贵阳地铁车站基坑岩溶多道瞬态瑞雷波探测及工程验证

     轨道交通建设是贵阳市“十二五”期间的重大工程项目，贵阳地处岩溶富水区，贵阳地铁工程施工中最具挑战和威胁的问题之一就是岩溶突水，贵阳地铁延安路站是地铁１号线与地铁２号线的换乘站，车站场地地层由浅表第四系覆盖层和伏三叠系白云岩组成，基岩中溶蚀裂隙、沟槽、石芽、溶洞极其发育，导致基岩顶面凹凸起伏显著，岩体中岩溶空区充填物富水承压，严重威胁基坑开挖工程及周边环境的安全。

为有效控制岩溶突水对工程的危害，我们尝试将瑞雷波探测方法引入贵阳地铁车站深基坑工程中，展开对基坑岩体岩溶带的探测定位，以期为基坑岩溶突水部位的判断和注浆止水方案制定提供依据。探测采用考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷方法，对基坑开挖面以下岩体进行了探测。根据工程场地的具体条件，按一定的密度布置测线构成对车站基坑工程岩土体的瑞雷波观测系统，采用多道检波器排列覆盖测线，提取排列中各道检波器（测点）之间的瑞雷波相速度，考虑车站工程基坑岩土体性质与弹性波速的关系和特殊的工程地质条件，确定瑞雷波相速度分级，构建车站基坑岩土体瑞雷波相速度三维成像。瑞雷波相速度三维成像沿测线的铅垂剖面和不同深度（高）的水平切片清楚地揭示了车站基坑岩体土体中岩溶带的规模和位置。

工程开挖验证表明：考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法对贵阳地铁车站基坑岩体中岩溶带的探测行之有效，探测解译结果直观形象，与工程开挖揭露的情况十分吻合，为基坑岩体突水部位判断以及工程止水方案制定提供了有效的技术支撑。

关键词：

岩溶富水区；贵阳地铁工程；深基坑；岩溶突水；瑞雷波探测；应用效果

     中国是世界上岩溶分布面积最大的国家，主要分布在广西、贵州和云南东部地区。岩溶作为一种典型的不良地质体，其成因复杂多样，分布无特定规律，因此，地质工程施工过程中常常遭遇岩溶地质灾害，造成巨大的安全问题和经济损失。在各类工程施工过程中遭遇的岩溶地质灾害可大致归结为两类：（１）岩溶侵蚀导致工程围岩的结构变形、强度降低和失稳破坏；（２）岩溶突水、突泥造成工程水害（李术才等，2007；张庆松等，2009；方建勤和胡居义，2010）。

轨道交通建设是贵阳市“十二五”期间的重大工程项目，贵阳地处岩溶富水区，贵阳地铁工程施工中最具挑战和威胁的问题之一就是岩溶突水。贵阳地铁延安路车站场地浅表第四系覆盖层下伏的三叠系基岩主要为缓倾的可溶性泥质白云岩和中厚层状白云岩，基岩中溶蚀构造极其发育，导致基岩顶面凹凸起伏显著，岩体中岩溶空区充填物富水承压，基坑开挖过程中岩溶突水对工程影响严重。如能在施工前探知岩溶发育的空间位置，施工过程中就可以采取针对性的预防措施，将灾害发生的几率降到最低（刘彦波，2008）。

目前，可用于岩溶探测的地球物理方法主要有浅层地震法（地震折射波法、地震反射波法、弹性波CT、瑞雷波法）、电磁法（高密度电阻率法、地质雷达法、电磁波CT等）等（KevinandPeter，1992；底青云等，2001；武斌和曾校丰，2004；王书增等，2005；白哲等，2006；祁民等，2006；王永等，2007；王亮等，2008；陈昌彦等，2010；徐钰等，2012；张春贺等，2013；王梦倩等，2014；陈军等，2015；沙丽，2015）。各种地球物理探测方法所揭示的岩土介质情况可分为两类：一类为物性差异面，另一类为介质本身的物性。揭示介质物性差异面的探测可称为几何探测，譬如地震反射法、折射法，以及地质雷达探测方法等；揭示介质本身物性的探测可称为物性探测，譬如弹性波CT、高密度电法、瑞雷波法等。几何探测方法对于层状介质等物性差异界面几何形态较为简单的岩土体介质比较有效，而对于岩溶构造（溶蚀沟槽、溶洞等）这类极不规则的物性差异界面探测，难以取得理想效果；物性探测方法直接探测介质物性（弹性或电性）的空间变化，对于岩溶构造这类复杂介质体的探测更为合适。然而，建设工程项目中对岩溶进行探测，常常不具备CT观测的条件，另外，高密度电法等电磁探测方法很容易受到工程施工环境的干扰，使得探测结果与实际岩土介质情况的符合程度大打折扣。瑞雷波方法在工程岩土体表面布置检波器排列，利用瑞雷波的频散特性探测岩土体弹性的空间变化，不受施工电磁场环境干扰，在工程尺度范围内，工程振动对瑞雷波信号信噪比的影响不大，因此，对于工程岩体岩溶探测，瑞雷波探测是一个可行的地球物理方法。然而，囿于相速度提取技术的限制，现有瑞雷波探测方法从一个多道检波器排列中仅能得到一条反映检波器排列覆盖范围内岩土体平均结果的瑞雷波相速度—深度关系曲线，而且，在检波器道间距布置上也有很严格的限制（JGJ/T143-2004），在横向分辨率和探测效率上难以满足工程对岩溶构造定位探测的要求。

