地鐵隧道穿越巖性復雜地段巖土工程勘察方法研究

王寧

（南京地鐵建設有限責任公司，南京 210000）

1 引言

地鐵建設是關乎人們出行質量的重大工程，工程建設前必須有準確翔實的地質資料為工程安全建設提供地質依據，指導設計施工。地鐵隧道為線性工程，在地形地貌條件復雜的區域，同一區間隧道可能遇到多種地質情況。影響工程建設的地質因素較多，工程勘察時應對影響工程建設的重難點地段進行有針對性的工作布置，采用適宜的勘察手段。本文通過對某城市地鐵隧道下穿巖性復雜且巖溶強烈發育地段勘察項目實例進行分析研究，討論地質鉆探與工程物探相結合的勘察方法在此類地質條件復雜地段的適宜性。

2 工程概況

本項目地鐵隧道穿越巖性復雜地段，砂巖、砂礫巖及灰巖交織分布，風化巖、軟弱夾層及破碎巖廣泛分布，且巖溶發育強烈，工程地質條件極其復雜，需采用適宜的勘察手段，準確查明場地地質條件。本項目地鐵隧道穿越復雜地質區域全長約150 m，地面標高19～28 m，呈現自西向東逐漸起伏的地勢特征，場區范圍內分布有4棟6層磚混結構的居民樓，經調查該居民樓均為條形基礎，地鐵隧道建設需要考慮對居民樓建筑安全的影響。鉆探揭示該區域范圍內場地覆蓋層厚度12～30 m，地形起伏較大，基巖面起伏大，覆蓋層自上而下分別為填土、黏性土、粉（砂）性土、硬塑黏性土。由于本區域場地內地質條件復雜，在完成初勘、詳勘地質鉆探工作后，為進一步查明場地灰巖巖溶發育條件，進行了地質雷達和跨孔CT等工程物探工作。

3 巖土工程勘察要求

在巖土工程勘察過程中，需要結合施工區域地質條件、水文條件及勘察要求，制訂有針對性的勘察方案。通常情況下，巖土工程勘察包含可行性研究、初步勘察、詳細勘察、補充勘察等不同勘察階段，每一勘察階段的勘察要求均存在差異。地鐵勘察工作有其特殊性和特殊要求，不同的施工工法關注的重點也有區別。明挖基坑主要關注基坑支護、地層滲透性、基坑突涌等，盾構隧道則重點關注盾構掘進影響范圍內地層情況如洞身軟硬巖土、洞底溶洞發育等。因此，對應勘察方案的編制也應該圍繞實際工況確定勘察要求，地鐵工程勘察應當始終以地鐵工程建設內容為核心，并以此為導向編制有針對性的勘察方案。

4 地鐵隧道穿越巖性復雜地段巖土工程勘察方法

4.1 地質鉆探有效獲取地質勘察資料

勘察報告的編制，應當先行獲取勘察需要的各種地質勘察資料，常規的方法主要是通過地質鉆探來獲取。通常情況下，根據相關勘察工作經驗，將勘察資料劃分為兩項，即基礎資料與參數資料，而后以此為基礎確定巖土工程勘察步驟。基礎資料泛指地鐵隧道施工影響區域范圍內巖土類型、巖性、地下水以及其他地質信息。參數資料包含物理指標、力學參數、工程類型以及施工工法等。對獲取的各種勘察資料進行準確歸類整理、認真仔細分析研究，確保勘察成果的準確度[1]。

通過地質鉆探可知，此工程中勘察區域淺層分布著填土，下部以可塑黏性土、粉（砂）性土為主，在粉（砂）性土層下方分布著硬塑黏性土，下覆基巖為砂巖、砂礫巖及灰巖。因巖層之間的巖性復雜性突出，甚至巖層間存在穿插情況，在整理資料時，應當做好巖性、巖石類型的準確分類歸納整理工作。此外，在統計分析地鐵隧道工程物理指標時，發現在不同巖層中顯現溶蝕現象，因其具備巖性接觸帶，所以，在匯總勘察工作所需資料時，應當將此工段認定為重難點勘察區域，之后提出更細致的勘察計劃，指引勘察人員優選勘察方法獲取最終勘察數據。于資料整理中，也要匯總水文資料，可以設計3個常規測試孔，掌握灰巖水文動態。

4.2 完善地質雷達探測流程

在該工程中實施巖土工程勘察工作，應當進一步完善地質雷達探測流程。作為適用于該工況的勘察方法，需要明確每一項勘察步驟，而后得出對應的勘察結果。首先，在應用此種勘察方法時，理應先期了解地質勘察方法的應用原理。由于地質雷達探測中，需要釋放高頻電磁波，而后在接收反射回波期間可以利用式（1）計算出反射回波走時t。

式中，h為反射體深度；x為接收間隔距離；v為脈沖波速。

關于脈沖波速v的計算可參照式（2）：

式中，C為電磁波在真空中的傳播速度；Eγ為相對介質常數。

在整理好計算結果后，可以根據雷達電磁波變化規律對施工區的地質情況進行客觀評估。

其次，在選用此種方法開展地質勘察工作時，還需要選用性能優良的勘察設備，以主機系統地質雷達為主（見圖1）。在使用探測設備時，應當按照1 000 ns時窗，每隔20 cm設定1 024個采樣點，借此增加雷達探測方法下勘察信息的全面性。

