查明软土、构造、地下管线、溶洞的分布情况是地铁隧道施工中采用地球物理方法进行勘探的主要目的.广西省南宁市处于我国的华南、西南和东南亚结合部的亚热带溶洞发育地区.拟建南宁市地铁3号线车站, 根据初步钻探资料发现研究区有多处溶洞.在地铁隧道工程施工过程中, 为了避免和解决溶洞带来的工程稳定性问题, 例如发生突水、塌陷、围岩变形破坏等并使构筑物悬空或部分悬空的现象.这些问题的存在会为地铁隧道基础稳定及整个后期运行的可靠性带来安全隐患(王木群, 2011; 陈天磊, 2014).基于高密度电法可以获取研究区二维导电性结构图, 从而可以比较直观的分析推断出溶洞的位置、大小及分布状态.自1991年以来, 国内有很多学者利用高密度电法对溶洞的探测进行了研究.如王兴泰(1996)对高密度电阻率法在环境和工程物探领域开展原理研究并给出某些地断面上几种视参数的正演模拟结果; 赵光辉(2006)在长沙-邵阳高速公路地区利用高密度电阻率法对溶洞进行圈定, 取得了良好的效果.另一方面因为高密度电法受混凝土与沥青路面等地形条件影响较大, 会产生一定的盲区和异常, 所以采用地质雷达可以较好的弥补这部分区域.随后, 李大心等人也相继开展了地质雷达对探测溶洞的研究工作; 戴前伟等(2000)对地质雷达的应用条件进行探讨, 重点研究电导率、介电常数、探测频率对地质雷达探测的影响; 通过浦长龙等(2015)在黑龙江省某市地质公园地区应用地质雷达获取了比较直观、分辨率较高的数据并分析圈定了测区溶洞位置、大小及分布状态, 取得了一定的探测效果.在面临溶洞问题时, 不仅需要结合已知地质资料, 还需要用到综合物探方法, 消除单一物探方法的局限性, 较为准确可靠的解决工程地质问题.本文通过高密度电法和地质雷达相结合对南宁市地铁3号线车站的溶洞发育地区进行针对性探测, 进而圈定溶洞发育的区域, 再通过布置钻孔收集到的岩芯资料进行对比验证, 从而取得了较好的勘察效果.

本次研究区为南宁地铁3号线车站, 整个地铁线路穿越溶蚀残丘谷地区.沿线地形经过平整, 地势变化较平缓, 高差不大.研究区车站为南宁地铁3号线自北向南的第21座车站.拟建车站位于平乐大道与庆歌路交叉口处, 沿平乐大道南北向敷设于公路正下方, 人口稠密且交通情况复杂.出露地层为第四系和泥盆系(图 1).

图 1

Figure 1

图 1 南宁市地质构造纲要图 Figure 1 Nanning city geological structure outline map

溶洞的发育程度主要受岩石的可溶性、地质构造(包括岩层层面、断层、裂隙等)和地下水控制.本次研究区可溶岩为泥盆系(D)的榴江组(D₃L)灰岩和五指山组(D₃W)泥灰岩, 青灰色、隐晶质结构、中厚层状构造、以碳酸盐矿物及硅质矿物为主, 主要成分为可溶性盐岩, 为溶洞发育提供物质条件.可溶性为中等强度至强(方大为, 2011).

根据研究区内地下水赋存条件、含水介质及水动力特征分析, 可将研究区内地下水划分为两种基本类型:松散岩类孔隙水和碳酸盐溶洞水.

(1) 松散岩类孔隙水, 含水岩组为填土层、坡残积的黏土层、粉质黏土层和碎石土层, 地下水类型为潜水或上层滞水.

(2) 碳酸盐溶洞水, 属覆盖型溶洞水, 在车站范围内广泛分布.主要赋存于泥盆系的灰岩、泥灰岩中, 岩层厚度较大, 岩体局部溶蚀裂隙及溶洞发育, 水头最大高度约为16 m, 属于承压水.地下水位的变化受地形地貌、地层岩性、地下水补给来源、气候等因素控制.根据前期岩土勘察对孔内测量得到的数据显示溶洞水稳定水位一般在地面以下3.55~5.75 m之间, 标高在87.78~90.57 m之间.

