高速鐵路巖溶勘察技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

易勇進(jìn) 宋 章 張廣澤 蔣良文

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

根據(jù)中國巖溶地質(zhì)館資料，全球巖溶總面積約 2 200萬km2，占地球陸地面積的15%，主要分布于地中海、東歐、中東、中國西南部、東南亞、美國東南部和中美洲等國家和地區(qū)；我國巖溶面積達(dá)344萬km2，約占全球巖溶總面積的15.6%，約占我國國土面積的 1/3，其中裸露型巖溶75.64萬km2，主要分布于西南的黔滇桂川渝及中南的湘鄂粵等地，構(gòu)成了世界上最大的連片裸露型巖溶區(qū)之一。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界巖溶區(qū)高速鐵路里程約 5 000 km，我國巖溶區(qū)高速鐵路里程約 3 600 km，約占世界巖溶區(qū)高速鐵路的72%。其中西南巖溶區(qū)高速鐵路約 2 600 km，約占全國巖溶區(qū)高速鐵路的72%，約占世界巖溶區(qū)高速鐵路的52%。根據(jù)鐵路中長期路網(wǎng)規(guī)劃，我國巖溶區(qū)規(guī)劃待建高速鐵路約 3 000 km。

由于巖溶發(fā)育具有高度不均一性、隨機(jī)性、隱蔽性等特點(diǎn)，巖溶災(zāi)害具有突發(fā)性、復(fù)雜多變性等特性，故巖溶區(qū)高速鐵路建設(shè)地質(zhì)問題尤為突出，給巖溶區(qū)鐵路尤其是高速鐵路地質(zhì)選線、勘察設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評估及防災(zāi)減災(zāi)等帶來極大的挑戰(zhàn)。

1 巖溶勘察國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)近50年我國西南巖溶區(qū)十余條干線鐵路和武廣、渝利、南廣、貴廣、云桂、長昆、貴南等巖溶區(qū)高速鐵路的勘察設(shè)計(jì)實(shí)踐，認(rèn)為巖溶問題對鐵路工程的影響和危害主要表現(xiàn)在五個(gè)方面[1-2]：①巖溶地面塌陷威脅構(gòu)筑物安全；②巖溶隱伏溶洞及其充填物影響構(gòu)筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；③隧道巖溶涌水突泥危害地下工程和環(huán)境；④巖溶洼地積水浸泡或淹沒路基和其它地面工程；⑤碳酸鹽巖層風(fēng)化產(chǎn)物的膨脹性影響邊坡穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)外關(guān)于巖溶勘察技術(shù)的研究和應(yīng)用較多[3-9]，形成了以地質(zhì)調(diào)繪、遙感技術(shù)為主，結(jié)合工程地質(zhì)勘探和物探的勘察技術(shù)方法和手段，收到了較好的成效。

1.1 工程地質(zhì)調(diào)繪

工程地質(zhì)調(diào)繪是巖溶勘察工作的基礎(chǔ)和先導(dǎo)性工作，是后期各種勘察技術(shù)方法選擇和勘探點(diǎn)布設(shè)的依據(jù)[5]，貫穿于各勘察階段。工程地質(zhì)調(diào)繪的優(yōu)點(diǎn)是可較直觀地查明巖溶地貌形態(tài)、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地表水狀況及地表巖溶發(fā)育形態(tài)等；缺點(diǎn)是受地形、氣候、交通條件影響大，僅能查明一定范圍內(nèi)地表巖溶的分布形態(tài)和發(fā)育規(guī)律，難以查明地下隱伏巖溶的發(fā)育情況。

1.2 遙感技術(shù)

