深圳某明挖地铁车站勘察方法研究及处理技术

贾振坡 梁晓辉

(1.中国矿业大学,北京 100083; 2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司,北京 100101)

1 概述

深圳地区的可溶岩主要为覆盖型和埋藏型，覆盖型可溶岩分布于龙岗区大部分地区，属可溶岩相对缓坡带；埋藏型可溶岩主要分布于龙岗及坑梓地区的第四系谷、盆边缘及两侧山体低洼处的测水组砂页岩之下；岩溶不良地质的勘察及处理技术成为该地区工程建设的主要难题之一，如何合理、准确的探明岩溶分布位置、类型和规模成为工程建设成功与否的一个关键点。

2 工程概况

深圳市某地铁车站设计全长为225 m，结构标高约为21.8 m，底板埋深约为18 m。本次施工方法采用明挖法施工，拟建场地内岩溶为覆盖型岩溶，发育类型主要有溶洞和溶隙。

3 勘察方法与手段

根据已掌握的地质资料和地质情况，综合选择钻探、地球物理勘探、原位测试、室内试验、水文地质试验等方法，并结合钻探物探相互验证、两种或两种以上物探方法共同验证等手段[1]，有针对性地进行岩溶专项勘察。

3.1 工程地质调查

为了深入研究勘察区域岩溶发育的区域地质背景，收集了深圳市1∶5万地质图、《深圳市龙岗区岩溶塌陷灾害勘查报告》(广东省深圳市地质局，深圳市地质矿产局，1998年7月)、《深圳地质》(地质出版社，2009.08)和相关区域道路及房屋建筑勘察资料，并对曾经发生过岩溶地面塌陷的区域进行现场调查核实。

3.2 工程地质钻探

钻探的目的主要是查明施工场地下伏基岩埋深和岩面起伏情况，查明可能存在的岩溶洞穴的发育程度和空间分布以及洞穴中岩溶水的埋深、动态、水动力特征等；为物探提供CT孔，验证物探发现的异常情况；开展溶洞充填物原位测试和取样试验。

钻探勘探点的布置主要遵循以下原则。

3.2.1钻孔平面布置

按车站轮廓线沿车站敷设方向布置三排钻孔，钻孔间距为15 m。其中车站两侧边线钻孔利用详勘钻孔。

3.2.2钻孔深度布置

1)控制性勘探孔进入结构底板下不小于25 m或进入结构底板以下中等风化或微风化不小于5 m，一般性勘探孔进入底板下不小于15 m或进入结构底板以下中等风化或微风化不小于3 m；要求深度内遇微风化岩时，控制性勘探孔可钻入微风化岩3 m～5 m，一般性勘探孔可钻入微风化岩1 m～2 m；要求岩溶发育地段钻孔孔深至少要进入结构底板或桩端平面以下10 m；揭露溶洞时可根据工程需要适当加深。

2)根据物探(跨孔CT、管波测试)要求，为消除测试盲区，岩溶发育区所有要进行测试的勘探孔深度应在满足规范要求的深度基础上再加深5 m。

3.2.3钻孔性质布置

本次专项勘察分为控制性勘探孔和一般性勘探孔，其中控制性勘探孔不少于总孔数的1/3，取样及原位测试孔不少于总孔数的1/2。

3.2.4验证孔

为了进一步确认物探试验推测的关于岩溶发育情况的成果资料是可靠的，在进行跨孔弹性波CT测试之后，在物探推测的岩溶部位又选取3个钻孔进行钻探验证。根据以上布置原则，拟建地铁车站共布置钻孔45个，其中28个为利用详勘钻孔。

3.3 物探

针对本工程岩溶问题，主要采用跨孔弹性波CT法和管波探测法两种物探方法进行勘察。

3.3.1跨孔弹性波CT法

1)原理简介。跨孔弹性波CT法(亦称为跨孔地震CT法)是通过将收集的有关地质体的走时、能量、波形变化等信息输入计算机，通过计算机对信息的处理并重建地质体内部结构图像的一种跨孔物探方法，是计算机技术与现代地震数字观测技术相结合的产物[2]。

跨孔弹性波CT法的工作原理是以一个钻孔为发射孔，在发射孔中按0.5 m～1.0 m间距发射高频弹性波(声波),并以相邻钻孔为接收孔，在接收孔中按与发射点相同的间距接收弹性波，接收孔中接收点布置要和发射孔已知，以便能够做到全孔接收，发射孔发射出的声波以交叉网状的射线穿透两钻孔之间的岩土层，通过拾取每个发射点和接收点声波的走时或幅度等信息，通过计算机反演计算，得到两孔之间的波速影响，并通过与地质资料综合分析，得到钻孔所不能揭示的岩土分界面、岩溶空间发育况和分布情况。