圖1 地質雷達探測設備

最后，需要借助GPS儀進行測量定位，依據測繩量距方式準確獲取測量點反饋的相關數據。根據勘察要求、場地地層分布并結合周邊環境，本項目共布置了5條雷達測線，合計工作量約400 m。結合上述步驟，保證在雷達探測勘察方法輔助下，可以獲得可信度較高的勘察結果。

為了梳理明確的勘察思路，還應當依照下述順序進行細化校對，即采集勘察數據→傳輸勘察數據→編輯并預處理工程文件資料→處理勘察數據→獲取數據處理結果→分析圖形→注釋并修飾圖形→輸出雷達探測勘察結果。在處理雷達探測期間產生的各項數據時，包括數據轉換、數據偏移分析、數值計算等細節。經過整理后方可促使此種勘察方法在本文地鐵項目中發揮出顯著的作用[2]。

4.3 加強跨孔CT測試應用

在巖土工程勘察階段，要想保證地鐵隧道穿越巖性復雜地段時，能夠具備安全施工保障，還應當加強跨孔CT測試勘察方法的廣泛應用。此種勘察方法實則是在計算機技術輔助下，對巖土結構進行無損重建分析，實現對內部結構特征的有效了解。在實際應用環節，勘察人員應當應用地震數據采集儀，對勘察區域的地質環境進行采集作業。其中應注意的是，在初期應當實施試操作，即調整好接收點間隔距離后，確定采樣率，自此保證此種方法具備可行性，也能在整理、試操作數據期間，制訂細致的勘察計劃。同時，在應用跨孔CT測試勘察方法時，需要采集鉆孔與物探數據，充當輔助信息，助力勘察人員獲取對應的勘察結果。在勘察中設置了9個測試組。第一組激發孔間距13.7 m，實測為32 m。第二組激發孔間距為18.4 m、實測為29.5 m，第三組激發孔間距20.7 m、實測為27 m。其余組別不予以詳細闡述。在此種方法輔助下，能結合地震波范圍確定巖石風化程度。

具體應用步驟如下：（1）建立觀測系統，在系統界面新增工程名稱，而后匯總勘測點，并將相關數據上傳到系統中；（2）采集波形數據，在釋放彈性波時，需要對勘察過程中的波形數據以層析成像分析法進行多次校正，之后方可保證該系統能對此工程中的地質條件進行客觀測量；（3）建模，依據采集的數據，對層析成像分析后的信息，依照成孔速度建模。在繪制模型時可以借助Surfer軟件。

結合鉆孔資料能夠了解到：在勘察區內分布的巖石多以砂巖為主，且經CT測試孔后確定有10 cm厚的強風化砂巖，且產生的地震波在1 900～2 400 m/s以內。在灰巖測試中產生的溶蝕現象較為明顯，溶蝕寬度（溶洞高度）最高達到了3 m，巖溶發育強烈。在地鐵隧道建設期間的底板施工期間，應當加強防護。考慮到工程勘察中巖石風化程度較大，在施工時應當采取加固措施，避免因巖石風化而出現巖土脫落情況。憑借此種勘察方法形成的各種勘察數據，可為地鐵隧道安全施工事項的落實提供保障，積極應對該工程復雜地質條件帶來的施工風險[3]。

4.4 實施孔壓地溫精準監測

為了提升勘察數據的精準度，還應當在勘察中實施孔壓與地溫的合理監測，用于補充工程勘察報告的完整性。孔壓監測是指在對鉆孔作業中形成的孔壓進行測量。在此工程中，為了增加孔壓監測結果的可靠性，應當以經濟性突出的雙橋靜力觸探方式監測孔壓。在整理好測量結果后，對當前鉆孔內部的水壓情況進行分析，用于指引施工員選擇適合的鉆進施工工藝。在地鐵隧道施工中，關于地層溫度的監測很有必要。一方面，勘察人員應當確定好具體的監測點，多選擇此工程施工區的地鐵隧道頂部、隧道基底以及車站頂端。在采集溫度信息時可以采用溫度傳感器，從溫度監測數據中判斷地層溫度是否滿足施工要求。在監測地溫時需注意的是，地溫測量初始時間應當在勘察完成3 d以后，且至少進行7次的地溫監測操作[4]。本工程中經測量后，地溫在18℃左右，未發生強烈波動情況，證實此工程具備基礎的地鐵隧道施工條件，可行性較強。

5 結語

綜上所述，在地鐵隧道穿越巖性復雜且灰巖巖溶發育地段時，通過采用常規地質鉆探，結合地質雷達探測、跨孔CT測試、孔壓地溫精準監測等勘察手段，可以較好地查明場地地層分布、巖溶發育程度等工程地質條件。通過對本勘察項目的案例分析研究，可以為類似工程勘察項目提供經驗參考，為地鐵建設設計施工提供準確翔實的地質資料。