朱鑫磊，杨 磊，冯光福，赵喜斌，杨喜锋，彭雨杨

(1.广西南宁机场综合交通枢纽建设公司，广西 南宁 530000；2.中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004；3.南宁轨道交通集团有限责任公司，广西 南宁 530000；4.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

1 引 言

随着基础交通工程建设的不断推进，特别是盾构机械的广泛应用，我国隧道与地下工程逐渐呈现出网络化的发展趋势[1-3]。与此同时，不可避免地将有越来越多的盾构穿越复杂地质区，包括盾构穿越岩溶区[4-6]。事实上，因岩溶隐蔽性强、复杂程度高、治理难度大，而现有岩溶探测技术又以经验性为主，难以确保岩溶探测的准确性，导致注浆加固缺乏针对性、有效性，后续盾构施工时极易发生栽头、地表隆陷或坍塌、掌子面突涌水，以及工后沉降大等工程灾害，甚至造成重大经济损失、人员伤亡等[7-11]。可见，岩溶精准探测是确保后续盾构安全掘进的关键因素之一。

目前，国内外学者围绕隧道穿越岩溶区探测开展了大量研究工作，也提出了多类岩溶探测方法，如钻探法[12,13]、探地雷达法[14-16]、电磁波CT法[17,18]、微动法[19,20]、高密度电法[21-23]等。然而，盾构法隧道与矿山法隧道穿越岩溶区不同，若采用传统的钻探法探测岩溶，探测过程中无法避免出现卡钻、掉钻，导致后续盾构掘进过程中极易损伤刀盘。为此，国内外学者提出了钻探与物探结合的综合探测方法，并逐步推广应用到工程实践中。例如，对于穿越富水岩溶地层的隧道，张霄等[24]采用多种物探方法探测了溶洞及断层破碎区，综合多种物探结果比对分析，确定了不良地质体的空间位置及展布形态；对于越江盾构隧道，宋明福等[25]根据长沙市南湖路湘江隧道的勘探要求以及盾构穿越区的地质条件，在地质钻探结果的基础上采用多种物探方法对测区内岩溶分布情况进行了精细化探测；对于穿越强岩溶地层的盾构隧道，Cueto等[26]以钻探结合物探方法探测了沙特阿拉伯利雅得地铁3号线岩溶情况；对于穿越海底岩溶区的盾构隧道，周华贵等[27]提出了“跨孔CT物探+钻探”的海底隧道岩溶勘察方案，探测出了海域岩溶的发育情况和分布形态。上述大量实践案例已表明，物探与钻探相结合的综合探测方法在盾构掘进线上进行岩溶探测具有较好的可行性和有效性。

鉴于此，本文以南宁国际空港综合交通枢纽工程地铁机场引入线盾构穿越岩溶区为依托，开展不同探测方法的适用性评价，提出该区间的最优岩溶探测组合方法，并选取典型区段开展原型试验研究，确定区段岩溶处治加固范围。考虑类似案例不断增多，提出的综合探测技术方法和相应的岩溶处治具有一定的工程参考和借鉴价值。

2 工程概述

拟建的南宁国际空港综合交通枢纽工程地铁机场引入线采用与南宁至崇左铁路同层，从吴圩镇站至机场站的区间明阳大道东北侧起，并行南宁至崇左铁路东侧、向西敷设地下进入机场，引入隧道全长约2 989 m。该区间隧道拟采用盾构法施工，为分修的两条单线隧道，盾构左线起始里程ZDK11+091.533，终点里程ZDK14+046.213，总长为2.955 km；右线起始里程YDK11+091.617，终点里程YDK14+045.042，总长为2.954 km。隧道最小曲线半径为2 km，纵坡为小里程向大里程端“V”型坡，最大坡度均为6 ‰。区间地面高程约110～143 m，隧道埋深约9.7～38.2 m，设计盾构管片外径6.7 m，内径6 m。区间典型地质情况自上而下依次为：①素填土；②角砾土；③黏土；④泥质粉砂岩；⑤白云质灰岩(图1,图2)。地下水主要有第四系土层孔隙水(上层滞水)、基岩裂隙水、岩溶水三种类型。值得注意的是，DK9+997～DK12+685段属岩溶溶蚀—堆积成因的孤峰平原区，为盾构施工高风险区。为此，有必要对该区域进行岩溶精准探测，获取岩溶信息，为注浆加固处理方案提供依据。