為適應(yīng)鐵路建設(shè)發(fā)展的需要，上世紀(jì)50年代中期，航空遙感技術(shù)開始被引進(jìn)并應(yīng)用于航測工作；60年代航測測圖得到了較大發(fā)展，為線路選線提供了較可靠的依據(jù)；70年代隨著中國第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射，多種專業(yè)的遙感判釋技術(shù)得到了較大發(fā)展，遙感技術(shù)逐步應(yīng)用于地質(zhì)勘察工作；80年代后，隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[7]。21世紀(jì)以來，隨著氣象衛(wèi)星和資源衛(wèi)星等的相繼發(fā)射，加之光電化、數(shù)字化、自動化等技術(shù)的快速發(fā)展，高精度、快速精準(zhǔn)定位技術(shù)及多片種、多時(shí)相、定量、動態(tài)遙感判釋技術(shù)得到了長足發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了地形數(shù)據(jù)(DTM)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和多種計(jì)算機(jī)輔助工具的聯(lián)合應(yīng)用[7]。

在鐵路勘察中，遙感技術(shù)作為巖溶形態(tài)調(diào)查的主要手段之一，目前已得到了較好的應(yīng)用。如利用遙感技術(shù)對巖溶地面塌陷進(jìn)行探測及監(jiān)測[10-11]、鐵路沿線巖溶發(fā)育狀況的調(diào)查和普查[12]、巖溶地區(qū)石漠化普查和發(fā)展趨勢的分析[13]等均取得了很好的效果；此外，采用高精度衛(wèi)星遙感圖像的圖像預(yù)處理、圖像融合、正射校正技術(shù)等實(shí)現(xiàn)遙感影像三維可視化研究亦取得了較好的成績。同時(shí)，遙感技術(shù)結(jié)合ArcGIS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)巖溶區(qū)漏斗信息提取、形態(tài)顯示和地下溶洞網(wǎng)分析等[14]，Rahim Kazemi[15]通過航空照片、衛(wèi)星圖像結(jié)合GIS技術(shù)在巖溶水的勘察方面取得了一定成效。

遙感技術(shù)具有視域?qū)?、信息量大、獲取快等特點(diǎn)，可大幅提高巖溶地質(zhì)測繪填圖的質(zhì)量和效率。在宏觀上可查明區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、巖溶分布形態(tài)、水文地質(zhì)等信息，對巖溶區(qū)地質(zhì)條件做出初步評價(jià)，為鐵路工程地質(zhì)選線及工程建設(shè)提供較準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。但在微觀上須配合地面調(diào)繪及勘探工作，方能驗(yàn)證其準(zhǔn)確度和精度。

1.3 工程地質(zhì)勘探技術(shù)

地質(zhì)勘探是巖溶勘察過程中獲取地下巖溶發(fā)育情況最為直觀的方法和手段，可以探明巖溶基礎(chǔ)地質(zhì)條件，驗(yàn)證遙感、地質(zhì)調(diào)繪以及其它勘探方法的內(nèi)容，進(jìn)行巖溶水文地質(zhì)試驗(yàn)和物探測井等工作，從而獲得巖溶工程地質(zhì)和水文地質(zhì)參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1.4 工程地質(zhì)物探技術(shù)

上世紀(jì)50-70年代，鐵路工程地質(zhì)物探工作主要以找水為目的，采用直流電法和地震折射法開展工作[9]；80年代以來，隨著數(shù)字化儀器及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在結(jié)合其它勘探方法的基礎(chǔ)上，物探技術(shù)在巖溶勘察中的應(yīng)用得到了長足發(fā)展。

美國試驗(yàn)與材料協(xié)會在某指南中介紹了在巖溶區(qū)探測中較為有效的地球物理方法[3]，并對每一種方法的技術(shù)特點(diǎn)、用途、技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了評述。美國地質(zhì)與地球物理咨詢公司在總結(jié)1971年以來地球物理勘探經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對14種物理探測技術(shù)方法的使用條件和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析[6]，認(rèn)為在巖溶探測中的首選方法為地震面波、地質(zhì)雷達(dá)和微重力法。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，工程物探技術(shù)正朝著集成化、多功能化方向發(fā)展，并注重新型物探儀器的研發(fā)和應(yīng)用[16]。如用于天然場觀測和人工源信號的V-5、V5-2000、V-6、V-8音頻大地電磁系統(tǒng)及MMS-04音頻大地電磁系統(tǒng)(目前主要用于深部巖溶研究)；用于做天然場觀測的MT-24、EH4系統(tǒng)，其中MT-24主要用于研究深部構(gòu)造，EH4系統(tǒng)用于淺部研究(小于1 km)。

