作者：孙健家 汪水清等
出版社：中国铁道出版社
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铁路岩溶路基与注浆技术试读：
前言
岩溶是指水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为特征的综合地质作用，产生的各种地质作用、形态和现象的总称。我国岩溶地区分布广泛，碳酸岩出露面积达203万km 2 ，加上埋藏型共计365万km 2 ，占国土面积的1/3。在我国铁路建设过程中，特别是近10年铁路快速发展期，在京沪、宜万、京福、宁安、渝怀、南广、南昆等铁路工程中，遇到大量岩溶工程问题，岩溶问题已经成为铁路工程中的主要问题之一。随着铁路运营线行车速度以及载重的不断提高，岩溶路基病害对路基稳定性的影响也越来越大，岩溶塌陷成为铁路地质灾害的主要类型，给铁路行车安全带来很大威胁。因此，分析总结铁路岩溶路基在勘察、设计与整治处理方面的研究成果与经验就显得非常紧迫和必要。
本书以铁路岩溶路基为对象，包括新建铁路和运营线两大部分。全书共分8章，第1章为概述，说明基本概念和路基岩溶问题，阐述了岩溶分类及其对铁路路基的影响，分析了岩溶路基处理技术以及最常用的技术——注浆。第2章～第7章以宁安铁路岩溶路基工程为依托，对铁路新建线路的岩溶路基勘察、（宁安）铁路岩溶发育特征与规律、注浆处理浆液与技术试验、岩溶路基注浆设计、注浆施工技术、注浆效果检测进行了系统论述。第8章对运营线路岩溶问题及其危害进行综述，结合实例论述运营线岩溶探测技术，说明路基地面塌陷的处理技术和方法，结合实例论述注浆处理的设计与施工技术。
本书的目的是综合国内外岩溶路基的研究成果与经验，提供新建线路与运营线岩溶路基勘察、注浆处理技术的成套技术与经验。
本书提供的岩溶路基处理成套技术可用于铁路、公路岩溶路基处理，注浆技术可用于相关工程，路基岩溶注浆工厂化、标准化模式和控制技术措施可推广应用。
本书可供铁道工程、公路工程及岩溶整治工程相关领域的技术人员参考，也可作为高等院校师生的教学参考用书。
作者学识水平有限，欢迎读者批评指正。
作 者2013年6月1概述
本章将主要说明岩溶概念和铁路新线与既有线路基岩溶问题，阐述岩溶分类及其对铁路路基的影响，分析岩溶路基处理技术以及最常用的技术——注浆，最后说明本书编写的目的和意义。1.1岩溶与铁路岩溶路基
1.岩溶
岩溶也称喀斯特（Karst），指水对可溶性岩石（石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等）进行以化学溶蚀作用为特征（包括水的机械侵蚀和崩塌作用以及物质的携出、转移和再沉积）的综合地质作用，产生的各种地质作用、形态和现象的总称。
我国岩溶地区分布广泛，碳酸岩出露面积达203万km 2 ，加上埋藏型共计365万km 2 ，占国土面积的1/3。其中，西南地区是我国最大的连片岩溶强发育区，包括贵州、云南、广西、湖南、四川、重庆、湖北、广东等省（市、区），岩溶区面积达105.5万km 2 ；华北、东北约占22万km 2 ；西部（包括西藏）约38万km 2 ，但西部岩溶不发育。碳酸盐岩地层，几乎包括从太古元古界到新生界各不同地质时期，但其中以古生代地层最为重要。
随着经济的发展，铁路、公路、输油管线等线性工程不可避免地要经过岩溶区，岩溶塌陷等问题是这些线性工程建设面临的主要问题之一。因此，岩溶及其对工程的影响越来越引起人们的重视。
2.铁路岩溶路基（1）新线
新建铁路经过岩溶地区，会给隧道、路基和桥梁基础工程的设计、施工以及运营造成很大影响，甚至构成威胁。因此，在设计的各个阶段都需要对岩溶地质进行相应的勘探，查明岩溶及其发育特征与规律，掌握岩溶洞穴、竖井、漏斗等具体位置、大小、充填情况及稳定性、暗河流经的方向和途径，弄清地表水与地下水流的相互补给及排泄关系等。也需要掌握线路与岩溶的空间关系，评价其对铁路工程的影响。在对岩溶发育特征与规律充分认识的基础上，做好岩溶地区线路方案比选、设计和施工。
