云南某机场岩溶场地勘察工作实践

云南某机场岩溶场地勘察工作实践

林迅1   ,李泽同2  ,陈娅2  ,黄斌2

1、云南机场集团有限责任公司    云南.昆明  650032

          2、云南建投第一勘察设计有限公司   云南.昆明  650102

摘要：本文根据云南某机场岩溶场地勘察工程实例，着重阐述在岩溶场地勘察过程中主要采用地质调查、物探与钻探相结合的勘察方法及重要经验，可为类似场地机场建设项目岩土工程勘察提供借鉴和参考。

关键词：岩溶场地，工程地质调查，工程地质钻探，地球物理勘探

1引言

随着云南省经济和社会的快速发展，为满足日益提高的民航运输需求，同时兼顾国防建设的需要，十三五期间，国家将在云南部分州市规划建设一批新的通用机场。处于喀斯特地区的机场建设项目，由于岩溶形态的复杂多变，对工程建设和安全运营影响较大。[1]在勘察期间查清场地内岩溶的分布特征及规律，为设计、施工采取针对性的治理措施提供准确的依据，[2]对机场建设项目具有重要的现实意义。本文着重阐述云南某机场勘察工作实践过程，从工程地质调查、工程地质勘探和取得的成果方面进行简要介绍。

2机场工程勘察方法概述

2.1主要勘察方法

机场工程勘察的主要方法有工程地质测绘、物探、钻探、原位试验、室内试验等。原位试验的方法有动力触探、静力触探、静载荷试验、反应模量试验、干密度试验等；室内试验的内容很多，因机场工程地质条件的不同，试验项目差异很大，总体上有岩土常规试验抗剪试验、抗压试验高压固结试验、膨胀土试验、冻土试验、有机质试验、土腐蚀性试验、颗分试验、建材试验等。[3]

2.2地球物理勘探方法

地球物理勘探简称物探。凡是以各种岩、土物理性质的差别为基础，采用专门的仪器，通过观测天然或人工的物理场变化来判断地下地质情况的方法，统称为物探。用于工程勘察中的物探，习惯上称工程物探。工程物探的优点是效率高、成本低、仪器和工具比较轻便。物探与工程地质测绘、坑探、钻探密切配合，对指导地质判断、合理布置钻孔、减少钻探工作量等方面能取得良好的效果。物探的类型很多，主要有电法勘探、电磁法勘探、地震勘探、声波探测、重力勘探、磁力勘探与放射性勘探等。机场工程勘察中常用的有电法勘探、地震勘探、地质雷达等。地球物理勘探存在多解性的问题，为了获得更准确更有效的解释结果，一般通过钻探方法配合。[3]

2.3岩溶勘察的主要物探方法

目前，用于岩溶勘察的常用物探方法有电法、弹性波法、电磁波法和井中探测法。电法又有电测深法和高密度电法；弹性波法又有瑞雷波法、反射波法和透射波法(CT)；电磁波法又有地质雷达法和电磁剖面法；井中探测法又有井间层析成像(CT)和钻孔电视。[4]

3机场岩溶场地工程勘察实例

3.1 工程概况

云南某机场直线距离县城约8.0km，机场近期建设规模为一类通用，远期规划升级扩建为民用4C级支线机场。机场近期规划一条跑道，长度为1600m、宽度30m，飞行区指标为2B，飞行区土方平整长度为2200m，宽度160m；工作区近期主要预留3000㎡航管综合楼（含航站、航管及塔台、机场办公等功能）。

3.2 地质概况

场地地貌为构造溶蚀低中山地貌，场地内地基土成层条件相对简单，除地表为人类近期活动形成的植物层和杂填土外，其下分布有第四系坡、残积（Qdl+el）黏土层及石炭系上统黄龙组（C2h）石灰岩、溶洞充填黏性土、方解石岩脉等地层组成。

3.3 综合的工程勘察方法应用

3.3.1工程地质调查

1、区域地质资料收集

勘察区位于华南褶皱系(Ⅱ)西延部分滇东南褶皱带(Ⅱ1)的东段，区域内地层由老至新出露有寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、新近系及第四系。构造形迹主要为一系列北西－近东西向展布的弧形断裂及少数褶皱。

区域位于云贵高原向桂东溶原过渡的斜坡地带，地势由西南向东北呈阶梯状倾斜，西南高，东北低。区内碳酸盐岩类分布很广，受湿润多雨的亚热带气候条件的影响，岩溶十分发育。地貌类型多为构造侵蚀、溶蚀和岩溶地貌，其中以岩溶地貌发育最为广泛，碳酸盐岩广布区域内，峰丛、石芽、漏斗、溶洞及暗河等极为发育。场区主要受北西向主应力控制，其次为北东向的应力,断裂主要为北西向，使北西向的节理裂隙发育，地貌为北西向串珠状洼地为主，北东向次之。

