一种岩溶地质条件下的地铁超前预报方法
摘 要：与普通公路或铁路隧道相比，城市地铁一般从城市道路下方通过，因此，城市地铁超前预报(主要指物探类预报)的实施可分洞内和洞外两部分。但由于地铁埋深较浅，干扰因素众多，需要开展综合超前预报。通过分析岩溶地质条件下的城市地铁超前预报特点，利用地质雷达和高密度电法各自优势和互补特点，提出洞内开展地质雷达超前预报和洞外开展高密度电法与地质雷达相结合的综合预报方法。辅以工程应用实例，详细分析该综合预报方法的实施与综合解释过程，证明该综合预报方法对岩溶地质条件下的城市地铁超前预报的有效性。
关键词：工程地质；城市地铁；综合超前预报；地质雷达；高密度电法；岩溶地质
1 引 言
近十年来，为了加快西部大开发，国家在西部交通基础设施上投入巨大，隧道建设获得了蓬勃发展，隧道超前预报技术(这里主要指物探类的超前预报，以下类同)也得到了相应的重视、发展和提高。当前，随着城市建设的加快发展，我国需要进行地铁建设的城市将越来越多，而地铁在修建的过程往往会遇到许多不良地质情况，严重者会出现突涌水等灾害故事。为了给地铁建设多提供一份决策依据和安全保障，针对城市地铁超前预报方法的研究将越显重要，也很有实际意义。
国内外有关隧道超前预报研究[1-8]的资料较多，但仔细分析这些资料，发现其研究对象绝大多数是针对普通的公路或铁路隧道，而针对城市地铁的却非常少，公开发表的几篇有关城市地铁超前预报方法的文章[9-11]，主要是分析某种物探方法在城市地铁工程中的应用效果，而没有把重点放在如何进行城市地铁超前预报的论述上。
与普通公路或铁路隧道的超前预报相比，由于城市地铁线路很大一部分是从城市道路下方穿过，且埋深较浅(一般为 5～30 m)，而道路上方往往管线密布，车辆来往频繁，各种干扰众多，所以，在进行城市地铁超前预报时，预报方法的选择和实施方式与普通公路或铁路隧道超前预报方法将有所不同。此外，地质条件也是决定城市地铁超前预报方法选择和实施一个重要因素，因此，本文拟对岩溶地质条件下的城市地铁超前预报方法进行探讨和研究，以此抛砖引玉，也为当前和日后的城市地铁超前预报提供参考或借鉴。
2 城市地铁综合超前预报方法
由于每种预报方法都有其适用条件，各有优缺点，加之物探解释具有多解性，因此，开展综合预报尤为必要。综合超前预报[2，12]是指采用多种预报手段，取长补短，相互补充，相互验证，通过综合解释方法达到预报精度和准确度最大化的过程。
城市地铁超前预报同样需要用到综合预报方法，而综合预报方法涉及到一个预报方法选择与实施的问题。众所周知，普通公路或铁路隧道一般为穿山隧道，埋深较大，其超前预报往往只在洞内开展，而城市地铁上方往往为路面，超前预报除了可以在洞内开展，洞外也可以开展相应的地面探测。因此，城市地铁超前预报方法的选择和实施就分为洞内和洞外两部分。以下将阐述岩溶地质条件下的城市地铁超前预报方法的选择与
2.1 城市地铁超前预报方法的选择
由于城市地铁隧道埋深较浅，不管是洞内还是洞外，应尽量避免选择地震波或弹性波类的探测方法，如 TSP 超前预报、浅层地震勘探等，因为此类方法接收的是震动反馈回来的信号，而路面上来回车辆或者其他施工活动所造成的震动是一个比较大的干扰源，直接影响到此类方法的探测结果。此外，洞外各种电磁干扰较严重，在地面开展探测工作也应尽量不选择无电磁屏蔽处理或电磁屏蔽效果较差的电磁类方法。由于地质雷达与高密度电阻率法是电法勘探中最为成熟的 2 种方法，其中地质雷达精度高，对 20 m 探距范围内的裂隙(包括含水裂隙)、溶洞或破碎岩体探测效果较好。而高密度电阻率法探测深度大，效果好，可以有效地圈出不良地质体的分布范围，也可以为地质雷达的有关水体的解释提供补充验证。因此，对于岩溶地质条件下的城市地铁超前预报方法，提出了洞内采用地质雷达方法，洞外采用高密度电阻率法与地质雷达相结合的方法。
2.2 城市地铁超前预报方法的实施
