物探技术在山地城市越岭隧道岩溶塌陷探测的应用

欧阳明明¹，朱海明²

（重庆市勘测院    重庆    400036）

摘要：山地城市建设的多条隧道，在穿越岩溶地区时，曾不同程度的引起地表水体枯竭和地面塌陷等生态环境问题。在覆盖型岩溶地区进行隧道建设，应从地下水的排泄和补给途径，岩溶区地表塌陷机理和形成因素等方面针对性的布置勘探工作，有效划分隧道工程建设可能诱发地面岩溶塌陷区域。

关键字：物探；岩溶塌陷。

Abstract:Many tunnels constructed in mountainous cities have caused some ecological and environmental problems such as surface water depletion and ground subsidence to varying degrees when crossing karst areas. In the construction of tunnels in overburden karst areas, the exploration work should be arranged according to the drainage and recharge ways of groundwater, the mechanism and formation factors of surface collapse in Karst areas, so as to effectively divide the areas where the construction of tunnels may induce surface karst collapse.

Key words: geophysical prospecting; karst collapse.

1  引言

在我国西部大开发的进程中，不可避免面临大量隧道工程。隧道施工过程中的地下水排放或涌水、突水事故的发生，常造成地下水资源流失、地表水体枯竭、地表塌陷，给生态环境带来重大影响。可溶岩区隧道工程建设，岩溶突水、地面塌陷、地表水体枯竭是最受关注的工程地质问题和生态环境保护问题。重庆位于我国西南地区，是我国最大、最著名的山城，主城区内缙云山、中梁山、铜锣山、明月山，在重庆规划中统称“四山”。“四山”素有“重庆绿肺”之称，是需要重点保护的生态屏障。然而，早期建设的穿越“四山”的隧道工程，曾不同程度的引起地表水体枯竭和地面塌陷。

图1  岩溶发育区地表塌陷

2  重庆“四山”地表岩溶和塌陷发生的主要成因

重庆“四山”在地貌上具有“一山两槽三岭” 或“一山两岭一槽”的特点，轴部出露的可溶性碳酸盐岩被溶蚀，而两侧硬、厚的砂岩抗风化能力强，被保留下来，在山体两侧形成侧岭，中部为槽谷区，在槽谷中部发育了浑园状溶蚀丘陵，溶蚀丘陵大致沿背斜轴部分布，又把槽谷分为东西两槽。重庆“四山”的槽谷为覆盖型岩溶发育区，第四系覆盖层下覆可溶性碳酸盐岩内溶沟、溶槽、溶洞、溶隙、管道、暗河等均有不同程度的发育。经统计和分析重庆穿越“四山”的隧道引起的地表塌陷特征，重庆“四山”岩溶槽谷发生地表塌陷有以下成因和机理。

1）重庆“四山”岩溶槽谷的地下水位埋深较浅（一般在30m以内），由于岩溶发育，水平和垂直水力联系较通畅，地下水位受降雨影响，水平径流和垂直水头变化比非可溶岩地区明显剧烈，地下水水平流动或水位上下波动，水的侵蚀携带土颗粒产生位移，形成土石界面的隐状土洞，待土洞逐渐扩大，上部土层失稳即产生塌陷^（1）。一般情况下，覆盖层土体结构越疏松、级配越好、抗剪强度越低、厚度越小，就越容易产生土洞和塌陷^（2）。

2）重庆“四山”的槽谷为覆盖型岩溶发育区，岩溶发育程度对岩溶塌陷的产生起着控制作用，岩溶越发育的地段越易产生塌陷^（2）。覆盖型岩溶地区地下水位降低时，地表水向地下水补给的过程中，携带土颗粒至下部岩溶通道，从而形成土洞或地表塌陷。

3）岩溶槽谷有大范围的汇水面积，槽谷两侧非可溶岩区域的降水向槽谷内汇集。降水季节和持续性的强降雨天气或久旱后的暴雨，极易导致地面塌陷^（2）。

4）人为降低地下水位，改变地下水动力条件而引起坡降增大时，加速了岩溶管道及洞穴中土体运移及表层土的侵蚀淘空^（1），岩溶系统渗流场中地下水动力条件的改变，是产生岩溶塌陷的主导因素^（3）。

发生覆盖型岩溶塌陷的成因和机理表明，岩溶塌陷发育需要满足以下3个基本条件：①岩溶洞隙的存在，②一定厚度的松散盖层（据统计，土层厚度小于10m的塌陷占绝大多数），③水动力条件易于改变的岩溶地下水^（4）。