2、地形地貌调查

勘察区直距县城约8.0km，地表多见基岩出露，少部分为残积土（红黏土）层覆盖，为构造溶蚀低中山地貌，主要表现为密布的石芽（约占整个场地的60%，部分地段零星分布）、溶沟、溶槽、岩溶残丘、溶洞、漏斗、落水洞等微地貌类型。海拔高程大致介于1430～1607m之间，飞行区内海拔高程大致介于1510～1595m之间，航站区内海拔高程大致介于1528～1572m之间，地势西北低、东南高。地形坡度多介于5～15°之间，局部地形较陡，达20～30°，西北部斜坡、陡坡地形较为明显。植被多为灌木林覆盖，植被覆盖率一般，耕地较多，相对平坦处多为旱地

。场区最高点位于山脊南部，高程为1607.00m，最低点为中部漏斗底，高程为1430.00m，即为该场区最低侵蚀基准面，最大相对高差约177.00m。不良地质作用主要表现为岩溶，岩溶现象多以北西向的串珠状发育为主，北东向次之。

3、地表岩溶现象调查

勘察区地貌上属构造溶蚀低中山区，为石灰岩分布区，地形切割剧烈、破碎，岩溶作用极发育，场区内共发育有溶蚀漏斗、落水洞、溶洞等岩溶形态共33处，场地地表岩溶发育分布详见下图1，溶蚀漏斗具体直观形态见下图2，漏斗地质剖面图详见下图3。

图1  场地地表岩溶发育分布图

图2  LD3漏斗现状地貌

图3  LD3漏斗地质剖面

场区落水洞总体弱发育，落水洞形态表现为圆形和椭圆形，洞口多被杂草、灌木覆盖，洞口直径大小不一，可见深度10m以内，本区落水洞均分布于机场挖填方边界内，均处于挖方区。落水洞发育受区内溶蚀孤峰控制，机场跑道南东端的溶蚀孤峰为场区内最高峰，落水洞多位于孤峰南东一侧，本区落水洞主分布较分散，且处于相对高的地势，地表水对其影响不大，其主要由岩溶裂隙发育形成，从其分布位置来看，各落水洞间关联性小。

3.3.2高密度电法

高密度电法又叫高密度电阻率法，高密度电阻率法是常规电阻率法的一个变种，就其原理而言，与常规电阻率法完全相同，仍然以岩、矿石的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决水文、环境和工程地质问题，只是在测定方法 、仪器设备及资料处理方面有了改进 ；它集中了电剖面法和电测深法的特点 ，不仅可提供地下一定深度范围内横向电性的变化情况 ，而且还可提供垂向电性的变化特征。高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法，是多种排列的常规电阻率法与资料自动处理相结合的一种综合方法。在岩溶地区，高密度电法比普通电阻率法更具优势，具有直观、高效、高分辨率、高精度等优点。高密度电法的信息量远远超过普通电阻率法的信息量，并具有测深和测剖面功能，所提供的是二维信息，而且一定数量的二维剖面还可以组成一个拟三维图像，它是电剖面和电测深法的结合。

为了探测机场工程区的岩溶发育情况，在充分分析踏勘调查成果的基础上，采用了高密度电法（人工跑极对称四极电测深法），得到典型物理场异常区。初勘阶段在机场跑道中线及两侧布置了5条物探测线，在航站区布置了10条物探测线，电测深点距为10m，解译深度达50m。详细勘察阶段，根据初勘物探成果进一步在飞行区异常区域布置钻孔进行验证，在钻孔揭露溶洞时，又在飞行区异常区域垂直于跑道方向上布置了10条高密度电法测线，以便从纵向及横向上寻找岩溶发育规律。

根据现场调查，区内地表主要分布黏土层及素填土，下伏石灰岩，石灰岩导电性较差，呈现高阻。区内土层较湿润，大部分岩溶被水或泥土及岩石碎屑等充填，表现为低阻。通过高密度电法测量成果的分析和推断解释，基本上查明了场地内岩溶的分布范围、埋深等情况。场地内灰岩的电阻率相对较高，一般为400～800Ω·m;粉质黏土层及素填土层的电阻率相对较低，一般为200～400Ω·m;岩溶及岩溶漏斗及被黏性土充填的溶洞、岩溶槽等电阻率一般为50～200Ω·m。区内岩溶较发育，埋深一般在30m以内，溶洞大部分被黏性土及碎石充填。物探测量结束后，数据通过计算机软件处理，得出剖面反演电阻率断面图，如下图4所示。

