地鐵隧道穿越巖性復(fù)雜地段巖土工程勘察方法研究

王寧

（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210000）

1 引言

地鐵建設(shè)是關(guān)乎人們出行質(zhì)量的重大工程，工程建設(shè)前必須有準(zhǔn)確翔實(shí)的地質(zhì)資料為工程安全建設(shè)提供地質(zhì)依據(jù)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。地鐵隧道為線性工程，在地形地貌條件復(fù)雜的區(qū)域，同一區(qū)間隧道可能遇到多種地質(zhì)情況。影響工程建設(shè)的地質(zhì)因素較多，工程勘察時(shí)應(yīng)對(duì)影響工程建設(shè)的重難點(diǎn)地段進(jìn)行有針對(duì)性的工作布置，采用適宜的勘察手段。本文通過(guò)對(duì)某城市地鐵隧道下穿巖性復(fù)雜且?guī)r溶強(qiáng)烈發(fā)育地段勘察項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行分析研究，討論地質(zhì)鉆探與工程物探相結(jié)合的勘察方法在此類地質(zhì)條件復(fù)雜地段的適宜性。

2 工程概況

本項(xiàng)目地鐵隧道穿越巖性復(fù)雜地段，砂巖、砂礫巖及灰?guī)r交織分布，風(fēng)化巖、軟弱夾層及破碎巖廣泛分布，且?guī)r溶發(fā)育強(qiáng)烈，工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，需采用適宜的勘察手段，準(zhǔn)確查明場(chǎng)地地質(zhì)條件。本項(xiàng)目地鐵隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域全長(zhǎng)約150 m，地面標(biāo)高19～28 m，呈現(xiàn)自西向東逐漸起伏的地勢(shì)特征，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)分布有4棟6層磚混結(jié)構(gòu)的居民樓，經(jīng)調(diào)查該居民樓均為條形基礎(chǔ)，地鐵隧道建設(shè)需要考慮對(duì)居民樓建筑安全的影響。鉆探揭示該區(qū)域范圍內(nèi)場(chǎng)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(qū)域場(chǎng)地內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，在完成初勘、詳勘地質(zhì)鉆探工作后，為進(jìn)一步查明場(chǎng)地灰?guī)r巖溶發(fā)育條件，進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)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(guò)程中，需要結(jié)合施工區(qū)域地質(zhì)條件、水文條件及勘察要求，制訂有針對(duì)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(xì)勘察、補(bǔ)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(guān)注的重點(diǎn)也有區(qū)別。明挖基坑主要關(guān)注基坑支護(hù)、地層滲透性、基坑突涌等，盾構(gòu)隧道則重點(diǎn)關(guān)注盾構(gòu)掘進(jìn)影響范圍內(nèi)地層情況如洞身軟硬巖土、洞底溶洞發(fā)育等。因此，對(duì)應(yīng)勘察方案的編制也應(yīng)該圍繞實(shí)際工況確定勘察要求，地鐵工程勘察應(yīng)當(dāng)始終以地鐵工程建設(shè)內(nèi)容為核心，并以此為導(dǎo)向編制有針對(duì)性的勘察方案。

4 地鐵隧道穿越巖性復(fù)雜地段巖土工程勘察方法

4.1 地質(zhì)鉆探有效獲取地質(zhì)勘察資料

勘察報(bào)告的編制，應(yīng)當(dāng)先行獲取勘察需要的各種地質(zhì)勘察資料，常規(guī)的方法主要是通過(guò)地質(zhì)鉆探來(lái)獲取。通常情況下，根據(jù)相關(guān)勘察工作經(jīng)驗(yàn)，將勘察資料劃分為兩項(xiàng)，即基礎(chǔ)資料與參數(shù)資料，而后以此為基礎(chǔ)確定巖土工程勘察步驟?；A(chǔ)資料泛指地鐵隧道施工影響區(qū)域范圍內(nèi)巖土類型、巖性、地下水以及其他地質(zhì)信息。參數(shù)資料包含物理指標(biāo)、力學(xué)參數(shù)、工程類型以及施工工法等。對(duì)獲取的各種勘察資料進(jìn)行準(zhǔn)確歸類整理、認(rèn)真仔細(xì)分析研究，確?？辈斐晒臏?zhǔn)確度[1]。