在岩溶地区选线，必须认真勘察，全面了解岩溶发育范围、特征及严重程度，慎重确定线路的走向和位置。一般情况下，对大型的、处于强烈发育阶段的岩溶、不易搞清楚的岩溶严重发育地段，应尽量设法绕避；对于中、小型的、已停止发育的岩溶，可择其窄处、易于处理的部位通过。根据岩性及地质构造，宜将线路选在难溶岩层通过，宜避开地质构造破碎带，使线路方向与主要构造线正交或较大夹角斜交，以减少其影响；可溶岩层与非可溶岩层和不透水层的接触带常诱发落水洞、漏斗、塌陷及暗河等，故应予绕避；当覆盖层厚、土洞特别发育、岩溶处理困难、费用巨大时，应以桥代路通过。
岩溶地区常用的地基处理措施主要填壑处理、结构跨越、强夯加固、注浆加固以及综合治理等。施工中采用合理的整治与处理措施，才能防患于未然，将岩溶问题带来的影响降到最低程度。（2）既有线
由于勘察、设计等方面的原因，线路在通车运营后发生岩溶塌陷，会给铁路安全带来很大的威胁。岩溶塌陷是铁路地质灾害的一种，随着铁路行车速度以及载重的不断提高，岩溶路基病害对铁路路基的稳定性影响越来越大，对铁路行车安全构成隐患。岩溶给包括铁路在内的各类工程建筑造成的危害，主要是岩溶塌陷或不均匀沉降。岩溶路基的病害可分为两大类：一是变形问题，二是水害问题。覆盖型岩溶地区的主要工程地质问题是地面塌陷。塌陷是溶洞、覆盖土体、水（气）所组成的综合体系，在自然和人为因素作用下的结果。
对运营阶段的岩溶路基塌陷问题采用探测、评价、处理、评估的方法，才能彻底治理。1.2岩溶分类及其对铁路路基的影响
1.岩溶类型（1）按可溶岩石的埋藏条件划分
岩溶按埋藏条件可以分为裸露型、浅覆盖型、深覆盖型和埋藏型四种。
裸露型岩溶主要表现为：可溶岩出露于地表，上面没有或很少覆盖物，地表岩溶显著。
覆盖型岩溶主要表现为：可溶岩被第四系松散堆积物覆盖，不出露于地表，覆盖层厚度一般小于50m，在覆盖层下发育的岩溶形态在地表也有所表现。
埋藏型岩溶主要表现为：可溶岩上覆覆盖层厚度大于50m，地面上无岩溶现象，而在地下深处发育岩溶，一般代表古岩溶，对勘探石油和地下水具有重要的意义。（2）按可溶岩种类划分
按可溶岩类型可分为石灰岩岩溶、白云岩岩溶、石膏岩溶、岩盐岩溶、钙质岩岩溶等。（3）按石灰岩性质和岩溶发育程度划分
按石灰岩性质分为全岩溶（发育在纯质石灰岩中的岩溶）和半岩溶（发育在不纯的石灰岩、白云岩等中的岩溶）。
按发育强度可以分为强烈发育、中等发育、弱发育和微弱发育四级。
不同类型的岩溶及其与路基结构的空间关系，导致其对路基的影响差别显著，所带来的岩溶问题也各有不同。
2.岩溶对路基的危害
岩溶对路基的危害主要有下列三个方面：（1）岩溶洞穴的危害
岩溶洞穴使路基或轨道以及其他路基建筑物悬空。（2）岩溶水的危害
岩溶水的汇积或涌水，使基底被水浸泡，路基松软下沉、坍滑，乃至淹没与冲毁路基。（3）岩溶地面塌陷的危害
岩溶地面蹋陷，导致基底坍塌成坑，路基下沉、坍塌。
上述三种危害就其发生的频率、危害程度及防治的难度来看，以岩溶地面塌陷较为突出。岩溶地面塌陷是：开口岩溶形态与上覆土层（或软岩）中的水、气对盖层发生的力学效应在地面形成的塌落。因此，它既不同于矿山采空引起的地面坍塌，也不同于抽取地下水、疏干土体而引起的大规模地面沉降，更不是基岩洞穴的岩石顶板坍塌。
3.岩溶对路基影响评价
实践证明，岩溶发育区的覆盖土层、土洞及溶洞、溶蚀裂隙带，在地表水和地下水循环反复变化及抽排地下水等人为活动影响下，极易破坏地基稳定性，诱发地面塌陷，从而危及路基稳定。因此，岩溶地区路基设计应在综合分析路基稳定性的前提下，对影响路基稳定的岩溶和岩溶水进行预防和处理。不加处理或处理不当，不仅会产生各种路基病害，影响行车安全，而且将导致水资源污染、利用严重受限，影响当地生产、生活正常秩序等环境问题。（1）裸露型岩溶
影响铁路裸露型岩溶路基稳定性的主要因素有：岩溶洞穴、竖井、暗河发育程度及其平面走向和立面位置与线路关系；洞穴发育所在层位、岩性、构造关系，洞体的完整性及稳定程度等，特别是洞顶、洞壁、洞底的完整程度，裂隙的分布特征、充填与胶结情况，顶板岩层的产状、厚度等；地下水位及其流速、流向、流量，洞内沉积物特征、成分及物理力学性质；以及外部所加荷载状况，岩石含水量及温度变化影响，以及洞内水流搬运的机械破坏作用等。