图4物探A10测线成果及解译图

3.3.3工程地质钻探

工程地质钻探通常是指为查明工程地质条件而进行的钻探、井探、探槽和洞探的总称。其中钻探指利用钻机或专用工具，以机械或人力作动力，向地下钻孔以取得取得工程地质资料的勘探方法。钻探的目的是查明场地地层分布，以及场地不良地质作用的发育情况等，并根据需要采取原状土样、扰动土样及水样等。

本机场勘察工作，在飞行区和航站区初勘、详勘两阶段除满足机场规范要求布孔外，在高密度物探测线上岩溶异常地段均布置了适量勘探孔，进一步查明异常地段岩溶发育情况，对高密度物探成果资料进一步核实验证。本项目初勘和详勘共布置钻孔469个。

在初勘阶段实施钻探149个钻孔，其中15个钻孔揭露溶洞；在详细勘察阶段实施钻探320个钻孔，其中56个钻孔揭露溶洞。综合上述初勘与详勘钻探资料，钻孔揭露溶洞见洞率15.1%；揭露溶洞合计382.60m，占基岩总进尺的4.64%。场区下覆岩体较为破碎，地下岩溶发育，稳定性较差，揭露的溶隙基本以垂直发育为主、横向发育为次，地下岩溶存在局部溶洞顶板稳定性等工程地质问题。

3.3.4地质雷达法

地质雷达（Ground Penetraing Radar，简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的电磁波法。其方法原理类似反射地震勘探技术，是一种高分辨率勘探方法。

GPR方法是利用高频电磁波（1MHz-1GHz），以脉冲形式通过发射天线被定向地向地下发射。电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线接收，并由采集系统（主机）以数字形式记录下来。

如下图5。

T-发射器 R-接收器

图5  GPR原 理 示 意 图

电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质（如介电常数εr）及几何形态的变化而变化。采集的数据通过REFLEXE软件进行处理，可以获得时间或深度剖面。分析接收的地下界面反射回来的电磁波时间、频率和振幅等特征，就可以推断地下介质的空间位置、结构性质及几何形态，从而达到对地层或地下目标体的勘探。

本项目勘察在钻孔ZK6、7、9、16、24、25、35等钻机设备就位较困难的岩石露头区，采用地质雷达进行勘探，测试结果如下图6。

图6地质雷达成果示意图

图像特征，整图0-4m深度范围内，电磁波幅值变化大，同相轴连续性稍差，其他深度范围内信号属正常衰减。地质解释为，地表覆盖层与下伏岩体间空隙较多，推测岩体表面溶蚀裂隙很发育。

3.3.5孔内电视测井

电视测井是一种能反映孔壁图像的探测方法。确定钻孔中岩层节理 、裂隙 、断层、破 碎带和软弱夹层的位置及结构面的产状；了解岩溶洞穴的情况。通过电视测井获得孔壁图像，识别图像能完成下列工作：（1）识别岩石粗颗粒形状、量取大小；（2）观测水平、倾斜和垂直裂隙，判断走向，量取宽度倾角；（3）观测洞穴发育、充填状况，量取洞径、洞高，可直接观测到井壁的岩溶发育状况；（4）观测断层、破碎带、滑坡滑动面（带）发育状况等。

常见的电视测井有以普通光源和超声波为能源的电视测井。普通光源电视测井利用日光灯光为能源，将其投射到孔壁，再经平面镜反射到摄像镜头来完成对孔壁的探测。探测主要设备一般由井下摄像探头、地面控制器、温度计数器、监视器以及录像机等组成 。探测过程主要为，井中探测头将孔壁情况由一块45º平面反射镜反射到摄像镜头，经照相镜头聚焦透射到摄像管的光靶面上，便产生图像视频信号；摄像机及光源能做360º的往复转动，从而实现对孔壁四周的摄像；孔下摄像机将视频信号经电缆传送至监视器而显示电视图像。

电视图像解释。（1）岩石粗颗粒的形状可直接从屏幕上观察 ，其大小可直接量出；（2）水平裂隙 ：在屏幕上为一水平线 ；（3）垂直裂隙 ：转动摄像头 ，根据电视屏幕上出现的 图像特征来判断裂隙的走向 ；（4）倾斜裂隙 ：在屏幕上呈现为波浪曲线 ，摄像机转动一周 ，曲线最低点对应的方位角即为裂隙倾向 ，转动到屏幕上出现倾斜的直线与水平线的交角为倾角；（5）裂隙的宽度在屏幕上可直接量出。[5]