城市地铁超前预报方法的实施主要分为数据采集和数据解释两大部分。对于数据采集，除了设置好相应的仪器参数，关键要把测线布置好。洞内的测线布置与普通公路或铁路隧道的类似，根据围岩的岩性和构造情况布置好相应测线，这里建议掌子面上的测线布置成井字型，如果条件受限，也应尽可能布置成十字型。洞外的地面高密度电法测线不易在道路中间布置，建议沿着地铁走向，在道路两边各布置一条测线，通过这 2 条测线的探测结果，可以确定是否存在横切地铁隧洞的较大断层、溶沟或溶槽等。对于与地铁走向平行的地质构造，由于地质雷达操作比较灵活，可以在地面上间隔地布置垂直于地铁走向的地质雷达测线进行确定。这里需要说明的是，虽然城市地铁路线设计前一般都会有相应地质勘查工作，但该类地质勘查精度比较粗，很容易漏掉局部一些地质构造，因此，在地面上布置 2 条高密度电阻率法测线对于进一步的详细勘查就显得非常重要。
实施。
至于数据解释部分，一定要在相应地质资料分析的基础上，采用洞内与洞外相结合的办法开展综合物探解释。
通过以上分析，城市地铁综合超前预报方法的选择和实施过程可以用图 1 来表示。总体而言，只要方法选择得当，在地质资料分析基础上，通过洞内洞外探测相结合，可大幅度提高地铁超前预报的精确和准确度。
3 城市地铁综合超前预报实例分析
以下将以大连地铁一区间正线的超前预报和广州地铁一车站的超前预报为例来说明岩溶地质条件下的城市地铁超前预报方法。
3.1 大连地铁一区间超前预报实例
探测区间位于城市中心，沿线建筑物众多，管线密集，车流人流非常大。区间范围内上覆第四系人工堆积层(
)、第四系中更新统残积层(
)、第四系中更新统冰碛层(
)、下伏震旦系南关岭组泥灰岩层(
)、五行山群甘井子组白云质灰岩(
)、中生代燕山期辉绿岩(βμ)。区间灰岩地段岩溶发育，为了进一步查明区间是否存在较大断层、溶槽、溶洞和破碎带等不良地质体，拟对该区间行相应的超前预报或探测。
3.1.1 预报方法和测线布置
区间隧道为双洞结构，高约 7 m，每个隧道宽约 6 m，拱顶埋深约 9 m，采用矿山法施工，针对区间的地质情况，对洞内的超前预报采用地质雷达法，而对洞外(路面)探测则采用高密度电阻率法与地质雷达法相结合的方法，测线布置见图 2，3。
洞内洞外的超前探测具体实施过程为：首先在路面上进行高密度电阻率法探测，由于地铁隧道刚好从道路正下方穿过，因此，利用布置在道路边的2 条测线首先探明区间是否存在横切隧道的比较大的断层、溶沟或溶槽等。待高密度电阻率法探测完后，依据其探测结果，再进行地质雷达的探测。如果高密度电阻率法探测存在较大的横切隧道的断层、溶沟或溶槽等，那么这些不良地质体附近很可能会伴生有岩溶裂隙发育现象，因此，当工作面开挖到其附近处，应采用地质雷达加密测线扫描，这时的雷达测线除了垂直于隧道走向，还需要布置沿着隧道走向的测线，通过交叉网格式的测线布置，可较全面地了解工作面前方的地质情况。
这里需要说明的是，如果高密度电法探测未发现较大的断层、溶沟或溶槽等，针对矿山法施工特点，地质雷达预报只需在洞内发现工作面前方有较大的不良地质体时，才在路面进行加密测线扫描。
3.1.2 干扰因素及其排除或压制方法
在城市环境条件下，高密度电阻率法探测主要受到地下各种管线的干扰影响，特别是金属管道和电力线对高密度电阻率法探测影响较大。对于这种影响，可以在数据采集过程给予一定的排除，如尽可能让电极远离地下管线，如果不能远离，要确保电极不能与金属管线直接接触。此外，在数据处理过程中，通过脊回归和圆滑约束反演等方法可以对该类干扰进行压制。
而对于地质雷达探测，由于其发射和接收的是电磁波信号，受到的干扰更多，不仅受到地下管线的干扰，且受到地面以上的高压线、路灯、来回车辆和道路两边建筑物等干扰影响。在洞内还会受到钢拱架、施工车辆等干扰。这些干扰因素的排除或压制同样可以采取类似于高密度电阻率法的思路，在数据采集过程中尽可能的规避相应的干扰，如不能避免，应记录好相应干扰源的空间分布情况，这对于后面的数据处理和解译非常重要。在数据处理过程中，除了采用常规的滤波、叠加和增益处理外，利用绕射叠加和偏移成像技术可以对高压线、路灯、两边建筑物和洞内钢拱架干扰进行较好的压制。需要指出的是，干扰有些时候是很难压制的，如来往的重型车辆对地质雷达的干扰影响，遇到该类情况，应记录好，以免造成误判。
3.1.3 探测结果分析
高密度电阻率法采用的是偶极布极方式，极距为 3 m，测线 G1 和 G2 的探测结果见图 4。地质雷达采用连续扫描方式，测线 DX1，DX2，DM1 和DM2 的探测结果见图 5。