2)CT孔布置图示。根据钻探情况，对岩溶相对发育区(根据钻探)布置CT孔，相邻的两个钻孔进行配对扫描(如图1所示)。

3.3.2管波探测法

1)原理简介。管波探测法是在钻孔中利用特殊的弹性波(“管波”)，探测钻孔周边一定范围内可能存在的溶洞、溶蚀裂隙和软弱夹层等不良地质体的最新孔中物探方法[3]。

管波探测法的工作原理是：在钻孔中利用“管波”这种特殊弹性波作为探测物理场，通过对反射波的收集，分析波幅特征，并对产生波阻抗差异的界面进行解释，从而可以推断孔旁溶洞、溶蚀裂隙和软弱夹层的发育情况[4]。

2)异常特征及其地质解释。管波探测法异常主要表现为两种：一种是在界面处的管波反射，另一种是在不良地质体处的管波能量变化。

钻孔中可能产生管波反射的界面主要有：基岩面、溶洞顶和底面、裂隙、孔底、水面等。引起管波能量变弱的不良地质体主要有：溶洞、溶蚀、软弱岩层、土层等。

管波探测法的地质解释分为完整基岩段、裂隙发育段、溶蚀发育段、岩溶发育段、软弱岩层和土层等6种情况。完整基岩段的特征是：管波无能量衰减，界面反射在段内明显甚至有多次反射；岩溶发育段的特征是：管波能量严重衰减，界面反射在段内消失了；裂隙发育段、溶蚀发育段的特征是：段内界面反射多，溶蚀发育段伴随有能量衰减现象。软弱岩层和土层的特征是：管波速度变低和有能量衰减。

根据以上原则，拟建车站(主体结构)共布置管波探测孔42个。

4 岩溶验证情况

本次勘察在钻探上揭露的溶洞与物探CT的结果基本吻合，除个别溶洞因深度较大，物探未能反映。为了进一步确认物探试验推测的关于岩溶发育情况的成果资料是可靠的，在进行跨孔弹性波CT测试之后，在物探推测的岩溶部位又选取3点进行钻探验证。验证孔的选取原则主要包括：

1)对工程安全有影响的溶洞；2)钻孔没有揭露而跨孔弹性波CT法有所反映的溶洞；3)物探揭示的岩面与已有钻孔揭示的岩面差异较大的剖面。

根据上述原则，所选取的跨孔弹性波CT法剖面号分别为M16Z3S-TLCT32、验证孔孔号分别为M16Z3S-YZTL01，现将验证钻孔相关情况分述如下，M16Z3S-YZTL01验证情况见图2。

1)二者差别：岩面：物探推断14.1 m，钻探揭露13.6 m，误差0.5 m，基本吻合。溶洞与岩溶发育区：物探推断岩溶发育区1深度为21.6 m～23.4 m，钻探揭露溶洞发育深度为24.4 m～25.3 m；物探推断岩溶发育区2深度为34.3 m～38.52 m，钻探在此深度范围内揭露见溶蚀现象及半边岩，基本吻合。2)误差分析：a.跨孔弹性波CT法根据波速差异解释岩溶的存在情况，由于引起弹性波波速变化的因素很多，因此所圈定的岩溶发育区在宏观上可能表现为溶洞、溶蚀裂隙等岩溶发育情况，其中会包含部

分孤立、规模较小的中、微风化岩块。b.跨孔弹性波CT法根据波速差异解释岩溶的边界，受走时观测误差的影响，存在一定误差。c.对于物探推断34.3 m～38.52 m的岩溶发育区，在钻孔岩芯在对应深度(33.8 m～34.0 m，35.0 m～35.3 m)存在明显的溶蚀现象。

5 结语

1)钻探施工获得的资料具有直观性、可靠性等特点，因此钻探在工程施工中成为采用最多的勘探手段，但由于钻探只能揭示钻孔内的目的物，在溶洞发育地区很难完整地反映地下溶洞的展布情况，又不能以极密的网度来查明复杂的空洞区的分布特征时，在岩溶发育区结合跨孔弹性波CT法，便可从钻探的“一孔之见”扩展到一个剖面，发现两钻孔之间可能存在的岩溶、溶蚀裂隙；

2)管波探测法能够探测钻孔旁一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体，同时可以对跨孔弹性波CT法起到验证补充作用；因此将钻探手段和跨孔弹性波CT法、管波岩溶探测等物探方法有机结合起来，有效的避免了钻探资料的单一性和物探方法的多解性，能够以极高的效率性和可靠性为深圳地区地下岩溶的类型、规模、发育情况提供地质资料。