考虑道间时差相位（TDP）的多道瑞雷波探测方法克服了现有技术对道间距的限制，仅用两道瞬态瑞雷波即可提取多种频率成分的瑞雷波相速度，利用一个具有ｎ个测点的多道检波器排列，可以获得n-1条瑞雷波相速度—深度关系（VR-Z）曲线，真正发挥了多道瞬态瑞雷波探测的优势，大大提高了瞬态瑞雷波的探测工作效率和横向分辨力（Zheng et al.2018）。

针对施工过程中遭遇的岩溶突水工程病害情况，引入考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波方法对贵阳地铁延安路站工程基坑岩体岩溶破碎带进行探测，取得了很好的效果。本文介绍考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法在贵阳地铁工程基坑岩溶探测中的应用，可以为类似工程探测提供参考。

1.1 贵阳地铁延安路站工程概况

如图１所示，贵阳地铁延安路站位于贵阳市中心区，是近南北向的地铁1号线与近东西向的地铁2号线的换乘站。车站为地下三层15ｍ岛式站台车站，其中１号线站位于下合群路正下方，近南北（ＮＮＷ）向布置，车站基坑开挖深度17ｍ，采用桩支护明挖顺作法施工；２号线站位于延安中路正下方，近东西（NEE）向布置，车站基坑开挖深度26ｍ，基坑采用桩支护，半盖挖半明挖法施工。

1.2 贵阳地铁延安路站工程地质条件及主要工程地质问题

如图２所示，延安路站位于贵阳向斜北部扬起端轴部附近黔灵山溶蚀残丘东面和贵阳溶蚀盆地核心地段，属于贵阳构造盆地中心区，处于喷水池岩溶浅洼地内及其边缘，现状地面呈北高南低之势，由于地处贵阳市主城区，受现代化城市建设进程影响，地面相对平缓，站区及其附近范围地面高程为1060.85～1064.15ｍ，相对高差约为3.3ｍ。

根据区域地质资料，该站场地地层由浅表第四系覆盖和下伏三叠系基岩组成。第四系覆盖层主要为砼、块石层、碎石层、杂填土和红黏土，其厚度受下伏基岩起伏控制有一定差异。下伏基岩为三叠系中统松子坎组一段（T2sz1）中厚层状泥质白云岩、泥质石灰岩，泥质白云岩和泥质石灰岩呈互层状；三叠系下统安顺组二段和三段（T1a2+3）中厚层～厚层状白云岩，白云岩根据其风化程度分为强风化岩石和中风化岩石，走向NEE-NE的张扭性断层（F15，照壁山断层）通过本场地，与２号线延安路车站基坑长轴近平行穿过车站基坑，在基岩中形成了具有一定宽度的断层破碎带，下伏三叠系SWW向缓倾的可溶性泥质白云岩和中厚层状白云岩中溶蚀构造（溶蚀裂隙、沟槽、石芽、溶洞等）极其发育，导致基岩顶面凹凸起伏显著，岩体中岩溶空区充填物富水承压，基坑开挖过程中岩溶突水对工程影响严重。

     为有针对性地制定贵阳地铁延安路站岩溶突水病害治理措施，我们选择了考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法对车站基坑岩体的岩溶发育情况进行探测。本文以贵阳地铁２号线延安路站基坑工程岩体岩溶探测为例，说明考道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法的应用效果。

