城市地铁建设中遇到的工程地质条件越来越复杂,常遭遇岩溶、断裂、孤石等复杂不良的地质情况,也常穿越河流、密集建筑物等复杂环境^[1-2]。在盾构施工穿越密集建筑群时,易受到隧道埋深、施工条件限制、村民阻挠等因素影响,导致前期勘查不足,无法清楚了解建筑物下方岩溶发育情况,盾构施工时存在引起地面开裂、塌陷的重大风险^[3⇓-5]。目前城市地质勘查手段中常规地面钻探无法在密集建筑区进行施工,高密度电法、地震CT等常规地面物探手段也因在房屋密集区电极接地不佳、无法进行打钻施工等,不能开展相关工作^[6-7]。微动探测技术因其抗干扰能力强、探测深度大、精度高、无损、布极灵活等优点,成为解决盾构穿越岩溶地层建筑物密集区地下地质难题的有效手段^[8-9]。广州地铁9号线、8号线、14号线等都已进行了微动探测技术的探索,对降低地铁施工风险具有重要意义^[10⇓-12]。

本文研究的广州东至花都天贵城际工程马鞍山公园站—花城街站区间项目,处于岩溶高度发育地层且地面民房建筑群密集,无法清楚了解地下岩溶不良地质发育情况,工程建设存在巨大风险。因此本文设计的微动探测剖面沿盾构隧道走向布设且穿越民房密集建筑区,在三东村和田心庄大街两处民房群布设Y1、Z1、Y2三条测线,通过微动反演视横波速度剖面对地下岩层波速结构特征进行分析,结合地质钻探资料推测基岩界面、强风化松散地层及溶洞异常区。

本研究区位于广州东至花都天贵城际工程马鞍山公园站—花城街站区间(以下简称马花区间),项目采用盾构法施工,隧顶埋深18.7~25 m,主要位于微风化石灰岩。马花区间地貌类型为广花冲洪积平原,地势较为平坦,地面高程为12.63~18.01 m,沿途下穿三东村多个鱼塘、钓虾场及三东村民房群、田心庄大街密集民房区,于凤凰北路与平石东路交叉口以800 m半径转向北沿凤凰北路铺设,下穿花都大道下沉式立交、罗仙村防洪排涝渠、新白广城际花城街站后到达花城街站,其中盾构穿越岩溶发育区的两处密集民房群,且灰岩层面以上的粉细砂层为本项目的最大风险。

马花区间场地位于广花凹陷构造区(图1),广花复式向斜内,区间构造线以NE向为主,EW向为辅,线路与构造线斜交,隧道围岩主要为中微风化石灰岩和炭质灰岩,局部为强风化岩。根据区域地质资料及初勘钻探揭露情况,线路自南向北先后相交的断层总共有3条:分别为F₁₀₇(白坭塘断裂)、凤凰南路站至马鞍山公园站区间揭露断层破碎带(F₃)及F₁₀₅(莲塘断裂),均属于NE向雅吉岭断裂组。

广州地区代表性的灰岩有二叠系的炭质(泥质)灰岩和泥盆系、石炭系的硅钙质灰岩(高强度硬岩,岩面起伏,上覆富水砂土,溶土洞发育),其中复合地层结构是典型特征。本研究区场地揭露的地层从新到老有:新生界第四系(Q)、石炭系(C),其中石炭系地层均为石磴子组,为背斜核部地层。区间覆土从上至下主要有:填土、粉细砂、中粗砂、粉质黏土、中风化石灰岩、中风化炭质灰岩、中风化石灰岩、微风化炭质灰岩、微风化石灰岩。总体上隧道主要位于微风化层,但局部覆盖层较厚,岩面起伏较大,区间见洞率为48.91%,线岩溶率为7.51%,属于岩溶强发育地段。

广州市岩溶主要分布在广从断裂以西广花盆地内的花都区、白云区、从化区等隐伏岩溶区。本区岩溶主要发育在质纯层厚的石灰岩地段:溶洞发育主要分布在石炭系壶天组、石磴子组以及二叠系栖霞组等,石蹬子组灰岩应是岩溶发育的最有利基本条件,栖霞组灰岩和壶天组灰岩次之,天子岭组灰岩岩溶不发育。岩溶发育严格受地质构造控制:在褶皱轴部及广花盆地内的NNE向逆冲断层、NWW向断层带附近,岩溶比较发育,本地区强岩溶带与主要构造线一致;古河道附近岩溶比较发育,本地区古流溪河的走向大致为NE—SW,途经金沙洲―大坦沙一段时,古河道近为SN走向,影响岩溶的发育。