國內(nèi)在鐵路工程巖溶探測技術(shù)上尤其是地球物理勘探方面也進(jìn)行了研究應(yīng)用[16]，主要有遙感物探技術(shù)、地球物理探測技術(shù)(電法、震法、測井法、地質(zhì)雷達(dá)、微重力勘探、CT技術(shù)、可控源音頻大地電磁法、電磁測深以及甚低頻電磁法)、環(huán)境同位素技術(shù)、巖溶地貌與水文網(wǎng)分析法、地理信息系統(tǒng)(GIS)等。目前應(yīng)用比較成熟的方法有地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、淺層地震反射、以及彈性波法等。如應(yīng)用電磁波CT法對某鐵路車站埋深20 m范圍內(nèi)的巖溶洞穴位置、形態(tài)、充填情況及暗河走向進(jìn)行探測[17]、基于“地質(zhì)雷達(dá)法”及“地震單點(diǎn)反射波法”的優(yōu)勢互補(bǔ)性對宜萬鐵路隧底隱伏巖溶進(jìn)行普查[18]等，均取得了良好的效果。

物探技術(shù)具有方法多、信息量大、操作方便、大范圍及三維立體勘探等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度有待鉆探及其它勘探方法驗(yàn)證。

1.5 綜合勘察技術(shù)

綜合勘察技術(shù)是在遙感地質(zhì)解譯的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料進(jìn)行地面地質(zhì)測繪工作，并合理應(yīng)用勘探技術(shù)、物探技術(shù)及試驗(yàn)測試等勘探方法和手段，以最佳的勘探組合模式，通過密切配合，方法優(yōu)勢互補(bǔ)，結(jié)論互相驗(yàn)證，對成果資料進(jìn)行綜合分析和利用，以達(dá)到查明工程地質(zhì)問題、提高勘察質(zhì)量和效益的目的。綜合勘察技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的大型重點(diǎn)工程和前期鐵路選線的地質(zhì)勘測中具有顯著的優(yōu)勢[8]。如利用遙感技術(shù)、地質(zhì)測繪、綜合物探及地質(zhì)鉆探等方法的綜合勘察技術(shù)在內(nèi)昆線二道橋至昭通北段巖溶區(qū)選線[19]、廣西裸露型巖溶山區(qū)鐵路隧道巖溶綜合勘察[20]中均取得了良好的效果；在地面調(diào)繪的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程鉆探和物探等的綜合勘察手段，在巖溶區(qū)某客運(yùn)專線巖溶橋基勘察[21]及某鐵路巖溶路基塌陷的勘察[22]中，查清了巖溶病害，為工程整治提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)。

2 高速鐵路巖溶地質(zhì)勘察面臨的新挑戰(zhàn)

高速鐵路速度快、運(yùn)營安全和舒適性要求高的特點(diǎn)，決定了其線路曲線半徑大，繞避巖溶困難，線路對巖溶地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，對場地的穩(wěn)定性要求高；高速度依賴軌道的高平順度，對橋隧路基工程的工后沉降控制要求嚴(yán)格，對巖溶地基巖土體適宜性要求高，對巖溶邊坡的穩(wěn)定性、特別是隧道口危巖落石的風(fēng)險(xiǎn)防范要求極高，從而對地質(zhì)選線和勘察提出了更高要求。