2.1 瑞雷波探测的物理基础和原理

     瑞雷波是弹性波的一种类型。在岩土介质中传播的弹性波波速与岩土介质的软硬程度和完整性密切相关。相对于完整岩体，岩体中发育的岩溶裂隙洞穴及断层破碎带为软弱带，为相对低速区。因此，可以利用岩体瑞雷波相速度的分布，揭示岩体中岩溶裂隙洞穴和破碎带的空间位置和规模。复杂介质中传播的瑞雷波具有频散特性，即，瑞雷波相速度VR与频率ｆ相关，两者的关系式

其中，Δｘ为测线上两个测点之间的距离（实测中常常是指相邻两个检波器之间的距离，即，道间距）；ΔΦ（ｆ）为相邻两个测点之间同一时刻对应的瑞雷波相位差。

考虑道间时差相位的相邻测点同一时刻对应的瑞雷波相位差ΔΦ（ｆ）为

     其中，为相邻测点瑞雷波初至的相位差；

τ为相邻测点瑞雷波的到时差；ΔΦτ（ｆ）＝2πfτ为相邻两个测点瑞雷波中频率为ｆ的分量因到时差产生的相位差，称为时差相位（Zheng et al.2018）。

     根据瑞雷波的频散特性，瑞雷波的高频成分反映浅部介 质特征，低频成分反映深部介质特征，瑞雷波有效探测深度 Ｚ与波长λＲ 成正比，两者关系式为：

其中系数β与介质泊松比有关、

     按式（１）～式（３）所表达的原理，根据工程现场情况布 置多测点的测线，观测记录测线上的多道瞬态瑞雷波，提取 各相邻测点之间的瞬态瑞雷波相速度，即可获得反映沿测线的工程岩土体软硬空间变化的瑞雷波相速度—深度剖，其中，X为沿测线方向的水平距离坐标，Yi为第i条测线在垂直于测线方向的水平距离坐标，Ｚ为自测线所在高程位置向下的深度坐标）；联合多条测线的探测结果，可以得到工程场地岩土体瑞雷波相速度的三维成像（VR-XYZ）．根据瑞雷波相速度-深度剖面和三维成像，进行合理解释，可以得到工程场地岩体中岩溶发育的情况。

2.2 工程基坑岩体多道瞬态瑞雷波观测

     根据贵阳地铁延安路站工程基坑的具体情况，布置了一系列测线，观测记录沿测线传播的多道瑞雷波。如图３所示，采用128kg圆柱形重锤自由落下冲击地面的方式激发瞬态瑞雷波，沿测线布置多个测点观测记录波的传播。采用主频为5Hz的SG 5ｍ型动圈式检波器拾取测点 的铅垂向振动，沿测线的12道检波器构成一个排列，道间距1ｍ，一个检波器排列覆盖测线长度11ｍ。采用SWG型12通道多波地震探测仪采集记录检波器拾取的测点振动，仪器增益0～96dB，时间采样间隔8μs～15s。

     单道检波器记录的时域地震波波形如图4所示，一个排列检波器记录的一次激发产生的时域地震波波形如图5所示。同一排列中相邻道检波器记录波形两两组合，可解译获得多条（n道检波器可以获得n-1条）瑞雷波相速度-深度曲线，解译得到的典型瑞雷波相速度-深度曲线如图6所示。

     贵阳地铁２号线延安路站基坑近东西向长约189ｍ、近南北向宽约23.9ｍ，在基坑中部自西向东设置了30根临时立柱，自西向东依次编号为1#～30#。立柱直径为1200ｍｍ，间距以6ｍ为主，东端３根立柱的间距为4.5ｍ。为了解基岩破碎带及岩溶裂隙和溶洞的空间分布，揭示基坑出水的导水通道，分别在基坑中已开挖的底面上以及基坑外围接近基坑 的地表布置了一系列瑞雷波测线。图７所示为基坑岩体开挖面部分地段上的多道瞬态瑞雷波探测测线布置示意图。

2.3 多道瞬态瑞雷波相速度成像结果及解译

     沿图7所示各条测线进行多道瞬态瑞雷波探测，根据观测记录提取沿各条测线的基坑岩体瑞雷波相速度-深度信息，得到了贵阳地铁2号线延安路站观测系统覆盖范围内工程基坑岩体的瑞雷波相速度成像，成像结果以沿测线的瑞雷 波相速度-深度剖面（VR-XYiZ）和不同深度（或高程）上的瑞雷波相速度水平切片（VR-XYZj，其中Zj为第j个水平切片所在的深度或高程）表达，水平切片的编号及高程位置如图8所示。图9～图12为部分瑞雷波相速度-深度剖面和瑞雷波相速度成像水平切片示例。