本区已知钻探编录表明岩溶发育程度较高,盾构穿越岩溶发育区密集民房建筑群时,钻探和常规的地面物探,如高密度电法、地震CT等无法在密集民房群开展工作,微动探测方法成为本次工作的首选。微动是指地表的天然微弱振动,是由体波和面波组成的复杂振动,其中面波占绝对优势。微动探测方法是基于平稳随机过程理论,从微动信号中提取面波(瑞雷波)频散曲线,通过反演获得地下介质横波速度结构的物探方法,通过横波速度结构推断地下地层及不良地质体分布情况。微动勘探主要采用台阵方法(SPAC法)来接收微动信息,采用空间自相关法(SPAC)从微动台阵记录检波器中提取瑞雷波频散曲线,计算视横波速v_s,再经插值光滑计算获得二维视横波波速剖面。微动速度剖面能准确、直观地反映地层岩性变化及异常体状态,是地质解释的重要参考依据。

本场地从地表向下依次为第四系覆盖层、石灰岩地层。通过距离微动测线较近的钻孔资料与微动剖面对比,以标定微动剖面的岩性,总结出测区视横波速度与岩层对应关系(表1),研究区各地层波速度差异较明显,具备开展微动探测的物理前提。

本次微动探测设计沿盾构隧道走向穿越民房密集建筑区,在三东村民房区布设Y1、Z1剖面,其中Y1剖面长度159 m,共54个测点;Z1剖面长度144 m,共49个测点。在田心庄大街民房群布设Y2剖面,长度174 m,共59个测点。微动仪器采用国内高性能智能地震传感仪(SMARTSOLO),拟根据场地地形条件布置线性排列观测台阵,测点间距3 m以满足探测深度40 m要求,在实际观测点上放置仪器,各测点均用RTK定位,采用默认采样率2 ms,频带范围为0.05~230 Hz,观测时间均保持在30 min,测点位置布置见图1。为保证本次微动探测能够获得质量较好的原始资料,开始施工前对使用的地震仪器进行全面系统的检查及性能测试。施工前对所使用的数据采集站和检波器进行性能测试,现场探测过程对获得的单张记录进行实时监视与评价,对发现的不合格地震记录及时进行坏道处理和补充改正。

二维微动探测数据采用Geogiga seismic pro 9.15微动处理软件,采用空间自相关方法提取瑞雷波频散曲线,从观测信号中提取瑞雷波相速度频散曲线,通过频散曲线最终转换获得视横波速度。以上步骤获得全部微动数据的频散点,观测全部测点曲线的整体规律,抽取其中典型测点的频散曲线,分析其速度与深度、速度与频率的规律(图2),给出定性解释,确定初始地质模型,然后计算拟合系数,根据拟合程度来获取反演结果,若拟合程度不高,则优化地质模型。

1)Y1剖面视横波速度结构特征(见图3):本次Y1剖面在三东村东大街附近隧道右线,微动剖面长度159 m,钻孔从MRN23-MH-166到MRN23-MH-184。整体上该区域地层由浅至深视横波速度逐渐增大,浅部波速小,深部波速大,地层横向波速变化较平缓,可见存在明显的波速突变界面,波速300 m/s以上判定为灰岩地层,300 m/s以下判定为第四系,其中遇溶洞(充填或非充填)波速为相对高波速环境中的低值异常区,波速在150~240 m/s之间,圈定了3处低值异常,分别是命名为1号异常、2号异常和3号异常。

2)溶洞及地层完整性解译(见图4):首先根据地质资料及波速突变趋势线推测图中红线为岩土分界线,岩性界面有平缓下倾趋势,红线上为第四系,红线下为灰岩地层,黑色异常区为推测的位于灰岩面以下、具有横波速度异常的溶洞区。其次根据微动探测成果进行地质成果解释,1号异常在横坐标15~65 m,深度15~30 m范围;2号异常在横坐标90~105 m,深度18~26 m范围;3号异常在横坐标130~155 m,深度18~34 m范围内存在视横波速度低值异常区,推测存在地层松散区或溶洞。

3)钻孔资料验证:利用勘查过程中钻孔编录资料对微动剖面地质解译进行对比验证。1号溶洞异常区涉及到钻孔MRNZ3-MH-166、MRNZ3-MH-169、MRNZ2-B18C、MRNZ3-MH-170、MRNZ3-MH-172;2号异常区涉及到钻孔MRNZ3-MH-175、MRNZ3-MH-176;3号异常区涉及到钻孔MRNZ3-MH-184,对比验证结果准确性较高(见表2),说明微动成果资料与钻孔编录资料吻合较好。

