質鉆探等方法的綜合勘察技術在內昆線二道橋至昭通北段巖溶區選線[19]、廣西裸露型巖溶山區鐵路隧道巖溶綜合勘察[20]中均取得了良好的效果；在地面調繪的基礎上，結合工程鉆探和物探等的綜合勘察手段，在巖溶區某客運專線巖溶橋基勘察[21]及某鐵路巖溶路基塌陷的勘察[22]中，查清了巖溶病害，為工程整治提供了準確的地質參數。

2 高速鐵路巖溶地質勘察面臨的新挑戰

高速鐵路速度快、運營安全和舒適性要求高的特點，決定了其線路曲線半徑大，繞避巖溶困難，線路對巖溶地質條件的適應性差，對場地的穩定性要求高；高速度依賴軌道的高平順度，對橋隧路基工程的工后沉降控制要求嚴格，對巖溶地基巖土體適宜性要求高，對巖溶邊坡的穩定性、特別是隧道口危巖落石的風險防范要求極高，從而對地質選線和勘察提出了更高要求。

高速鐵路需規避巖溶系統性風險，對巖溶區選線提出了更高的要求。由于巖溶形態及發育的復雜性和高度不均一性，平面上完全繞避巖溶發育區、剖面上完全繞避深部巖溶發育帶極其困難，對巖溶地質勘察與風險評估要求高主要表現在地質勘察工作的深細度與精細度上，必須采用綜合勘察方法，對各種勘察成果資料進行綜合分析，相互印證，以達到查明巖溶工程地質問題和提高勘察質量的目的。據統計，在深細度上，高速鐵路地質鉆探量較普速鐵路大幅增加，其每公里鉆探量達 1 100～2 000 m，而普速鐵路每公里一般不超過200～300 m；除鉆孔密度更大外，還需采用多手段的物探、原位測試進行巖土體參數測試，巖溶地質條件復雜時還需開展專項和專題研究工作，以滿足高速鐵路設計和施工要求。

由于巖溶發育的隨機性、隱蔽性和高度不均一性的特點和既有巖溶勘察技術現狀，完全查明巖溶的空間分布形態及發育規律，仍是高速鐵路工程建設中極其復雜而困難的工作。

3 發展展望

由于巖溶分布形態和發育的復雜性、隱蔽性、多樣性，以及高速鐵路巖溶地質勘察對深細度和精細度的高要求，單一的、傳統的勘察技術方法或手段均無法滿足設計要求，必須在不斷總結提升傳統勘察技術、方法的基礎上，充分合理利用新技術、新方法，采用綜合勘察方法，相互驗證，提高勘察效率和精細度。

近年來，隨著數字化和信息化技術的發展，高速鐵路巖溶地質勘察開始探索“空、天、地”一體化綜合勘察模式。其中，“空”類勘察技術是指基于衛星系統開展遙感遙測技術，主要包括北斗衛星定位勘測技術、高分衛星遙感技術、InSAR形變監測技術、衛星熱紅外遙感隧道地熱異常識別技術以及多光譜、高光譜巖性識別技術等；“天”類勘察技術是指基于大氣層內低空域開展的有人機、無人機遙感遙測技術，主要包括高分無人機測繪和勘察技術、機載激光雷達、熱紅外航空掃描、多波段航空圖像以及常規航空像片解譯技術等；“地”類勘察技術是指在地面或近地表開展的地質相關工作，主要包括地質調繪、勘探、物探、觀測、測試、超前地質預報等，尤其是地面三維激光掃描技術、等值反磁通瞬變電磁技術、微動探測技術、厚-深厚覆蓋層綜合原位測試技術等新技術。

為適應和推動我國高速鐵路尤其是西南巖溶山區高速鐵路的快速發展，實現“空、天、地”多層次勘察技術及綜合分析解譯的定量化和精確化，將是當前和今后一段時期高速鐵路巖溶勘察的主要任務。必須針對不同巖溶地質環境、不同工程類型，充分利用新技術、新方法、新設備、新手段，結合各種勘察設備、技術、方法的適應條件，合理選用多種勘察方法，力爭以最佳的設備和技術方法組合，取長補短、相互驗證，提高勘察質量和精度。