构造活动产生的褶皱和断裂, 大面积的地壳上升与沉降, 都密切地控制着水动力条件, 即可溶岩中水流的运移、赋存和渗流状态, 综合影响到水对可溶岩的溶蚀方式和格局, 影响到溶洞形态、规模和类型.研究区在地质构造上位于华南准地台南端, 即右江再生地槽南缘的西大明山东段高峰隆起束内.区内主要经历了三个构造发展阶段, 分别为早古生代(加里东期)地槽阶段; 晚古生代(海西期)地台阶段; 中生代晚期至新生代(燕山至喜山期)陆内断陷盆地阶段.因此褶皱和断裂都比较发育, 而且普遍具有继承性和多期活动的特点.研究区断裂构造较发育, 大多数为正断层, 少数为逆断层和平移断层, 其中少数具有复合性或继承性特征.第四系中也有断层出现, 但规模小.根据断层走向可分为东西向断层、北西向断层、北东向断层.

根据区域资料, 研究区构造决定了研究区灰岩呈条带状展布的空间特征, 对溶洞发育的方向和规模起着宏观控制作用.构造活动产生的褶皱和断裂, 大面积的地壳上升与沉降, 都密切地控制着水动力条件, 即可溶岩中水流的运移、赋存和渗流状态, 综合影响到水对可溶岩的溶蚀方式和格局, 影响到溶洞形态、规模和类型.研究区溶洞多以顺层面和裂隙溶蚀为主, 该溶洞在形态上为垂直走向发育的陡立漏斗, 总体上垂向发育的溶洞较顺层发育的溶洞规模要大.

研究区出露地层为第四系和泥盆系, 岩性为黏土、角砾土、石灰岩、泥灰岩等.普遍发育节理, 随风化程度的不同, 各类岩石性质差别较大, 泥岩以全风化及强风化为主, 呈坚硬土状或密实粉土状, 局部夹有残砾.灰岩、泥灰岩为中等风化, 中厚层构造.其中它们之间电阻率值关系：黏土＜泥灰岩＜角砾土＜石灰岩.具体电性参数见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 研究区岩石和黏土电性参数 Table 1 The study area of rock and clay electrical parameters

表 1 研究区岩石和黏土电性参数 Table 1 The study area of rock and clay electrical parameters

溶洞孕育阶段空洞部分显著发育, 充填物较少且松散, 洞体内为空气, 从电性上反映为高阻.当介电常数为1, 电导率为0, 空洞顶面会发生电磁波的强反射或绕射, 地质雷达剖面上双曲线异常十分明显; 溶洞稳定阶段被充填, 如溶洞水、黏性土、残积土、砾石土等半充填或完全充填且充填物导电性一般较好, 电性特征呈低阻反映.介电常数一般为30~80, 电导率为0.5~1000, 从地质雷达剖面上反映为反射波同相轴错段和减弱.溶洞充填后的电阻率与围岩电阻率存在着明显差异, 特别是溶洞中充填水或充填黏土均存在较大的差异(姚伟等, 2012).致密性较好的石灰岩一般电阻率较高, 多在2000 Ω·m以上.该区地层溶洞主要发育在基岩面或节理交汇处.根据以上分析结果表明, 研究区内应用高密度电法和地质雷达有较好的前提.

高密度电阻率法是在常规电阻率法基础上演变而来, 其工作原理与常规直流电法一致, 以地下岩土介质导电性差异为基础, 根据在给定地下传导电流的分布规律, 推断地下不良地质体的存在情况.其中测定地下电阻率公式为

(1)

(2)

其中视电阻率ρ_s(Ω·m); ΔV为N和M之间的电位差(V); I为供电电流(A); K为装置系数; AM、AN、BM和BN分别为各电极之间的水平距离(m).

研究区采用温纳装置(WN)又称为对称四极装置方式.A、M、N、B等间距排列, 其中A、B是供电电极, M、N是测量电极, AM＝MN＝NB为一个电极距, 电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加, 四个电极之间的间距也均匀拉开.该测量方式为剖面测量方式, 所得断面为倒梯形(图 2)(董浩斌和王传雷, 2003; 蔡晶晶等, 2011；陈松, 2017).

图 2

Figure 2

图 2 高密度电阻率法工作示意图 Figure 2 The schematic diagram of high density resistivity method

地质雷达是利用超高频脉冲电磁波来探测, 当发射天线向地下发射高频宽带短脉冲电磁波时, 遇到具有不同介电特性的介质就会出现部分电磁波能量被反射, 接收天线接收反射回波并记录反射时间(图 3).电磁波向地下介质传播过程中, 遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波.反射波能量大小取决于反射系数, 而反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质的相对介电常数的差异.差异越大反射系数越大, 则反射波信号越明显.根据分析反射波来回所需要的时间、波形、振幅的特征, 来判别反射体的性质和位置, 查明和研究地下地质问题的勘探方法(杨耀等, 2010; 汤志刚等, 2011).