当岩溶洞穴位于路基两侧时，需根据划定的安全距离（所谓洞穴安全距离是指洞穴一旦塌陷呈漏斗型时，不致影响路基安全的距离），对达不到安全距离的岩溶洞穴进行稳定性评价。由于影响洞穴坍塌的因素较多，没有可靠的计算公式，可按坍塌时的扩散角进行估算。
当岩溶洞穴位于路基下方时，分完整顶板和不完整顶板两种情况，完整顶板是指未被节理裂隙切割或虽被切割但胶结良好，可视为整体的洞穴顶板。否则即为不完整顶板。完整顶板安全厚度的估算有荷载传递线交汇法、类比法和按梁板受力弯矩情况估算等方法，不完整顶板安全厚度估算有普氏冒落拱法、经验公式法、塌落平衡法、洞顶坍塌堵塞估算法、结构力学分析法。（2）覆盖型岩溶
覆盖型岩溶是指可溶岩被第四纪松散堆积物所覆盖，覆盖层厚度一般小于50m，覆盖层下的岩溶常对地表地形有影响。覆盖型岩溶地貌多见于岩溶化平原、盆地及丘陵地区，第四系覆盖层薄，岩溶溶洞、裂隙发育，顶板过薄，土石界面存在溶蚀裂隙或通道。岩溶水以水平运动为主，埋藏浅，水量丰富，地下水呈微承压型。
覆盖型岩溶主要分布在我国东部地区，由于地下水活动产生土洞，逐渐发展导致地表塌陷。经过该地区的既有铁路如津浦线、辛泰线、浙赣线、皖赣线、湘黔线等都因岩溶的作用而路基下陷或下沉，严重影响了列车的安全运营。如浙赣线分宜至彬江段，因岩溶塌陷的影响，列车被限速5km/h通过该区段，严重影响了华东地区到东南、西南等地区客运和货运的畅通。1995年底对该区段路基进行了灌浆处理，列车才恢复了正常运行。
由于岩溶地形丰富，再在其上覆盖一定厚度的土层，要查清覆盖型岩溶地区的岩溶的发育情况、土洞的发育情况、地下水的变化情况等是非常困难的，因而要定量地评价覆盖型岩溶地区的稳定性非常困难。只有根据岩溶的发育情况，覆盖土层的性质、厚度，地下水位的变化情况，已有塌陷情况等对其进行定性的评价。综合考虑各种因素，一般把覆盖型岩溶地区划分为稳定区、较稳定区、可能塌陷区和塌陷区。对塌陷区要及时进行整治处理，对可能塌陷区也要进行预防处理。（3）埋藏型岩溶
埋藏型岩溶的可溶岩地层（岩溶含水岩组）埋藏于非可溶性基岩之下。埋藏型岩溶区主要分布于四川盆地的盆底边缘及盆周山地，包括盆地东部的重庆市，在其他地区也有发育。埋藏型岩溶地下水主要分布于背斜的倾伏端及其缓翼。埋藏型岩溶含水岩组富水性均匀，岩溶地下水具有统一的地下水动力场，多为承压水，往往具有较高的水头，其出露形式多为岩溶上升泉或泉群，流量或水位动态变化小。古岩溶和深部岩溶发育，其埋藏深度和水循环深度可达2000～3500m。埋藏型岩溶地下水经过深部循环，多形成硫酸盐型高温热水。埋藏型岩溶含水岩组中还蕴藏着较丰富的卤水。
埋藏型岩溶区被充填（或半充填）的溶洞、管道的充填物被掏空，上覆基岩或土层失稳后造成塌陷，也会对路基造成影响。1.3岩溶路基处理与注浆技术
1.3.1 岩溶路基处理技术
岩溶地段路基设计应根据工程地质勘察资料，对路基稳定性及环境影响进行综合分析，合理采取回填、跨越、加固等处理措施。
对危及路基稳定的溶洞、溶蚀裂隙发育带及覆盖层土洞处理，应按下列方法考虑：（1）裸露和埋藏较浅的溶洞可根据其大小、深度、所处位置及施工条件选择回填封闭、盖板跨越、支顶加固等措施处理。覆盖层厚度小于5m的溶洞和溶蚀裂隙发育带，采用注浆加固时，注浆深度应根据溶蚀裂隙发育情况或溶洞大小、顶板厚度、溶洞的厚跨比等综合确定。路基基底以下处理深度不宜小于10m。（2）埋藏较深的溶洞和溶蚀裂隙发育带，宜采用注浆封闭土、石界面，形成隔水帷幕，厚度为5～8m，其中进入基岩内的深度不宜小于3m；岩溶很发育，溶洞呈串珠状或空洞较大时，进入基岩内的深度应适当增加。（3）覆盖层土洞埋藏较浅时，宜回填夯实并作好地表水的引排封闭处理；土洞埋藏较深时，宜采用充填、注浆或全覆盖层注浆加固等措施处理。（4）对易产生土洞的覆盖层，宜针对诱发因素采取注浆加固或封堵等措施。
1.3.2 岩溶路基注浆技术
实践证明，注浆技术是新建线路岩溶路基工程中处理岩溶行之有效的一种方法，也是治理既有线岩溶路基塌陷的有效方法。