     成像过程中，对波速变化范围进行恰当的分级，是保证成像剖面和切片清楚反映断层破碎带、岩溶裂隙和溶洞空间位置的重要措施。按照岩土介质弹性波速与岩土体的完整性和软硬程度正相关的物理原理，参照《建筑抗震设计规范》（GB5011-2010）中表4.1.3土的类型划分和剪切波速范围的规定，针对本工程场地岩土体的岩性类别以及岩体中发育的断层破碎带和岩溶裂隙、溶洞的情况，考虑到岩土体瑞雷波波速VR与剪切波速Vs大体相等（VR≈0.95Vs）的关系，按 照本工程场地的具体情况和探测目的，将解译得到的瑞雷波 相速度VR的变化范围划分为0～800m/s、800～1600m/s、1600～2400m/s、2400～3200m/s、3200m/s以上5个波速分级，各个波速分级与岩土体性状的对应关系如表1所示，据此，可对瑞雷波探测成像结果所反映的车站基坑岩体的岩溶破碎带的发育情况做出解译。

     图9、图10所示的基坑岩体瑞雷波相速度—深度剖面和水平切片就是按表1所示的波速分级进行的空间分区成像结果，图中所示VR≤800m/s的黄色区域可解译为溶蚀区。

     针对贵阳地铁2号线延安路站基坑岩溶进行的多道瞬态瑞雷波探测成像结果在后续的工程施工过程中得到了很好的验证．基坑开挖由西向东推进，开挖揭露的地质断面、基坑突水位置以及注浆体分布等情况与瑞雷波相速度成像结 果所指示的岩溶发育情况十分吻合。

3.1 瑞雷波相速度成像与开挖地质断面的对照

     以测线2（Y＝5ｍ）附近基坑开挖验证情况为例，图11所示为测线２瑞雷波相速度-深度剖面与测线2附近工程开挖所揭露的地质断面的对照。由图11可见，在工程开挖的范围内，瑞雷波相速度成像揭示的高速区形态、尺度及低速区分布与工程开挖揭露的地质断面所见的硬岩形态、尺度及软弱充填物的分布基本一致。

3.2 瑞雷波相速度成像与基坑突水位置的对照

     如图9和图12所示，由测线3（Y＝10ｍ）得到的瑞雷波相速度-深度成像剖面表明，在基坑中部岩体中存在一个上宽下窄、与深部连通的漏斗形溶蚀带，在测线所在高程上该溶蚀带的分布范围大约在X＝8～17ｍ之间。如图12所示，基坑开挖施工过程中在测线3附近发生的基坑突水位置就发生在X＝9ｍ附近，这与瑞雷波相速度成像剖面揭示的岩溶漏斗位置相符。

3.3 瑞雷波相速度成像与注浆体分布位置的对照

     为防止基坑开挖过程中发生突水问题，基坑开挖继续向前推进前采取了注浆止水措施。图13所示为测线5～测线６（Y=20～25.5ｍ）之间、切片4～切片5（高程1024～1040ｍ）之间基坑开挖面与瑞雷波相速度切片5的对照情况，由图可见，基坑开挖所揭露的注浆体的空间位置与瑞雷波相速度成像切片４（见图10）和切片5所揭示的基坑岩体岩溶发育的空间位置十分吻合。

     4.1 瑞雷波方法与其他地球物理方法相比较，具有信噪比高、抗干扰能力强、观测系统简单的优点，比较适合工程施工环境中的岩土体探测。本文引入考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法，充分发挥了多道瞬态瑞雷波探测的优势，大大提高了瑞雷波探测的横向分辨力和工作效率。对贵阳地铁2号线延安路站基坑岩体岩溶探测成像结果与施工揭露的实际情况十分吻合，为车站基坑工程施工中岩溶突水问题的防治措施制定提供了可靠依据，证明了考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法的可靠性。

     4.2 既然瑞雷波方法对于工程岩土体探测是一个十分有效的方法，可以考虑将这种方法推广到隧道开挖施工中掌子面前方地质病害的探测。由于隧道掌子面大多与重力方向近平行，因此，重锤下落的激发方式失效，此时，如何激发出沿隧道掌子面传播的、符合探测要求的瞬态瑞雷波将成为一个技术关键。

     4.3 另外，考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法的解释软件还有一些提高改进的空间，这种改进将会进一步提高该方法的探测工作效率和瑞雷波相速度成像的精度。