为进一步查明场地岩溶发育状况，本项目勘察对揭露溶洞（隙）的8个钻孔进行孔内电视测井。测试成果如下图7。

a.ZK3(25.8-27.3m)图像；b.ZK89(9.7-10.9m)图像；c.ZK66(13.0-14.1m)图像。

图7  孔内电视测井成果示意图

图像7a、7b、图7c分别解释为，在ZK3钻孔25.8～27.3m深度段为黏性土夹碎石填充的溶洞（隙），与钻探取芯吻合；在ZK89钻孔9.8～10.8m深度段为竖向溶隙发育，与该段钻探不返水的现象相吻合；在ZK66钻孔13.3～13.8m深度段为无填充溶洞（隙），与该段钻探掉钻现象相一致。

3.4本次勘察主要成果建议

根据工程地质调查，勘察区地貌为北西向串珠状洼地为主，北东向次之。场区及近场区范围内共发育溶蚀漏斗16个、落水洞13个，地表溶洞3个。地表岩溶现状基本稳定，受季节性地表水影响，会进一步加剧石灰岩风化，促进一系列的溶沟、溶孔、溶蚀裂隙的发育，漏斗、落水洞、溶洞的规模仍会继续发展。区内各大溶蚀漏斗、落水洞、溶洞等成因均与地表水、地下水溶蚀作用有关。场地及周边地表溶蚀（石芽、漏斗、落水洞等）对场区地基不均匀沉降以及边坡稳定有严重隐患。

高密度电法物探资料较好的解译了该区的岩溶发育规律，蓝色区域为相对低阻区，颜色越深代表电阻越高，图中可见高程1460～1540m段的颜色较浅，且局部存在蓝色孤点，说明该区该高程段的岩溶较为发育，具有面状分布的特点，局部存在溶蚀孤洞。与钻探揭露十分吻合。

通过钻探与物探资料的对比验证，更能有效地查明地下岩溶的发育程度、破碎带的异常情况、土洞、岩面起伏、溶蚀漏斗、落水洞、溶蚀洼地分布特征；尤其是查明洞径大于1m的地下溶洞的埋深、洞径及洞内充填情况，顶板岩石厚度及完整情况，具有显著效果，可以为地下岩溶的稳定性分析提供准确的依据。

通过在孔内电视测井，对所获取的孔壁拍摄图像分析，可清晰看到岩层中溶洞（隙）的充填及发育状况，进一步证实钻探岩芯异常，以及不返水和掉钻现象的塑源。

总体上看，场区地表岩溶强烈发育，局部地段弱发育；地下岩溶主要受到中～陡倾节理裂隙控制，中等发育，部分地段强烈发育，勘察报告总体建议按强烈发育考虑。

4结束语

本项目在初勘及详勘阶段，均十分重视工程地质地面调查，通过详细而周密的反复调查，并通过与区域地质特征复核验证，基本查清了地表岩溶的分部形态和规律。

本项目场地岩溶勘察的方法和程序遵循了以下几点：（

1）重视场地工程地质研究，在工作程序上坚持了以工程地质调绘为先导；（2）岩溶规律的研究和勘探遵循了从面到点、先地表后地下、先定性后定量、先控制后一般以及先疏后密的准则；（3）同时在工程地质勘探过程中，采用多种勘探和物探手段，始终坚持钻探与物探紧密结合，两者互为补充，相互印证，为查清地下岩溶形态，特征及分布规律，奠定了坚实的基础[6]。

通过施工验槽反映，本项目在基础分部工程施工过程中，揭露的岩溶分布情况及规模等特征与勘察报告反映情况基本一致，设计方案针对性较好，基础工程得以快速推进。本次勘察工程实践，所采用的主要勘察方法，取得的宝贵经验，可为类似场地工程项目借鉴和参考，具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]袁道先等著，中国岩溶动力系统，地质出版社.2002年；

[2]岩溶地区岩土工程问题综述[J]. 韩小林. 山西建筑. 2009(16)；

[3]谢春庆，民用机场工程勘察，人民交通出版社股份有限公司.北京，2016年12月；

[4]MH/T5025-2011,民用机场勘测规范，中国民用航空局发布.2011年4月；

[5]化建新.郑建国.工程地质手册（第五版）,中国建筑工业出版社.北京.2018年4月;

[6]GB 50021-2001(2009年版)，中华人民共和国住房和城乡建设部.北京.2009年5月。

作者信息

姓 名：林 迅

工作单位：云南机场集团有限责任公司

职称：工程师

研究方向：机场工程勘察及地基基础施工

身份证号：

通讯地址：

E-mail（邮箱号）: XXXX@QQ.com

手机号码：

邮政编码：650032

姓 名：李泽同

工作单位：云南建投第一勘察设计有限公司

职称：高级工程师

研究方向：岩土工程及地基基础施工

姓 名：陈 娅

工作单位：云南建投第一勘察设计有限公司

职称：工程师

研究方向：岩土工程勘察设计

姓 名：黄 斌

工作单位：云南建投第一勘察设计有限公司

职称：工程师

研究方向：水工环工程地质及地基基础施工