注浆就是将一定的材料配制成浆液，利用泵压将其注入到地层的裂隙、孔隙和空洞之中，浆液扩散、凝固、硬化，以达到加固地层或堵水的目的。采用注浆法形成堵水或加固岩土的帐幕，必须完成两个主要过程，即物理化学和水力学过程。物理化学过程包括注浆材料的凝结和硬化机理，浆液配方的优化设计。浆液压注时的水力学过程包括浆液沿注浆管路及在地下沿孔隙、裂隙或空洞的流动过程。采用注浆法堵水或加固岩土时，无论是自地表还是自地下工作面，无论是预注浆还是后注浆，浆液材料都是经过注浆孔压注到地层的孔隙或裂隙中去。而由注浆孔向岩石或土壤的压注方式基本上有沿注浆孔注浆，沿注浆孔底面方式注浆和按不完整井方式压注三种。1.4研究铁路岩溶路基与注浆技术的目的与意义
本书以宁安铁路岩溶路基工程为依托，对铁路新建线路的岩溶路基勘察、（宁安）铁路岩溶发育特征与规律、注浆处理与技术试验、岩溶路基注浆设计、注浆施工技术、注浆效果检测进行了系统论述，最后，还对运营线岩溶塌陷处理进行了论述，目的是综合国内外岩溶路基的研究成果与经验，提供新建线路与运营线岩溶路基勘察、注浆处理技术的成套技术与经验。
本书提供的岩溶路基处理成套技术可用于铁路、公路岩溶路基处理，注浆技术可用于相关工程，路基岩溶注浆工厂化、标准化模式和控制技术措施可推广应用。书中提供的岩溶路基注浆技术已被上海铁路局录入《高速铁路施工工序管理要点》一书之中，在上海铁路局范围内全面推广。2岩溶路基勘察
铁路、公路、石油管线等线性工程通过岩溶发育地区，必须对岩溶洞穴的分布范围、埋藏深度、发育情况等勘察清楚，否则可能留下岩溶塌陷的地质隐患。采用物探、钻探、岩溶构造实地调查和水文条件分析等相结合的勘查技术手段，查明岩溶构造的空间分布形态以及平面分布位置，为岩溶路基的评价和处理提供科学依据，这就是岩溶路基勘察的任务和目的。
本章主要阐述岩溶路基勘察原则、分阶段勘察方案、勘察方法，并对各阶段勘察方法进行综合评价。2.1概述
铁路岩溶工程地质勘测的目的主要为查清：①岩溶的分布及其埋藏现状，如洞穴的形状、大小、延伸方向及其与铁路建筑物在空间位置的相对关系等；②岩溶岩层的完整性，如断裂破坏、节理切割、风化程度及由溶滤作用引起的岩石结构的破坏等；③岩溶的充水情况及其在质与量上的动态变化；④岩溶充填物的成分、稠度及力学性指标等。
为取得上述资料而进行的工程地质勘测是一件极其复杂而困难的工作。这一工作直到目前为止还没有一套令人满意的方法，而只能有条件地来解决。
众所周知，工程地质测绘包括地貌调查、地质测量及各种试验等。地貌调查是对地面上各种岩溶形态的直接观测，并对区域岩溶地貌的发育历史进行研究，是一种很重要的岩溶调研方法。某些能直接观察到的岩溶地下形态，如较大的溶洞及暗河等，亦为其调查范围。但是发育于碳酸盐岩层中的所有岩溶洞穴属隐蔽结构，而其又不可能将所有现象全部反映到地面上来，因此单纯凭地貌调查，是难以揭露岩溶发育的具体情况的。
地质测量包括地区的地层岩性、地质构造及水文地质的调查研究。根据第一章的叙述可知这些因素与岩溶发育的关系极其密切，是研究岩溶的基础。
勘探工作主要是指物探与钻探。物探具有成本低、工期短、效果好等优点，其中的各种方法如电法、电磁法、重力法、地震法等均能解决岩溶地区的一定的工程地质问题，尤以电法及电磁法勘探收效最显著，因此已被广泛采用。尽管如此物探总不免要受到地形及地质条件的限制，故仍须与钻探互相配合，方能收到更好的效果。
此外，岩溶水的联通试验与长期观测的研究，对论断地区岩溶发育的特征具有很重要的意义，是全面评价岩路工程地质条件所不可缺少的资料。由此可知，岩溶地区的铁路工程地质勘测是一件极其繁复的综合性工作。2.2勘察阶段与勘察内容
铁道工程勘察通常按三阶段进行，岩溶地质勘察每一阶段的勘察工作内容和完成要求各不相同，要逐步深化、细化。
2.2.1 初测
初测阶段岩溶地质调绘，一是要查明勘察范围内岩溶的分布范围、发育程度和地层组合类型；二是对控制和影响线路方案的岩溶地段进行重点地质调绘。
初测阶段岩溶勘探应对岩溶发育地段路基沿线路纵向进行综合物探，对代表性物探异常点进行钻孔验证；一般地区勘探孔间距不宜大于200m，孔深应至路基基底下10～15m。覆盖型岩溶地段应适当增加钻孔数量和钻孔深度，必要时孔深应钻穿土层。