高速鐵路需規(guī)避巖溶系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)，對巖溶區(qū)選線提出了更高的要求。由于巖溶形態(tài)及發(fā)育的復(fù)雜性和高度不均一性，平面上完全繞避巖溶發(fā)育區(qū)、剖面上完全繞避深部巖溶發(fā)育帶極其困難，對巖溶地質(zhì)勘察與風(fēng)險(xiǎn)評估要求高主要表現(xiàn)在地質(zhì)勘察工作的深細(xì)度與精細(xì)度上，必須采用綜合勘察方法，對各種勘察成果資料進(jìn)行綜合分析，相互印證，以達(dá)到查明巖溶工程地質(zhì)問題和提高勘察質(zhì)量的目的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在深細(xì)度上，高速鐵路地質(zhì)鉆探量較普速鐵路大幅增加，其每公里鉆探量達(dá) 1 100～2 000 m，而普速鐵路每公里一般不超過200～300 m；除鉆孔密度更大外，還需采用多手段的物探、原位測試進(jìn)行巖土體參數(shù)測試，巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)還需開展專項(xiàng)和專題研究工作，以滿足高速鐵路設(shè)計(jì)和施工要求。

由于巖溶發(fā)育的隨機(jī)性、隱蔽性和高度不均一性的特點(diǎn)和既有巖溶勘察技術(shù)現(xiàn)狀，完全查明巖溶的空間分布形態(tài)及發(fā)育規(guī)律，仍是高速鐵路工程建設(shè)中極其復(fù)雜而困難的工作。

3 發(fā)展展望

由于巖溶分布形態(tài)和發(fā)育的復(fù)雜性、隱蔽性、多樣性，以及高速鐵路巖溶地質(zhì)勘察對深細(xì)度和精細(xì)度的高要求，單一的、傳統(tǒng)的勘察技術(shù)方法或手段均無法滿足設(shè)計(jì)要求，必須在不斷總結(jié)提升傳統(tǒng)勘察技術(shù)、方法的基礎(chǔ)上，充分合理利用新技術(shù)、新方法，采用綜合勘察方法，相互驗(yàn)證，提高勘察效率和精細(xì)度。

近年來，隨著數(shù)字化和信息化技術(shù)的發(fā)展，高速鐵路巖溶地質(zhì)勘察開始探索“空、天、地”一體化綜合勘察模式。其中，“空”類勘察技術(shù)是指基于衛(wèi)星系統(tǒng)開展遙感遙測技術(shù)，主要包括北斗衛(wèi)星定位勘測技術(shù)、高分衛(wèi)星遙感技術(shù)、InSAR形變監(jiān)測技術(shù)、衛(wèi)星熱紅外遙感隧道地?zé)岙惓ＷR別技術(shù)以及多光譜、高光譜巖性識別技術(shù)等；“天”類勘察技術(shù)是指基于大氣層內(nèi)低空域開展的有人機(jī)、無人機(jī)遙感遙測技術(shù)，主要包括高分無人機(jī)測繪和勘察技術(shù)、機(jī)載激光雷達(dá)、熱紅外航空掃描、多波段航空圖像以及常規(guī)航空像片解譯技術(shù)等；“地”類勘察技術(shù)是指在地面或近地表開展的地質(zhì)相關(guān)工作，主要包括地質(zhì)調(diào)繪、勘探、物探、觀測、測試、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等，尤其是地面三維激光掃描技術(shù)、等值反磁通瞬變電磁技術(shù)、微動探測技術(shù)、厚-深厚覆蓋層綜合原位測試技術(shù)等新技術(shù)。

為適應(yīng)和推動我國高速鐵路尤其是西南巖溶山區(qū)高速鐵路的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“空、天、地”多層次勘察技術(shù)及綜合分析解譯的定量化和精確化，將是當(dāng)前和今后一段時(shí)期高速鐵路巖溶勘察的主要任務(wù)。必須針對不同巖溶地質(zhì)環(huán)境、不同工程類型，充分利用新技術(shù)、新方法、新設(shè)備、新手段，結(jié)合各種勘察設(shè)備、技術(shù)、方法的適應(yīng)條件，合理選用多種勘察方法，力爭以最佳的設(shè)備和技術(shù)方法組合，取長補(bǔ)短、相互驗(yàn)證，提高勘察質(zhì)量和精度。