从以上高密度电阻率法和地质雷达成果可以看出，高密度电法探测出区间发育有一条较大的充水充泥断层，且断层的底部约 34 m 处岩溶发育，富水。当掌子面开挖到断层附近时，利用地质雷达进行洞内洞外探测，结果发现，掌子面前方岩体较为破碎，裂隙节理发育，且竖向裂隙比较多，特别是发现了一条位于拱顶上方的弧形裂隙，很容易引起拱顶岩体脱落或跨塌。此外，从裂隙的分布来看，结合高密度电法成果图的富水位置，推断掌子面前方右半部分裂隙水出现，且来自底板以下。
图 6 为工作面开挖 4 m 后的照片，其中拱顶岩体较为破碎，并已进行了挂网及喷锚支护，另外，掌子面右下角有裂隙水流出。可见，开挖结果与预报结果比较吻合。
3.2 广州地铁一车站超前预报实例
车站位于市区，线路沿线地面条件复杂，主要为城市交通干道、居民小区、商业区。沿线城市干道车流量大，住宅、商业区人员密集，建筑物稠密。从区域地质角度出发，沿线揭露的地层按时代、成因和岩性总体上为二元地层，即上部为第四系沉积物，下部为石炭系沉积岩。前期勘察表明，车站附近岩溶发育，而且还存在土洞。由于地质条件复杂，有必要对车站的岩溶和土洞分布情况进行详查。以下为车站竖井附近的探测情况。
本次车站内探测主要是为了了解竖井及其附近地下将要开挖部分(见图 7 右侧虚线框部分)是否存在土洞、溶洞等不良地质体。由于车站已经开始施工，地面存在较多固定建筑和器械，加上各种围挡的阻拦，地质雷达测线布置受到一定的限制，不能和高密度测线一样，只布置了 20 m 长的测线(见图7)。
本次高密度电阻率法采用的仍为偶极布极方式，极距为2 m，测线 G 线(108 m)的探测结果见图 8。地质雷达采用连续扫描方式，测线 D 线(20 m)的探测结果见图 9。
虽然地面测线附近存在许多金属器械、电缆干扰，但通过相应的处理(可参考大连地铁实例分析中的干扰分析和压制方法)，其最终成像结果是有效的。用高密度电阻率法首先探测到 3 个较明显的异常体，为了进一步确认该异常是否为假异常，开展了地质雷达探测，其结果与高密度探测结果较为吻合，通过二者解释，可确定一个为土洞，另一个为溶洞(见图 8，9)，这与后来的钻孔验证结果(见图 10中的钻孔 ZK2 和 ZK3)非常吻合。
至于图 8 中最左侧的深部异常体，由于地质雷达探测存在一定困难，该异常体的解释需要结合相应的地质分析。前期勘察表明，该地段的土岩界面基本在地下 13 m 左右，因此，一个发育在石灰岩中的低阻异常体基本为岩溶产物，从该异常体的分布规律和形状而言，判断其为一个溶洞。该解释结果从钻孔柱状图中也得到很好的验证(见图 10 中钻孔 ZK1)。
4 结论与建议
通过以上的分析研究，可以得出以下几点结论及建议：
(1) 理论与实践表明，对于岩溶地质条件下的城市地铁超前预报，在地质分析的基础上，利用高密度电法和地质雷达综合方法，通过洞内洞外相结合可以有效地对掌子面前方围岩情况进行探测。
(2) 与普通公路或铁路隧道不同，城市地铁往往埋深浅，环境干扰因素多，因此，超前预报方法的选择与实施要充分考虑到城市地铁的特点，不能简单照搬普通公路或铁路隧道的超前预报手段。
(3) 城市路面上进行物探工作易受到场地的各种限制，而且各种干扰因素众多，因此，在实际探测过程中要灵活处理测线的布置，包括测线的长度、极距和形状等，并尽可能地减少道路两边的管线、路灯、电线杆和道路来往的大型车辆的影响。
(4) 多种方法的综合解释是城市地铁综合超前预报的最关键环节，要求解释人员既要熟悉每种物探方法的特点，更要密切结合既有钻孔资料和其他地质资料，还有就是现场记录要记详、记全，如此通过洞内洞外相结合的综合解释才能更好地去甄别、排查每一个异常体，确保地质解释成果的有效和精确。
(5) 对于岩溶地质条件下的城市地铁综合超前预报，文中提到的地质雷达与高密度电法相结合方法虽然取得较好的效果，但也存在一些缺点，比如地质雷达探测距离短，探测频次高，会给现场施工造成一定的影响；高密度电法现场需要多人协同工作，操作不便携，因此该综合方法还需要进一步完善和提高。此外，由于三维探测信息量更丰富，日后可以考虑开展地质雷达及高密度电法三维探测，以此不断地提高岩溶地质条件下的城市地铁综合超前预报水平，更好地为城市地铁建设服务。
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