通過(guò)地質(zhì)鉆探可知，此工程中勘察區(qū)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?guī)r。因巖層之間的巖性復(fù)雜性突出，甚至巖層間存在穿插情況，在整理資料時(shí)，應(yīng)當(dāng)做好巖性、巖石類型的準(zhǔn)確分類歸納整理工作。此外，在統(tǒng)計(jì)分析地鐵隧道工程物理指標(biāo)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在不同巖層中顯現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，因其具備巖性接觸帶，所以，在匯總勘察工作所需資料時(shí)，應(yīng)當(dāng)將此工段認(rèn)定為重難點(diǎn)勘察區(qū)域，之后提出更細(xì)致的勘察計(jì)劃，指引勘察人員優(yōu)選勘察方法獲取最終勘察數(shù)據(jù)。于資料整理中，也要匯總水文資料，可以設(shè)計(jì)3個(gè)常規(guī)測(cè)試孔，掌握灰?guī)r水文動(dòng)態(tài)。

4.2 完善地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)流程

在該工程中實(shí)施巖土工程勘察工作，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步完善地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)流程。作為適用于該工況的勘察方法，需要明確每一項(xiàng)勘察步驟，而后得出對(duì)應(yīng)的勘察結(jié)果。首先，在應(yīng)用此種勘察方法時(shí)，理應(yīng)先期了解地質(zhì)勘察方法的應(yīng)用原理。由于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)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(jì)算出反射回波走時(shí)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(guān)于脈沖波速v的計(jì)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(duì)介質(zhì)常數(shù)。

在整理好計(jì)算結(jié)果后，可以根據(jù)雷達(dá)電磁波變化規(guī)律對(duì)施工區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行客觀評(píng)估。

其次，在選用此種方法開展地質(zhì)勘察工作時(shí)，還需要選用性能優(yōu)良的勘察設(shè)備，以主機(jī)系統(tǒng)地質(zhì)雷達(dá)為主（見圖1）。在使用探測(cè)設(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照1 000 ns時(shí)窗，每隔20 cm設(shè)定1 024個(gè)采樣點(diǎn)，借此增加雷達(dá)探測(cè)方法下勘察信息的全面性。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)設(shè)備

最后，需要借助GPS儀進(jìn)行測(cè)量定位，依據(jù)測(cè)繩量距方式準(zhǔn)確獲取測(cè)量點(diǎn)反饋的相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)勘察要求、場(chǎng)地地層分布并結(jié)合周邊環(huán)境，本項(xiàng)目共布置了5條雷達(dá)測(cè)線，合計(jì)工作量約400 m。結(jié)合上述步驟，保證在雷達(dá)探測(cè)勘察方法輔助下，可以獲得可信度較高的勘察結(jié)果。

為了梳理明確的勘察思路，還應(yīng)當(dāng)依照下述順序進(jìn)行細(xì)化校對(duì)，即采集勘察數(shù)據(jù)→傳輸勘察數(shù)據(jù)→編輯并預(yù)處理工程文件資料→處理勘察數(shù)據(jù)→獲取數(shù)據(jù)處理結(jié)果→分析圖形→注釋并修飾圖形→輸出雷達(dá)探測(cè)勘察結(jié)果。在處理雷達(dá)探測(cè)期間產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)時(shí)，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)偏移分析、數(shù)值計(jì)算等細(xì)節(jié)。經(jīng)過(guò)整理后方可促使此種勘察方法在本文地鐵項(xiàng)目中發(fā)揮出顯著的作用[2]。

4.3 加強(qiáng)跨孔CT測(cè)試應(yīng)用

在巖土工程勘察階段，要想保證地鐵隧道穿越巖性復(fù)雜地段時(shí)，能夠具備安全施工保障，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)跨孔CT測(cè)試勘察方法的廣泛應(yīng)用。此種勘察方法實(shí)則是在計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助下，對(duì)巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損重建分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的有效了解。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，勘察人員應(yīng)當(dāng)應(yīng)用地震數(shù)據(jù)采集儀，對(duì)勘察區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行采集作業(yè)。其中應(yīng)注意的是，在初期應(yīng)當(dāng)實(shí)施試操作，即調(diào)整好接收點(diǎn)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(shù)據(jù)期間，制訂細(xì)致的勘察計(jì)劃。同時(shí)，在應(yīng)用跨孔CT測(cè)試勘察方法時(shí)，需要采集鉆孔與物探數(shù)據(jù)，充當(dāng)輔助信息，助力勘察人員獲取對(duì)應(yīng)的勘察結(jié)果。在勘察中設(shè)置了9個(gè)測(cè)試組。第一組激發(fā)孔間距13.7 m，實(shí)測(cè)為32 m。第二組激發(fā)孔間距為18.4 m、實(shí)測(cè)為29.5 m，第三組激發(fā)孔間距20.7 m、實(shí)測(cè)為27 m。其余組別不予以詳細(xì)闡述。在此種方法輔助下，能結(jié)合地震波范圍確定巖石風(fēng)化程度。