图 3

Figure 3

图 3 地质雷达法工作示意图 Figure 3 The schematic diagram of ground penetrating radar

(1) 高密度电法

研究区测量仪器选用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-3型高密度电阻率测量系统, 由DUK-2多功能数字直流激电仪和120路电极转换器组成并采用工程物探中常用的温纳剖面法.

研究区高密度电法沿区间轮廓线外侧布设2条测线(图 4), 测线共长967 m, 测线线距154 m.高密度电法工作点距(电极距)5 m, 总电极数为60个, 毎个排列观测20条(层)剖面线, 最大极距为117.5 m, 最大隔离系数为20.

图 4

Figure 4

图 4 研究区物探测线布置图 Figure 4 The line layout diagram of research area

(2) 地质雷达

由于研究区受混凝土沥青路面的影响, 单一使用高密度电法会产生一定的盲区和异常、遗漏较小的溶洞, 增加地质雷达以达到全面覆盖研究区溶洞的目的.

ZCK24+279-ZCK24+346段研究区选用美国GSSI地球物理探测公司生产的SIR-3000便携式地质雷达进行探测.地质雷达方法布置1条测线, 主要布置在高密度电阻率法2条测线以内的公路上.测线共长94 m(图 4).地质雷达法采用32 M低频非屏蔽天线, 天线间距2 m, 时窗为600 ns的连续测量方式与每0.5 m的点测相结合.

(1) 高密度电法

通过使用RES2DINV高密度电法二维反演软件对采集数据进行处理并采用最小二乘法反演技术, 最终获得电阻率断面反演图.一般第四系覆盖层, 电阻率特征为低阻, 几十到几百Ω·m; 当溶洞充填时, 电阻率特征为低阻, 几到几十Ω·m; 测区内的灰岩和泥岩电阻率特征为高阻, 几百到几千Ω·m.根据该地段初步勘察结果, 结合所处的地质环境及该地段的溶洞发育规律, 在推断黏土砾石充填型溶洞时应选择低阻区为可能存在溶洞的区域(姚伟等, 2012; 苏文俊等，2014; 刘伟等, 2015).

从图 5可以分析得出0~5 m地层电阻率不均, 有一定差异, 黏土层(包括杂填土、角砾土和黏土)电阻率值在100~400 Ω·m.测线55~155 m处下方18 m、12 m、13 m处有三个明显低阻封闭圆, 等值线基本闭合, 且ZCK24+205、ZCK24+243、ZCK24+272里程处电阻率小于10 Ω·m, 推断为黏性土夹砾石充填型溶洞从而导致电性增强, 电阻率降低.R1洞直径21.5 m, 顶部埋深15 m, 底部埋深37.5 m; R2溶洞直径9.5 m, 顶部埋深8.5 m, 底部埋深28.2 m; R3溶洞直径9.5 m, 顶部埋深11.2 m, 底部埋深21.5 m, 其余部分不存在不良的地质体; 从图 6分析可得出, 该段黏性土层厚度约为10~15 m, 浅部高电阻率区域为沥青混凝土路面.YCK24+178-YCK24+230里程之间处存在一处溶洞R4, 中心埋深分别约为15 m, YCK24+278里程处存在一处溶洞R5, 中心埋深分别约为20 m, YCK24+303-YCK24+325里程处存在一处溶洞R6, 中心埋深分别约为17 m.

图 5

Figure 5

图 5 左侧测线ZCK24+155-ZCK24+355高密度电阻率断面反演图 Figure 5 ZCK24+155-ZCK24+355 The inversion diagram of high density resistivity

图 6

Figure 6

图 6 右侧测线YCK24+150-YCK24+350高密度电阻率断面反演图 Figure 6 YCK24+150-YCK24+350 The inversion diagram of high density resistivity

(2) 地质雷达

第四系覆盖层雷达反射经常体现为平行的条带状且周期短, 振幅较大; 灰岩溶蚀裂隙中受地下水侵蚀影响, 土体会遭受到扰动, 使其同向轴在下界面中断和错动; 浅地层同时受到地表波影响和吸收少量电磁波, 而表现为较强反射; 致密灰岩在雷达图像上的特征体现为反射非常弱, 波的形态均一且振幅、波长基本一致, 相比于第四系覆盖层, 反射波周期明显增大.