初测阶段岩溶测试应取地表、地下水样与代表性岩、土样进行试验。
与线路有关的暗河、大型溶洞、岩溶泉，宜进行连通试验。
初测阶段岩溶资料编制应包括：①工程地质说明，应阐明岩溶勘察的过程和结果，工程设计所需参数，需要采取的防治措施；②岩溶工程地质图（必要时作），应标明单个岩溶形态，特别是大型溶洞和暗河的投影位置，进行岩溶发育强度分区；③大型岩溶洞穴、暗河实测或调查成果图，应填绘建筑物测点位置、测图导线、断面位置，溶洞平、断面投影形态，溶洞充填情况及充填物性质，围岩裂隙产状及充填情况，地下水；说明观测图情况和对溶洞的认识和分析；④勘探测试资料、观测点、地质照片、调查、分析表等资料。
2.2.2 定测
定测阶段岩溶地质调绘应实测线路附近的暗河、溶洞、竖井、落水洞、洼地、塌陷坑、漏斗的位置和形态，并包括：①洞穴顶板节理、裂隙分布及充填、胶结程度，岩层产状，单层厚度，洞顶、洞底、洞壁完整程度；②洞穴的形态尺寸，建筑物跨越洞穴的位置、宽度，洞顶板至建筑物基底间的岩层厚度；③洞内沉积物、水痕、积水、水流情况。
定测阶段岩溶勘探与测试：①对站场、房屋建筑物应先开展综合物探圈定异常范围，再采用钎探、挖探、钻探验证物探异常，查明基底岩溶洞穴和土洞；②对路基工点应先开展综合物探圈定异常范围，再采用钻探验证物探异常，查明基底岩溶洞穴和土洞；③分层、分区取地表和地下水、土、岩样进行分析。
定测阶段岩溶资料编制应包括：①工程地质说明：阐明岩溶勘察的过程，岩溶的分布规律，岩溶的形态特征、规模和类型，对线路的影响程度，工程设计所需参数，需要采取的防治措施、建议；②岩溶地区综合工程地质图（必要时绘制）：可将岩溶地貌图及岩溶水文地质图的内容一并绘入；③工程地质图（必要时绘制）：应标明单个岩溶形态，特别是大型溶洞和暗河的投影位置，岩溶井、泉位置、流量，地下水流动方向；④工程地质纵断面图（必要时绘制）；⑤工程地质横断面图；⑥溶洞穴、暗河实测或调查成果图：应填绘测点位置、测图导线、断面位置，溶洞平、断面投影形态，溶洞充填情况及充填物性质，围岩裂隙产状及充填情况，地下水；说明测图情况和对溶洞的认识和分析；⑦勘探、测试资料，观测点、地质照片，调查、分析表等资料。
2.2.3 施工阶段勘察
施工阶段岩溶地区工程地质勘察包括：①核对岩溶工点的工程地质资料；②施工中发生的岩溶工程地质问题，应提出工程措施意见和施工注意事项；③岩溶发育路堑地段，宜在路堑成型后，在路基面上进行物探，辅以钻探验证，查明隐伏岩溶的形态和空间分布；④必要时采用物探或钎探、风枪钻等简易勘探对隧道基底岩溶发育情况进行普查和钻探验证；⑤覆盖型岩溶可能产生地面塌陷地段，应根据施工揭露及钻探情况，分析可能塌陷的范围、程度，提出调整工程措施、建议。
施工阶段岩溶勘察资料编制应包括：①工程地质说明：应阐明岩溶工程地质条件，施工经过，勘察目的、要求、过程，完成工作量，验证效果及勘察成果；②隐伏岩溶工程地质平、纵断面图：应标明隐伏岩溶的位置、埋藏深度、类型和验证钻孔；③代表性溶洞断面图：应标明经钻孔验证并修改后的溶洞和其他岩溶范围。
2.2.4 运营阶段
运营阶段岩溶地区的工程地质勘察，应包括：①覆盖型岩溶可能产生地面塌陷地段，应进行地面塌陷监测预报；②运营中发生的岩溶地面塌陷工点，应调查地面塌陷成因、范围、危害程度，提出工程整治措施、建议，必要时应进行物探、钻探验证等综合地质勘察工作，为设计提供地质资料；③路基、站场等工程因岩溶而诱发的工程地质问题应查明原因，提出处理措施、意见。
运营阶段岩溶工点的资料编制，应有工程地质说明，即说明岩溶工点的工程地质条件，并结合工程建筑的特点，提出工程处理措施、意见。2.3勘察方法
岩溶地区的地质条件相当复杂，选用勘探方法时应注意其适用条件，且应采用多种勘探手段互相补充、相互验证，以提高勘探效果。
岩溶勘察技术方法主要可分为三类：①工程地质测绘（包括长期精密的形变观察）；②工程物探；③工程钻探（坑探）和岩土物理力学性质测试及它们的合理组合。