图1 左线地质剖面Fig.1 Left-line geological profile

图2 右线地质剖面Fig.2 Right-line geological profile

3 岩溶探测方法选取

3.1 常用方法及其适用性评价

为了对盾构掘进区的岩溶进行精准探测，对目前常用的岩溶探测方法,即高密度电法、电磁波CT法、微动法、探地雷达和地质钻探方法进行适应性评价，评价结果详见表1。

表1 探测方法的适应性评价

3.2 拟采用的探测方法及原理

根据上述工程适应性分析结果，拟采取以下物探方法：

3.2.1 电磁波CT法

电磁波CT法是基于电磁场理论和天线理论的一种物探方法[28-30]。在数据采集时，将对称偶极天线分别置于2个相邻的钻孔中，在一个钻孔中自下而上等间距发射电磁波，相邻钻孔中自下而上等间距接收。同时，将两个钻孔之间的地质体划分成N个细小单元，通过复杂计算，得到每个单元的吸收系数，并生成反映剖面地层特性的吸收系数影像。根据影像特征可以识别不良地质体和划分地层，具体如图3所示。

图3 电磁波CT法测试及成像原理Fig.3 Electromagnetic wave CT test and imaging principle diagram

3.2.2 微动法

微动法是一种采用台阵方法(Spatial Autocorrelation Method,SPAC法)来接收微动信息的物探方法[31-33]。实际应用中，一般布设3个观测点，均布在圆周上，与圆心位置上的另一个观测点构成观测台阵[34]，具体如图4所示。从所收集的微动信息中提取瑞利面波的频散特性，通过对频波速度，以此推断地壳浅部的横波速度结构，进行地质分层。

图4 微动法观测台阵示意图Fig.4 Microtremor observation array diagram

4 综合探测技术现场应用研究

4.1 试验段的选取

根据工程初步勘探资料，场地DK9+997～DK12+685区段属岩溶溶蚀—堆积成因的孤峰平原区，地下可溶岩分布广。为验证本方案的可行性，选取岩溶发育区内的典型区段DK11+379.692～DK11+499.589 4作为试验段进行试验研究，区段内地面高程120～123 m，隧道埋深约10～15 m。

4.2 试验方案与过程

考虑到地质钻探法在岩溶探测的过程中会出现“掉钻”、“卡钻”等情况，进而导致后续盾构掘进时因切削到钻头而损坏刀具。因此，本次试验方案首先采用地质钻探法探测试验段内的盾构掘进线外溶洞的位置与埋深情况，再结合电磁波CT法和微动法探测掘进线上的岩溶分布情况和规模特征，具体如综合测线布置图(图5)所示，最后根据物探解释成果和钻探成果进行综合统计分析。

图5 综合探测布线Fig.5 Integrated detection wiring

4.2.1 地质钻探

为了详细地探测出试验区段内盾构掘进线内侧及外侧的岩溶情况，并考虑到后续物探方法可在已有的部分钻孔中进行探测。而物探测线布置时，钻孔间距以及钻孔到掘进线的距离不能过大，以免发生少测、漏测等情况。因此，本次钻孔布置要求距隧道轴线最少保证1.5倍隧道直径的距离，同时根据不同地面高程及隧道埋深情况，按15～25 m间距进行布孔，共布置8个钻孔，孔深约30 m，孔编号为BZ-DT-22～BZ-DT-29，考虑到文章篇幅原因，钻孔测线布置如图6所示，部分钻孔柱状图如图7所示。

图6 钻孔测线布置Fig.6 Drilling survey line arrangement

图7 钻孔柱状图Fig.7 Borehole histogram

4.2.2 电磁波CT法

由于掘进线上的溶洞的危险性最大，若没有精确探测出掘进线上是否存在溶洞，极易导致后续盾构掘进时出现陷落、“载头”以及掘进面突泥涌水等情况。因此，本次CT物探的测线布置采用20 m的工作网度，即CT钻孔间距20 m左右，共计布置CT钻孔18个，钻孔直径90～120 mm，孔深30 m，CT钻孔需全程下φ75 mm的PVC套管防止垮孔。在CT钻孔内布设偶极天线(所用仪器为HX-JDT-03A井下无线电波透视仪，主要工作频率采用6 MHz)，共计36对测线，呈梅花状布置于指定工作区范围内，以保证精确探测出整个试验段内的岩溶情况。孔内接收测点间距1 m、发射测点间距1 m，观测深度0～30 m，对于每一个发射测点，在全部接收测点进行接收后通过对探测获取的数据使用反演成像软件进行数据处理，同时输入测线地面高程和孔间距等数据，再根据工程经验在软件中合理设置成果解释必要属性参数，最后根据不同视吸收系数进行反演解释。考虑到文章篇幅原因，物探测线布置及现场操作具体如图8、图9所示，部分电磁波CT物探剖面如图10所示。

图8 电磁波CT法物探测线布置Fig.8 Electromagnetic wave CT detection line layout

图9 现场物探操作示意图Fig.9 Schematic diagram of on-site geophysical prospecting operations

图10 电磁波CT物探成果剖面Fig.10 Cross section of electromagnetic wave CT geophysical prospecting results

4.2.3 微动法

由于电磁波CT法钻孔深度约30 m，探测深度未达到要求。为进一步补充电磁波CT法未探测出的隐伏岩溶位置、规模、边界、充填性质，再采用微动法进行深度探测。根据场地的实际情况及目的要求，测线沿线路中线布设，探测深度达到地面以下40 m，测点间距5～10 m，共布置两条测线(WD4、WD4-1剖面长度分别为48 m、35 m)，考虑到文章篇幅原因，侧线布置如图11所示，部分探测成果如图12所示。