1)Z1剖面视横波速度特征及溶洞解译(图5、图6):本次Z1剖面在三东村附近隧道左线,微动剖面长度144 m,钻孔从MRNZ3-MH-174到MRNZ3-MH-174。图5中红线为微动成果推测的岩土分界趋势线,波速在300 m/s左右,基岩面沿剖面方向整体有下降趋势;黑线为推测的横波速度异常区,基岩面高波速趋势线以下存在两处相对低速异常区,分别命名为1号异常和2号异常。根据地质资料与微动探测成果,1号异常横坐标85~105 m范围,深度19~30 m;2号异常横坐标135~145 m范围,深度22~31 m范围内存在视横波速度低值异常区,判断该处为地层松散或岩溶发育。

2)钻孔资料验证:1号异常区涉及到钻孔MRNZ3-MH-174、MRNZ3-MH-175;2号异常区涉及到钻孔MRNZ3-MH-183,对比验证结果准确性较高(见表3),说明微动成果资料与钻孔编录资料吻合较好。

Y2剖面视横波速度结构特征分析及溶洞解译(图7、图8):Y2剖面位于田心庄大街沿隧道走向方向右线,微动剖面长度174 m,由于房屋密集此处只有钻孔MRNZ3-MH-253、MRNZ3-MH-272。图8中红线为微动成果推测的岩土分界线,波速300 m/s左右为岩土分界趋势线,黑线为推测的横波速度异常区,在基岩面高波速趋势线以下存在两处相对低速异常区,分别命名为1号异常和2号异常。根据微动探测成果,1号异常横坐标40~70 m范围,深度11~22 m;2号异常横坐标115~135 m,深度13~21 m范围内存在视横波速度低值异常区,推测存在地层松散或溶洞。钻孔MRNZ3-MH-253、MRNZ3-MH-272没有在异常位置,两处异常地面位置为田心庄大街四巷10号、田心庄大街一巷12号南侧房,由于地面房屋密集,没有钻探及其他物探验证资料。

本次微动技术勘探了3条剖面,根据反演剖面及地质资料共圈定了7处视横波速度低值异常区,推测是由于存在地层松散或溶洞导致的。成果统计见表4,具体异常区域见图3~图8。通过视横波速度反演剖面可知,本区地层的视横波速度相对趋势接近主要地层石灰岩及第四系的物性测试值,有钻孔编录资料对比验证,说明该方法数据可靠性较好。该区域地层由浅至深视横波速度逐渐增大,浅部地层较平缓,成果图上可见存在明显的波速突变界面,波速300 m/s以上推断为灰岩地层,300 m/s以下为第四系,Y1、Y2剖面岩土分界面深度基本在10~15 m,其中基岩面附近遇溶洞充填或强风化松动地层也出现低值异常,溶洞深度在8~30 m深度范围。

上述分析Y1、ZI剖面有钻孔编录资料验证,且准确性较好,Y2剖面由于在房屋密集区,无法开展钻孔验证。但由于几条剖面相距较近,地层波速差异不大,具有一定的相似性,可以通过Y1、Z1剖面及钻孔验证结果,推测得出该区域总体的基岩面、灰岩、第四系及溶洞的波速特征,从而扩展到对Y2剖面的波速特征进行解释是可行的。如需更加充分的Y2剖面证据,还需进一步补充钻孔和其他物探验证工作,在盾构掘进前应进行注浆加固处理,实施地面变形监测措施。

本文针对盾构隧道穿越复杂城区岩溶地层问题,通过微动探测技术获得了3条剖面的横波波速结构特征,结合地质、钻孔资料,解译了基岩面及风化松散地层及溶洞异常。主要结论如下:

1)勾绘了三东村和田心庄大街民房群地下剖面视横波速度结构特征:该区域地层由浅至深视横波速度逐渐增大,浅部地层较平缓,成果图上可见存在明显的波速突变界面,波速300 m/s以上为灰岩地层,300 m/s以下为第四系,Y1、Y2剖面为岩土分界面,深度基本在10~15 m;其中遇溶洞(充填或非充填波速)也出现低值异常,波速在150~250 m/s范围,溶洞深度在8~30 m深度范围。

2)解释了7处视横波速度低值异常区,推测为地层松散或溶洞:Y1剖面3处异常深度在18~34 m之间,Z1剖面2处异常深度在19~31 m之间,与已知钻孔编录对比验证效果较好;Y1剖面两处异常深度在11~22 m之间,由于地面房屋密集没有钻探及其他物探验证资料补充,尚需进一步工作进行验证。

3)该方法在城市闹市区抗干扰强、探测深度大、准确性高,准确划分了地下剖面横波速度结构、地层岩性界面、松散地层及溶洞异常,是解决岩溶发育的城市密集建筑区地质勘探的有效手段。