在这三种方法中，测绘工作非常重要，没有地质资料的指导会陷入盲目性。物探是一种技术手段，虽然不能代替钻探，但它反映的异常区即是判定空洞区的依据，在覆盖较厚或情况不明地区，地质方法受到一定程度的限制。钻探成本太高，不可能以极密的网度来查明复杂的空洞的分布特征。这种情况下，物探方法在空洞勘察中具有极其重要的意义。在地质调查确定了空洞的大概位置后，空洞的准确位置、埋深要借助于物探的探测结果给出。由于物探在实际工作中取得了良好的效果，且成本低廉，故它是空洞勘察技术的关键。钻探是为了对物探异常进行验证和控制，同时也为了提取深部岩石样品，进行室内试验，提供岩土物理力学性质，为路基稳定性评价和空洞危险性分析提供参数。
图2-1给出了岩溶地质勘察途径和工作模式流程。
2.3.1 地质调绘
工程地质及水文地质调查测绘是工程地质勘察的基础，借助既有区域地质资料，开展不同比例地质调绘工作，确定地形地貌、地层岩性、地质构造、地下水的补给—径流—排泄关系以及不良地质的分布、规模等，并指导钻探、物探及测试试验工作。
图2-1 勘察途径和工作模式流程
研究沿线的地质构造、地层岩性、水文地质特征，不良地质形态、规模，特殊岩土分布范围等自然特征与工程地质调绘相结合。结合地形特点，特别注意对微地貌的划分，区分不同地貌单元的地层性质。对重要的、代表性强的地质观测点进行素描或拍照，作好沿线工程地质调查记录，为有针对性地开展勘探、测试工作做准备。
地质测绘包括区域地层、岩性、构造、水文地质调绘、区域岩溶发育规律的调查研究、岩溶泉点、溶洞、暗河调绘，岩溶水的补给、径流、排泄的调绘等。借助于航片、卫片的判释结果可以使这些工具更具目的性，效率更高。地质测绘利用常规地质理论和作图法，将地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、溶洞等准确记录下来并绘制成图表，是一种传统的、最实用和不可缺少的方法，为整个施工地质系统的中枢，具有综合和指导其他工作方法的作用。
新建铁路岩溶路基地质调查测绘应注意以下内容：（1）认真做好野外地质调查测绘工作，在勘察过程中，始终将地质调查工作作为重点和先导。工程地质野外记录簿是勘察中的第一手资料，调查人员应按规定格式内容认真记录，要做到内容齐全、图文并茂、字迹清楚、工整，重要的、代表性强的观测点应用素描图或照片补充文字说明。结合工程设置采用远观近察、由面到点、点面结合的方法进行。特别注意对微地貌的划分，区分人工堆积层、新近沉积层等。对重要的、代表性强的地质观测点进行素描或拍照，作好沿线工程地质调查记录，为有针对性地开展勘探、测试工作做准备。（2）地质调绘应沿线位进行，地质点位置均应以线路里程确定，重要的地质点和地质界线应采用仪器测定。调绘宽度一般应与线路带状地形图一致，地质复杂地段适当加宽。地质调绘应沿线位进行，文字记录和地质点位置均应以线路里程确定，重要的地质点和地质界线应采用仪器测定。调绘宽度一般应与线路带状地形图一致，地质复杂地段适当加宽。（3）特别注意对微地貌的划分，包括古河道、坑、塘、沟的位置、分布等，既有坑塘淤泥深度、分布以及回填情况。对重要的、代表性强的地质点进行素描或拍照，作好沿线工程地质调查记录，为有针对性地开展勘探、测试工作做准备。调查应按有关规范、暂规、细则规定的内容，结合工程设置采用远观近察、由面到点、点面结合的方法进行。除重点调查各种地质现象外，还应注意搜集沿线附近各类既有工程的勘察成果、地基处理措施与效果、主要经验与教训，研究其对新建铁路工程的借鉴意义。（4）详细调查沿线地层岩性、地质构造、水文地质及工程地质情况。在山区调查过程中重点要查明岩层产状、节理产状、节理间距和充填物，有无软弱夹层、顺层，调查岩石的风化破碎情况、山坡形态、既有工程的边坡及其稳定情况和地下水的发育情况等。调查收集沿线与区域性地面沉降有关的资料，如地下水主要开采层，地下水开采历史，日出水量及地面变形情况等。（5）线路所经城镇附近及既有道路、坝堤等处，应在调查访问的基础上，结合适量勘探，查明人工填筑层的类型、成分、性质及其厚度和分布等情况。（6）调查收集沿线与区域性地面沉降和地面塌陷有关的资料，如地下水主要开采层，开采历史，日出水量及地面变形情况等。（7）注意对线路附近地下水和地表水污染源的调查、访问。调查中，要详细调查沿线地层岩性、地质构造、水文地质及工程地质情况。在山区调查过程中重点要查明岩层产状、节理产状、节理间距和充填物，有无软弱夹层、顺层，调查岩石的风化破碎情况、山坡形态、既有工程的边坡及稳定情况和地下水的发育情况等。参考相邻线和公路边坡情况确定路堑的边坡坡率。（8）除调查本线各种地质现象外，还应注意搜集沿线附近其他工程的勘察成果、基础形式、地基处理措施与效果、主要经验与教训，研究其对新建铁路工程的借鉴意义。（9）与相关专业密切配合，加强对土源、砂石料场地的调绘。