图11 微动法测线布置剖面Fig.11 Profile of measuring line layout by micro-motion method

图12 微动探测成果剖面Fig.12 Profile of micro-motion detection results

4.3 试验成果统计与分析

4.3.1 溶洞数量及规模大小

本次试验段钻探和物探揭露的溶洞总数为20个，其中，钻孔直接揭露的溶洞有11个，溶洞埋深16～21 m，均处于中风化灰岩地层，钻孔见洞率55 %。钻探总进尺约6 051.8 m，见溶洞钻探总进尺236.6 m，平均线岩溶率3.9 %，表明沿线岩溶强烈发育。在物探和钻探揭露的所有溶洞中，高度小于3 m的溶洞有3个，占溶洞总数量的15 %，高度3～5 m的溶洞有15个，占溶洞总数量的75 %，高度大于5 m的溶洞有2个，占溶洞总数量的10 %。此外，在岩溶区内存在发育串珠状溶洞，其发育最大高度约为4 m，串珠溶洞间基岩(灰岩)厚度约2 m。

4.3.2 溶洞充填状况

揭露的20个溶洞共有17个溶洞处于充填状态，充填率达到85 %。其中，钻孔揭露的11个溶洞均被黄色、软塑状黏性土充填，有10个溶洞被黏土全充填，1个溶洞被黏土少量充填。物探揭露的9个溶洞中有3个溶洞为无充填，6个溶洞均为全充填，充填物均为黄色、软塑状含砾砂黏土，主要来源于上部覆盖层。

4.3.3 溶洞发育分布

在RD6、RD13岩溶区发育范围大，面积约120～220 m2；在RD1、RD2、RD4、RD5、RD7、RD9、RD11、RD15、RD17、RD19、RD20岩溶区发育范围较大，面积约37～90 m2；其他7个区域内，岩溶发育范围较小，面积一般小于25 m2，探测结果详见表2。

表2 场地不良地质成果

4.3.4 溶洞与隧道相对位置关系

试验段内溶洞深度范围为16～24 m，隧道埋深约为10～15 m，根据钻探和物探揭露的高程数据，对溶洞与隧道的相对位置进行了统计分析，结果见表3。

表3 岩溶发育与隧道结构的关系

4.4 岩溶注浆范围的确定

基于“地质钻探+电磁波CT法+微动法”的综合探测结果，参考了相关文献[35, 36]并结合类似工程经验，确定了岩溶注浆加固范围(图13)：隧道轮廓线外两侧2 m范围内的溶洞必须进行处理，隧道顶部以上3 m范围内的溶洞也必须处理；所有隧道轮廓范围内的溶洞必须处理；结构轮廓外放2 m后，隧道底板以下5 m内溶洞必须处理；底板以下5～10 m范围内的溶洞，若覆跨比小于1，且溶洞稳定岩面顶板高度小于2 m时，需进行充填处理，若覆跨比大于1，且溶洞稳定岩面顶板高度不小于2 m时，无需进行充填处理。

图13 溶洞发育区加固范围处理范围示意图Fig.13 Processing scope diagram of reinforcement area in karst cave development area

5 结 论

1)通过对高密度电法、电磁波CT法、微动法、探地雷达以及地质钻探进行适应性评价，提出了“地质钻探法+电磁波CT法+微动法”的联合探测方法，解决了盾构隧道穿越岩溶区地层探测的难题。研究表明，该方法具有探测精度高、深度大，不受场地限制且勘探成本低等特点。此外，该方法可在引水工程、电力隧道等岩溶探测工程中推广应用。

2)基于提出的“地质钻探法+电磁波CT法+微动法”联合探测方法选取典型试验段进行了实践研究，测试结果表明该区间岩溶强烈发育且集中，揭露的溶洞共有20个，见洞率达55 %，平均线岩溶率3.9 %，85 %的溶洞为有充填物的大型溶洞、90 %的溶洞分布于隧道底板以下、10 %的溶洞穿过隧道或位于隧道侧方，该区间盾构施工风险较高，施工前应提出有针对性的处理措施。

3)基于“地质钻探法+电磁波CT法+微动法”联合探测结果，确定了南宁国际空港综合交通枢纽工程地铁机场引入线盾构穿越岩溶区注浆合理加固范围，具体为：隧道掘进线和掘进线两侧2 m范围内，以及隧道顶部3 m范围内的溶洞都必须处理；位于隧道外径两侧2 m范围内的底板以下5 m内的溶洞必须处理；底板以下5～10 m范围内的溶洞，若覆跨比小于1，且溶洞稳定岩面顶板高度小于2 m时，需进行充填处理，若覆跨比大于1，且溶洞稳定岩面顶板高度不小于2 m时，无需进行充填处理。