湘江隧道岩溶发育区专题勘察方案优化

摘要: 通过认真研究工可和初勘勘察资料及对比实际地质情况，决定对湘江隧道岩溶发育区原定勘察方案进一步优化，采用物探和钻探相结合的综合勘探方法，对该段的地质情况进行综合判释，有效的提高勘察效率及勘察精度，减少工作量，降低勘察成本，并为以后隧道施工提供安全保障。

关键词:岩溶发育区、勘察、方案、优化

Abstract: through the study and the work can survey and comparison, the actual geological survey data, decided to xiangjiang river tunnel karst development area survey scheme was further optimized, using geophysical exploration and drilling combination of integrated exploration method, the geological condition about section comprehensive interpretation, effectively improve the efficiency and reconnaissance survey precision, reduce work load, reduce the cost of survey, and is later tunnel construction to provide security.

Keywords: karst development area, reconnaissance, plan, and optimization

中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：

随着国民经济的高速增长，我国的各项工程建设事业蓬勃发展，取得了可喜的成就，快速地带动了国内工程勘察市场的壮大，同时也有力地推动了勘察单位的发展，经过近二十年的努力，技术人员的知识得到了更新换代，岩土工程技术不管从勘探手段、测试设备、试验仪器、计算机技术的应用还是技术人员知识的广度和深度都有了很大的提高。

1. 过湘江线路概况

长沙市轨道交通3号线一期工程一标段在里程右AK14+500～右AK15+900下穿湘江，其中里程右AK14+500～右AK15+100为湘江西河汊、里程右AK15+100～右AK15+350为橘子洲头、里程右AK15+350～右AK15+900为湘江东河汊。通过湘江段隧道结构底板标高约为-1.49～7.72m、埋深约为14.44～38.09m。

2. 背景地质资料

2.1 区域构造特点

2.1.1 褶皱

根据区域地质资料，拟建工程场地西部地处岳麓山向斜东南翼，岳麓山向斜:轴向NE35°，倾向南东，长约3km，向斜东翼被二里半断层截断。向斜由泥盆系、石炭系组成。拟建工程场地东部位于杨泗庙－观音港向斜西翼。

2.1.2 断层

根据长沙地区区域地质资料，对3号线过江段有影响的断裂主要为湘江断裂。在长沙境内沿湘江发育。

2.2 前期勘察揭露的地质概况

根据工可阶段钻孔及已完成的初勘钻孔资料，过湘江段覆盖层主要为填土（橘子洲）、圆砾、卵石、粘性土等，厚度差异较大；下伏基岩有泥盆系灰岩、砂岩、泥灰岩（主要分布在湘江断裂以西，即右AK15+600以西，其中灰岩分布段岩溶发育），湘江断裂以东为白垩系砂岩、砾岩、泥质粉砂岩等。

2.3 岩溶发育区概况

根据工可及已完成的初勘钻孔揭露，溶洞主要发育在橘子洲及湘江东河汊，预估分布里程约为右AK15+100~右AK15+700，目前已揭露到溶洞的钻孔有：工可56、57（位于橘子洲）、初勘的12、12-1、13、14（位于湘江东河汊）。根据目前的钻探资料所划定的预测岩溶发育区（橘子洲及湘江东河汊）的溶洞数量，见洞率为82%，溶洞层数为1~4层，多数以串珠状分布，溶洞顶板埋深最浅的为11.60米（初勘的12-1孔，为土洞），溶洞顶板埋深最深的为37.40米（工可的57号孔），洞高最大的为5.10~5.55米（工可的57号孔、初勘的12-1孔）。多数有充填，充填物主要为砂、卵石及粘性土，部分为空洞。

与隧道底板的位置关系：在里程右15+395处（初勘的12-1孔），隧道从溶洞中穿过，溶洞距隧道底板最深的为初勘的13号孔（16.6米）。

目前阶段钻孔揭露的岩溶特征一览表

其余均位于隧道结构底板底部，溶洞距隧道底板最近的为工可的57号孔（0.68米），

2.4 其他不良地质

根据区域构造及本次钻探，推测湘江断裂从里程右AK15+400~右AK15+600附近通过，与地铁线路近垂直相交。断裂上盘为白垩系砂岩，下盘为泥盆系灰岩，为非全新世活动断裂。