2.3.2 地球物理勘探
物探方法多种多样，用于岩溶地区勘探效果较好的主要有电阻率法、充电法、地震法、综合测井法、孔内无线电波、声波透视法等物探方法。
岩溶探测实践表明，工程物探对探测岩溶的作用越来越大，我国采用常规的电法勘探方法调查勘探岩溶洞穴、裂隙、暗河以及寻找岩溶裂隙水等，取得了一定的成效，解决了一些在修建铁路中遇到的岩溶地质问题。由于物探具有测区广、费用少、时间短等优点，因此，在铁路工程地质勘测工作中，物探方法已成为一种不可缺少的勘探手段。
近年来随着应用地球物理学的发展，在解决岩溶问题的方法上，又出现了大地音频电位法、地面甚低频电磁法、激发极化法及孔内无线电波透视法等探测岩溶洞穴，寻找地下暗河的一些新方法。有些已投入实际工作，有些正在进行试验。这些方法在实际应用中都取得了较好的地质效果，并克服了常规电法勘探中信息被干扰、不易辨认、地形影响，以及工作繁重、仪器笨重等一些缺点。也开拓了电磁场的一次场、二次场等多种信息的利用，使物探方法向前迈进了一步。电磁方法可大致圈定出岩溶等地下空洞的特征和分布范围，它具有快速简便、成本较低的特点，但缺点是受地表覆盖物的影响较大。地质雷达、瞬变电磁场法和井中无线电透视（也称井中电法）作为电磁法中的几种新的探测技术，近年来在地下空洞调查中取得了较好的效果。
所以对岩溶路基应在工程地质调绘的基础上，采用综合物探（高密度电法、地质雷达、地震CT法、孔内无线电波或声波透视、综合测井法等）对影响路基稳定的范围进行勘察，一般沿线路纵向布置三条物探测线（间距一般为20m），站场范围内岩溶路基应根据站场宽度增加测线，复杂地形路堑范围的测试也可在施工开挖后进行。在物探异常区以纵向50～100m间距进行物探横剖面测试，据岩溶发育情况采用适当数量的钻孔验证，一般每公里验证孔按5～10孔考虑。
为了集中讨论岩溶物探，本节将根据过去的工作实践，结合实例着重介绍在岩溶探测中效果较好的高密度电法、地质雷达法等。对使用尚不普遍或效果稍差的地震勘探法、重力勘探法等物探方法，仅作一般介绍。在岩溶勘探中，要想取得满意的效果，除应注意各种物探方法的运用条件外，还必须特别强调岩溶地质工作中各种物探方法的综合运用。
1.高密度电法
常规物探方法中，应用于解决岩溶问题的主要方法是电阻率法。它是利用电阻率作为参数，以点源电场作为理论基础的。由于布置电极工作方法的不同，可分为电测深法和电剖面法。
电测深法是以层状介质作为研究对象的，可以测定覆盖层下岩溶化地层的起伏、岩溶化底界的深度，以及测定岩溶化程度和发育的主导方向；电剖面法是以倾斜或直立的地层或地质体作为研究对象，它可以固定岩溶化带和构造破碎带的分布位置和范围，划分和追索陡立岩层接触面，寻找陡立良导性构造带和岩溶带。
高密度电阻率法与常规电阻率法没有本质的区别，高密度电阻率法相对于常规电阻率法而言有以下特点：①快速高效。电极一次性布设完后，无需人工跑极，可快速测量。②数据量十分丰富。高密度电阻率法点距小，且同一个测点数据采集的密度高，所以无论横向或纵向其信息量均比常规电阻率法要大很多。因而能更全面地反映真实的地质情况。③能进行多种电极排列方式的扫描测量。然而高密度电阻率法有一个明显的缺点，那就是对场地的要求较高，要求工作区地形相对较平坦。
高密度电法数据采集技术的改进使数据采集更迅速，可增大剖面覆盖面积，在强干扰的环境下，以高信噪比探测物体。它不仅可以有效地探测空洞、圈定空洞的空间位置，而且能探测充泥洞穴和充水空洞。