具體應(yīng)用步驟如下：（1）建立觀測(cè)系統(tǒng)，在系統(tǒng)界面新增工程名稱，而后匯總勘測(cè)點(diǎn)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中；（2）采集波形數(shù)據(jù)，在釋放彈性波時(shí)，需要對(duì)勘察過(guò)程中的波形數(shù)據(jù)以層析成像分析法進(jìn)行多次校正，之后方可保證該系統(tǒng)能對(duì)此工程中的地質(zhì)條件進(jìn)行客觀測(cè)量；（3）建模，依據(jù)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)層析成像分析后的信息，依照成孔速度建模。在繪制模型時(shí)可以借助Surfer軟件。

結(jié)合鉆孔資料能夠了解到：在勘察區(qū)內(nèi)分布的巖石多以砂巖為主，且經(jīng)CT測(cè)試孔后確定有10 cm厚的強(qiáng)風(fēng)化砂巖，且產(chǎn)生的地震波在1 900～2 400 m/s以內(nèi)。在灰?guī)r測(cè)試中產(chǎn)生的溶蝕現(xiàn)象較為明顯，溶蝕寬度（溶洞高度）最高達(dá)到了3 m，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。在地鐵隧道建設(shè)期間的底板施工期間，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)防護(hù)?？紤]到工程勘察中巖石風(fēng)化程度較大，在施工時(shí)應(yīng)當(dāng)采取加固措施，避免因巖石風(fēng)化而出現(xiàn)巖土脫落情況。憑借此種勘察方法形成的各種勘察數(shù)據(jù)，可為地鐵隧道安全施工事項(xiàng)的落實(shí)提供保障，積極應(yīng)對(duì)該工程復(fù)雜地質(zhì)條件帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)[3]。

4.4 實(shí)施孔壓地溫精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)

為了提升勘察數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，還應(yīng)當(dāng)在勘察中實(shí)施孔壓與地溫的合理監(jiān)測(cè)，用于補(bǔ)充工程勘察報(bào)告的完整性?？讐罕O(jiān)測(cè)是指在對(duì)鉆孔作業(yè)中形成的孔壓進(jìn)行測(cè)量。在此工程中，為了增加孔壓監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，應(yīng)當(dāng)以經(jīng)濟(jì)性突出的雙橋靜力觸探方式監(jiān)測(cè)孔壓。在整理好測(cè)量結(jié)果后，對(duì)當(dāng)前鉆孔內(nèi)部的水壓情況進(jìn)行分析，用于指引施工員選擇適合的鉆進(jìn)施工工藝。在地鐵隧道施工中，關(guān)于地層溫度的監(jiān)測(cè)很有必要。一方面，勘察人員應(yīng)當(dāng)確定好具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，多選擇此工程施工區(qū)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(shí)可以采用溫度傳感器，從溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中判斷地層溫度是否滿足施工要求。在監(jiān)測(cè)地溫時(shí)需注意的是，地溫測(cè)量初始時(shí)間應(yīng)當(dāng)在勘察完成3 d以后，且至少進(jìn)行7次的地溫監(jiān)測(cè)操作[4]。本工程中經(jīng)測(cè)量后，地溫在18℃左右，未發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)情況，證實(shí)此工程具備基礎(chǔ)的地鐵隧道施工條件，可行性較強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在地鐵隧道穿越巖性復(fù)雜且灰?guī)r巖溶發(fā)育地段時(shí)，通過(guò)采用常規(guī)地質(zhì)鉆探，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、跨孔CT測(cè)試、孔壓地溫精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)等勘察手段，可以較好地查明場(chǎng)地地層分布、巖溶發(fā)育程度等工程地質(zhì)條件。通過(guò)對(duì)本勘察項(xiàng)目的案例分析研究，可以為類似工程勘察項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)參考，為地鐵建設(shè)設(shè)計(jì)施工提供準(zhǔn)確翔實(shí)的地質(zhì)資料。