2.5 河流水文

拟建地铁右AK14+500～右AK15+900段跨湘江，其中右AK15+100～右AK15+350段为江心洲（橘子洲），在长沙市轨道交通三号线地段河床宽约1300～1400m，河床断面呈不对称的“U”。每年4月至7月为丰水期，据湘江长沙水文站观测资料，最高洪水位39.18m（1998.6.28，吴淞高程），最低水位25.16m（2007.12.14），年平均水位29.48m，最大流量20800m3/s（2007.6.28），最小流量134m3/s（1954.11.19），多年平均流量2473m3/s。最大流速1.26m/s，最小流速0.12m/s。多年平均水温18.7～19.5°。

3. 本次专题勘察范围

重点范围为预估岩溶发育区，即橘子洲及湘江东河汊，预估分布里程约为右AK15+050~右AK15+700。推测湘江断裂通过段也是这次专题勘察所要涉及的范围，目的为查明其它可能存在的岩溶发育区及断裂分布范围。

4. 勘探方法

4.1 钻探方法

4.1.1一般粘性土层采用单层岩芯管正循环钻进和干钻钻进，且随后下套管；在松散含水砂层中采用跟管钻进；卵石、碎石、漂石和块石的钻进可选用回转或冲击回转相结合的方法，若遇松散且漏水层位，可向孔内投入粘土球，然后无水干钻，使粘土与石块粘合，保护孔壁稳定，条件允许时，应下套管护壁。

4.1.2岩层钻探采用回转钻进方式，钻进以泥浆护壁为主，岩体完整，可改用清水护壁。。泥浆浓度应能满足携带残渣、冷却钻头和护壁的要求；碰到破碎带和溶洞漏水、漏渣地层，应下套管护壁。

4.1.3 对于断层破碎带和强分化岩，较难取芯，当采取率达不到规范要求时，宜采用双管钻进。

4.1.4钻孔应根据单孔技术要求进行(即钻探任务书),经验收合格后终孔。

4.2物探方法

4.2.1电测深法

4.2.1.1电测深法原理

电测深法的工作原理是利用岩层与充填物、不同岩层之间具有的不同的电阻率的这种电性差异，通过电极将直流电供入地下，建立稳定的人工电场在地表观测其垂直方向的电阻率变化，从而探测岩层垂直方向的岩性变化、岩溶、断层的分布。

4.2.1.2场地地球物理条件

根据前期地质报告，场地内溶洞内大部分充填物为砂及卵石，部分为半充填或空洞。鉴于溶洞位于地下水水位以下，溶洞内充填物一般饱和含水，溶洞内无充填物的部分一般充填有水。溶洞内介质的电阻率在20～200 Ω.m 之间，溶洞外介质一般为灰岩，灰岩的电阻率大于500Ω.m。溶洞内外介质存在明显的电阻率差异，为物探方法提供了较好的物性条件。

4.2.1.3 电测深法所能解决的主要问题： 划分土石界面、溶蚀区域圈定、查找断层构造。

4.2.2浅层地震反射法

4.2.2.1浅层地震反射法原理

浅层地震反射波法是研究利用人工激发的地震波在地下介质中的传播规律进行地质勘探的一种地球物理勘探方法，它利用被测物与其周围介质的波阻抗差异作为物性前提，包括横波反射法和纵波反射法，本次应用的是纵波反射法，其理论基础是弹性波在地下介质中传播时遇到波阻抗差异的弹性分界面会产生波的反射。在勘探中，根据接收到的地震反射波旅行时间和速度资料（包括地震波的振幅、频率、速度等参数），就可探测地层的结构和地质构造的形态、地下介质的性质，从而达到地震勘探的目的。

4.2.2.2所能解决的问题：查找断层构造、岩溶探查。

4.2. 3 跨孔CT法

4.2.3.1跨孔CT法原理

跨孔电磁波CT在两钻孔之间开展，工作时以一个钻孔为发射孔，在发射孔中按一定间距（0.5～1.0m左右）发射高频电磁波。以另一个钻孔为接收孔，在接收孔中按一定间距（与发射点间距相同）接收电磁波，对发射孔中的每个发射点，接收孔中全孔接收，应用交叉网状的射线穿透二孔之间的岩土，通过拾取各发射点至每个接收点的电磁波走时或幅度，进行复杂的数据计算，反演出两钻孔间的电磁波影像，通过影像并结合地质资料进行综合分析、解释断裂破碎带的边界、产状，岩土分界面，岩溶的边界、产状、发育与分布情况。

4.2.3.2 场地地球物理条件

根据前期地质报告，场地内溶洞内大部分充填物为砂及卵石，部分为半充填或空洞。溶洞内充填物一般饱和含水，溶洞内无充填物的部分一般充填有水。溶洞内介质的纵波波速Vp在1000～2000m/s之间，电磁吸收系数β≈0.15nepe/m。溶洞外介质一般为灰岩，介质的纵波波速Vp在4000～6000m/s之间，电磁吸收系数β≈0.05nepe/m。溶洞内外介质存在极为明显的波速差异和电磁吸收系数差异。这种波速差异和电磁吸收系数的存在，为地震反射法和电磁波CT法提供了较好的物性条件。