3  山地城市越岭隧道针对岩溶塌陷探测的现状

岩溶地区地质灾害常有发生，特别是岩溶地面塌陷，突发性强、破坏力大，严重影响城乡居民的正常生产、生活环境^（5）。前期，在城市越岭隧道勘察中，建设单位和勘察单位往往更重视隧道工程地质条件的勘察，对水文地质条件勘察仅布置少量工作，对于隧道穿越岩溶地区是否易发生岩溶塌陷未针对性的布置探测工作。近年来，越岭隧道的建设单位和勘察单位已开始重视岩溶塌陷问题，但探测工作的重点集中在岩溶区覆盖层厚度探测方面，未从岩溶塌陷发生的机理考虑，进行多维度的探测，效果往往不佳。因此，从岩溶塌陷发育需要满足的3个基本条件出发，针对越岭隧道施工可能引起隧道水文地质环境变化和岩溶塌陷的形成机理，系统性的布置勘测工作，具有十分重要的作用。本文首次尝试采用大地电磁测深法、高密度电法、综合测井、钻孔全景成像等多种方法相结合的综合物探方法，从隧道施工过程中地下水的“补、给、排”途径、岩溶发育情况、覆盖层厚度3个方向系统性的探测，对越岭隧道勘测划分易发生地表塌陷区，取得了良好的探测效果。

4  工程案例

4.1工程概况

为加快重庆的建设，改善重庆的交通环境状况，促进重庆经济可持续发展和城乡统筹建设，构筑现代化快速交通体系。拟建设一条穿越重庆铜锣山的隧道，长度约3.5km，最大埋深约230m。拟建隧道采用分离式双洞双向六车道隧道，净宽13.0m，净高8.0m，洞间距42m，设计速度60km/h，双向6车道。在本项目勘测过程中，以隧道上部岩溶槽谷为探测对象，探测范围为隧道两侧各2000m（以一个完整地下水系统为勘察研究对象^（6）、隧道环境水文地质勘察和环境影响评估的范围以隧道两侧各1000～5000m为宜^（7））。

4.2  物探勘测

4.2.1  大地电磁测深法

大地电磁测深法利用电磁感应原理，属于频率测深法，探测深度可达1000m。大地电磁测深法的主要目的是查明拟建隧道隧址区及隧道两侧各2000m范围内的地质构造和岩溶发育情况。

在本项目水文地质勘察过程中，沿拟建隧道轴线布置了1条大地电磁测深剖面，其综合解译成果图如图1所示，在东、西槽谷内分别布置了1条大地电磁测深剖面，已隧道轴线为剖面中心点，沿东西槽谷走向向两端个延伸2000m。其色谱图如图2所示。图2表明拟建隧道穿越6个岩溶发育区，且6个岩溶发育都为“漏斗状”由浅部向深部的岩溶发育区，拟隧道与地表通过岩溶发育区域区形成垂直的联系通道。图3表明，西槽谷测线覆盖区域存在6个岩溶发育区，岩溶区占测线长度的78%东槽谷测线覆盖区域存在2个岩溶发育区，岩溶区占测线长度的85%。

图2  拟建隧道轴线大地电磁测深综合解译成果图（岩溶槽谷段）

图3  拟建隧道东、西槽谷大地电磁测深色谱图

4.2.2  高密度电法

高密度电法属于几何测深法，其探测深度和精度与排列的长度和电极距有关。在本项目勘探过程中，采用温纳装置，60道电极，电极间距为3～5m，有效探测深度约为25～40m。高密度电法的主要目的是查明拟建隧道隧址区地表槽谷内的土层厚度和浅部岩溶分布情况。

图4  拟建隧道东槽谷高密度电法25--25’剖面综合解译成果图

在本项目水文地质勘察中，西槽谷共布置高密度电法测线68条，测区面积980837m²，高密点电法测试反映西槽谷内基岩面埋深普遍为4.0～10.0m，局部差异较大，最浅位置基岩面埋深约为0.7m，最深位置基岩面埋深约18.2m。推测西槽谷内测区范围内存在37处浅部岩溶发育区，面积约132803m²，占测区面积的13.5﹪。东槽谷共布置高密度电法测线56条，测区面积2041438m²，高密点电法测试反映东槽谷内基岩面埋深普遍为5.0～9.0m，覆盖层厚度差异较小，最浅位置基岩面埋深约为3.5m，最深位置基岩面埋深约12.6m；推测东槽谷内测区范围内存在16处浅部岩溶发育区，面积约253909m²，占测区面积的12.4﹪。