当溶洞在灰岩内部发育时, 溶洞形态特征主要取决于洞穴的形状, 大小及充填物且电磁性质通常表现为电阻率高、介电常数低, 在地质雷达图像上多表现为很多双曲线形态.溶洞内部表现为相对弱反射, 低幅、高频且界面处可见明显反射波.充填型溶洞与周围介质通常表现形式为低阻、高吸收异常特征且底部反射波增强, 可见一组较短周期的细密弱反射, 局部雷达波可变强, 当充填不均匀介质时表现为杂乱的同相轴不连续的较强反射波; 无充填型溶洞表现出高阻、低吸收特征且溶洞体内部几乎没有反射电磁波(肖宏跃等, 2008; 王亮等, 2008；汤志刚等，2011).

从图 7地质雷达剖面图分析得出该段第四系黏土层厚度为10~13 m; 地质雷达剖面R7异常位于15~21 m之间, 在反射界面之间出现明显多层反射波且出现周期短、弱反射, 反射波方向与节理方向一致经分析推断沿节理面发育溶蚀内部充填型溶洞, 充填物为黏性土夹砾石, 中心埋深约为17 m; R8异常位于20~25 m之间且反射界面有明显的电磁波反射且周围介质反射较弱, 反射波振幅衰减较大, 推断为黏土胶结灰岩角砾充填型溶洞, 中心埋深约为23 m; R9异常位于22~25 m之间, 从地质雷达剖面上分析为低频、高幅的形态, 且反射波出现较强反射、同向轴连续性较好、反射波振幅基本无衰减、显示为强振幅, 双曲线异常明显.所以推测为无充填性质溶洞, 中心埋深约为24 m.

图 7

Figure 7

图 7 ZCK24+279－ZCK24+346地质雷达影像图 Figure 7 ZCK24+279－ZCK24+346 Images of Ground penetrating radar

(3) 钻探验证

为了验证高密度电法和地质雷达数据解译结果的准确性, 分别在左侧高密度电法测线ZCK24+205处和地质雷达测线YCK24+329处布置ZK1和ZK2钻孔进行验证.经过数据处理后获取钻孔岩芯柱状图(图 8、图 9).

图 8

Figure 8

图 8 ZK1钻孔岩芯柱状图 Figure 8 ZK1 The column diagram of drilling core

图 9

Figure 9

图 9 ZK2钻孔岩芯柱状图 Figure 9 ZK2 The column diagram of drilling core

从岩芯柱状图中可以发现ZK1钻孔15 m以上为覆盖层, 15~18.4 m为基岩, 18.4~37.5 m为充填型溶洞, 且充填物为黏土夹少量砾石; 钻孔ZK2钻孔17.9 m以上为覆盖层, 17.9~23.0 m为基岩, 23.0~26.5 m为无充填溶洞.通过钻探与两种物探方法探测目标体深度对比后发现地层深度基本吻合(表 2).

表 2 (Table 2)

表 2 钻探与物探方法地层深度对比 Table 2 Contrast verification of geophysical prospecting method formation and drill hole

表 2 钻探与物探方法地层深度对比 Table 2 Contrast verification of geophysical prospecting method formation and drill hole

本次物探工作查明了南宁市地铁3号线研究区车站区域溶洞发育情况, 推断9处溶洞体(溶洞), 属于埋藏型和覆盖型溶洞, 溶洞发育极不均匀, 总体属于中等发育溶洞, 局部属于溶洞发育较弱.其中充填型溶洞为黏土胶结灰岩角砾溶洞.该溶洞在形态上为垂直走向发育的陡立漏斗, 总体上垂向发育的溶洞较顺层发育的溶洞规模要大且研究区未发现土洞发育.

利用高密度电法和地质雷达相结合所探测的溶洞位置及性质与研究区进行的钻孔验证得到溶洞位置及性质特征基本吻合.

由于研究区受混凝土沥青路面影响且物探解译存在多解性的问题, 增加地质雷达能有效地对高密度电法在盲区内未揭露的溶洞进行了较为准确的探测并较好的弥补高密度电法产生的盲区和异常.采用这种综合物探方法将为岩土工程勘察工作起到一定的指导性作用.