4.2.3.3所能解决的主要问题： 主要用于岩溶的探查。

4.3钻探方案

在满足勘察技术要求的前提下，为提高勘探效率及节约成本，在结合物探的基础上，施工时采取“跳孔”钻探，即先钻探详勘阶段的钻孔，若详勘钻孔揭露岩溶发育或物探探测到岩溶发育，则在两个详勘钻孔间适当加密钻孔继续查明岩溶发育状况。

4.4 钻探孔布置

橘子洲岩溶发育区：即里程为右15+100～右15+350段，拟采用加密钻孔并结合跨孔CT法进行综合勘探，本次专题勘察在这段按约12米间距加密布孔，即在两个详勘孔之间加密一孔；湘江东河汊岩溶发育区：即里程为右15+350～右15+700段以及西河汊右15+050～右15+100段，跨孔CT法不具备实施条件，拟采用加密钻孔并结合电测深法进行综合勘探，本次专题勘察在这段按约12米间距加密布孔，即在两个详勘孔之间加密一孔。则本次岩溶发育区专题勘察共布置有祥勘孔48个，孔号为JZ1-Ⅲ11-XJ43～JZ1-Ⅲ11-XJ92（69号和76号已施工），另布置加密钻孔51个（西河汊5个、橘子洲18个、东河汊28个），孔号为JZ1-Ⅲ11-XJ114～JZ1-Ⅲ11-XJ164。具体实施时按上述“跳钻”方案进行。

4.5 物探布置

根据过江河勘探管理勘探要求，本次物探计划沿左、右线路中心线上贯通布置两条测线，每条测线均采用地震反射法和电测深法相结合的方法进行综合勘探；在目前推断的岩溶发育地段，两中线间加密一条电测深测线；在贯通测线上有构造异常的地段分别在左、右中线外侧10m及中间增补测线，以达到查明岩溶及发育及构造发育情况的目的。橘子洲岛上采用跨孔CT法查明岩溶发育。计划工作量统计表如下表：

5. 勘察施工情况

5.1本次专题勘察从10月12日正式开始，在湘江西河汊安排一台钻机，在橘子洲岛上安排二台钻机，湘江西河汊安排二台钻机施工，物探勘探也同时展开，至12月22日全部结束。共完成物探测线6570米、跨孔CT37对、祥勘钻孔施工48个、加密钻孔施工44个，钻孔见洞率81.8%。断裂分布范围确定为左线钻孔JZ1-Ⅲ11-XJ86～JZ1-Ⅲ11-XJ90，右线钻孔JZ1-Ⅲ11-XJ87～JZ1-Ⅲ11-XJ164之间（里程右AK15+650～AK15+700），断裂走向近南北向。

5.2根据“跳钻”钻孔资料和物探资料判译，在即没有揭示溶洞而物探又没有显示异常的地段有7个加密钻孔没有施工，其中橘子洲岛上3个（123号、128号、132号）、湘江东河汊4个（140号、144号、146号、159号）。

6. 勘察方案施工效果分析

6.1 通过本次专题勘察，基本查明了隧道过湘江段场地土洞、岩溶等的特征和分布、性质和规模及断裂分布范围。

6.2 本次勘察共施工加密钻孔44个，比原定的51个钻孔少施工了7个钻孔。工期比预计提前了9天，节约钻探费和施工租船费用约10万元，节约封航费10.8万元。扣除增加的物探费用，净节约成本约12.6万元。而且施工工期得到了保证。

6.3 通过钻探和物探，基本查清了勘察段岩溶的发育情况和湘江断裂通过段的分布范围，钻探资料和物探资料进行综合判译能够更好地查明岩溶发育情况和断裂分布范围，有效地提高了勘察效率及勘察精度，降低了勘察成本。为下一步隧道施工提供了安全保障。

6.4 通过对比分析，在其它类似的岩溶发育区也可以采用此勘察方案施工。

参考文献:

[1]《长沙市轨道交通三号线一标段可行性研究阶段工程地质勘察报告》（广东省地质物探工程勘察院.2011.8）

[2]《长沙市轨道交通 3 号线一期工程（跨江河地段）工程地质（初）详勘技术要求》(中铁第四勘察设计院集团有限公司.2011.8)

[3]《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。