4.2.3  钻孔全景成像

钻孔全景成像采用原位拍照的方式对钻孔孔壁进行成像，钻孔全景成像的主要目的是原位观测可溶岩的岩溶发育情况，溶洞及溶隙的特征及充填情况、地下水渗漏位置。钻孔全景成像也验证了大地电磁测深法反映的深部岩溶通道。

图5  岩溶洞穴和地下水出露位置。

4.2.4  综合水文测井

在本项目中，选用了视电阻率测井、井温测量、电阻率扩散法测井、自然伽马测井、波速测井，其目的是获取拟建隧道隧址区的地层、地下水渗漏位置、渗流速度、地下水位、井温等。本项目水文测井反映出来了各钻孔水位，地下水渗流位置。本项目钻孔水文都布置在东西岩溶槽谷内，水位在3.0～34.2m范围内，推测土层饱水但不蓄水，部分钻孔水位低于基岩面。

表1  本项目水文钻孔水位

4.2.5  本项目小结

拟建隧道穿越铜锣山，高密度电法、综合测井、钻孔全景的探测成果表明：拟建隧道隧址区东西槽谷地表覆盖层厚约4.0～10.0m，浅部岩溶发育面积约占测试面积的13%，地下水位3.0～34.2m，主要在20.0m范围，推测土层饱水但不蓄水，部分钻孔水位低于基岩面。

大地电磁测深、钻孔电视、综合测井探测成果表明：在东西槽谷内，存在较大范围的汇水面积，拟建隧道地表与隧道两侧存在水平和垂直的水力联系通道，同时，拟建隧道通过垂直的水力联系通道与地表形成直接的水力联系，隧道施工过程中，将存在一个大范围的汇水区域向拟建隧道内排泄。经模拟计算，拟建隧道的正常涌水量为14051.5m³/d；雨季涌水量为27524.9m³/d，地表土层的水动力条件易于改变。

拟建隧道施工过程中，隧道穿越岩溶发育区时，必将夺袭地下水，造成地下水位下降，在水动力作用下，周边地下水通过浅部岩溶和深部岩溶向隧道内排泄，引起隧址区地下水位下降，同时引起地表沉降和第四系覆盖层中的细颗粒流失，形成土洞或地面塌陷。另一方面，隧道施工过程中的地表降水，不断对地下水进行补给，同时又因隧道施工而排泄，引起水位的交替上升和下降，同时加速土层的疏松，加速形成土洞或地面塌陷。

4  结束语

随着我国经济从高速发展向高质量发展的转型，对生态环境的保护越来越重视，特别是在党的十九大报告中，更是明确指出“像对待生命一样对待生态环境”。各级政府和行业主管部门，要求隧道建设过程中，要重视地下水资源保护，避免地表塌陷的发生，对地下水要求以“防”和“堵”为主，限量排放，减小水动力因素对地表塌陷的作用，从源头上降低隧道施工引起地表塌陷发生的机率。山地城市地表岩溶的塌陷的发生，将造成人民生命财产的重大损失和不良的社会影响，更应该高度重视。在山地城市越岭隧道勘察过程中，勘察单位应从地下水的排泄和补给途径、地表水的补给范围，岩溶区地表塌陷形成的3个基本条件入手，针对性的布置勘探工作，勘察过程中，可充分利用物探测试成本低、速度快，工作效率高的特点，采取多种物探手段进行探测，查明越岭隧道可能诱发地面岩溶塌陷的区域，为工程设计和工程施工提供基础依据，为越岭隧道施工过程中的监测点布置提供依据，从而实现对岩溶塌陷的预防和预报。

[1]  吴治生.岩溶塌陷地表稳定性分析及工程地质分区.铁道工程学报.2006年7月第4期(总94).6-9

[2]  雷金山，阳军生，肖武权，刘成军.广州岩溶塌陷形成条件及主要影响因素.地质与勘探. 2009年7月.第45卷第4期 

[3]  杨立中，王建秀. 国外岩溶塌陷研究的发展及我国的研究现状. 中国地质灾害与防治学报. 1997年10月.

[4]  岩溶塌陷的形成条件与动力因素. 建筑网. 2018-07-16

[5]  张伟，甘伏平，梁东辉，韩凯，刘伟.利用微小震动法快速探测岩溶塌陷区覆盖层厚度.人民长江. 2016年12月第47卷第24期

[6]  水文地质手册

[7]  王石春，陈光宗.隧道水文地质环境变化及其对生态环境影响的评估.世界隧道. 1997年第五期.

1作者：欧阳明明，（1978.9- ），男，高级工程师，从事城市工程物探、工程检测、工程监测的应用和研究。