图2-2是某铁路路基工点的剖面视电阻率等值线图，使用装置为温纳α装置，点距10m，数据处理采用瑞典的RES2DINV反演软件，反演参数由试验剖面结合钻孔资料确定。由图2-2可知，整条剖面灰岩的背景值大于1000Ω·m，由上到下地层比较单一，可以用简单的G形曲线来表达；在剖面145850～145950段，埋深50m以内，存在一低阻异常区，异常区视电阻率与围岩形成明显差异，其视电阻率值小于100Ω·m，且低阻异常形态较为复杂，推断该异常区为岩溶发育区，由于其视电阻率很低，分析其以水或泥沙等低阻介质填充。
图2-2 路基剖面视电阻率等值线
在剖面146050～146150段，埋深100m内，存在一较大的低阻异常区，该异常区电阻率值呈均匀渐变过程，异常区形态较为简单，呈闭合圈状，且异常向小里程方向延伸，延伸范围较大，由此可以推断146050～146150段的大范围低阻异常主要由此异常区中心的特低阻异常和低阻延伸方向的次低阻异常共同引起的，异常中心的特低阻应该为一较大规模溶洞引起，溶洞中心位置在146130处，埋深40m，由于其视电阻率很低，分析其以水或泥沙等低阻介质填充；异常延伸方向应该为一些较小规模的填充溶洞。
钻孔结果表明：①145850～145950段低阻异常存在3层溶洞，泥沙全填充；②146130处溶洞经钻孔验证高达9.4m，泥沙全填充；③146100处钻孔显示存在两层溶洞，深度分别在22.4m和29.9m处，溶洞规模分别为4.4m和1.0m，泥沙全填充。
2.地质雷达
美国、欧洲的一些国家已将地质雷达作为空洞探测中一种必备的常规手段。该方法具有很高的分辨能力，适合于低导覆盖的地区，可比较准确地确定出地下空洞的埋藏深度、轮廓大小，其探测深度较浅，一般为10m左右，在干燥的石英砂土覆盖区可达30m。
地质雷达方法是利用高频电磁波，以脉冲形式通过发射天线定向地送入地下，雷达波在地下介质传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标体（如空洞或其他不连续界面）时，电磁波便发生反射，返回到地面时由接收天线所接收。在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波波形、强度、双程走时等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。探测的基本原理与浅层地震相同，不同的是地质雷达向地下发送的是高频电磁波，它的物理前提是地下介质之间介电常数和电导率的差异。地质雷达从问世至今在地基基岩面探测、岩溶地面沉陷、地下洞穴的工程地质调查中得到了广泛的应用。
武汉—广州高速铁路乌龙泉—花都段在勘察时发现路基下隐伏一定数量的溶沟、溶槽和溶洞，为保证武广高铁无砟轨道“零”沉降的铺设要求，设计采用对隐伏型岩溶进行注浆加固，为保证注浆加固质量，采用了多种物探手段，其中包括采用瑞典产的RAMAC/GPR地质雷达以判定其加固效果，在DK1298+365～DK1298+540段加固检测中得到具体应用。
工作区原始地貌为垄岗及谷地，垄岗低缓，自然坡度10，相对高差为5～10m，作业时已整平。地层岩性：①粉质黏土，棕红色，硬塑，Ⅱ级。②黏土，褐黄色～棕红色，软塑，Ⅱ级。③泥质粉砂岩，含砾砂岩、砂砾岩互层，钙质胶结，棕红色，全风化，Ⅲ级。④泥质粉砂岩，含砾砂岩、砂砾岩互层，钙质胶结，棕红色，强风化，Ⅳ级。⑤泥质粉砂岩，含砾砂岩、砂砾岩互层，钙质胶结，棕红色，弱风化，Ⅳ级。水文地质条件：地下水不发育，主要为少量孔隙潜水及毛细水，补给来源于大气降水。探测采用50MHz不屏蔽天线。检测参数为：采样频率499MHz，采样长度961ns，道间距1m，天线间距2m，键盘触发。对雷达数据进行滤波增益等处理后，使深部信息更清晰，便于分析异常特征，同时与高密电法比较并结合前期注浆施工资料即可进行判释。地质雷达影像上同相轴连续、绕射、反射弧等现象轻微，可判断有效探测深度内注浆质量良好。反之，根据影像特征判定缺陷类型和位置。
根据高密度电法反演及地质雷达图像，结合前期注浆施工资料，工作区岩层浆液充填良好，无大的缺陷体存在。
3.地震法
地震勘探是利用人工爆炸（或锤击）所激发的弹性波在岩层内的传播速度特征来解决地质问题的一种方法。水文地质和工程地质勘测中，一般探测深度要求不大，因而主要采用地震勘探中的初至折射波法。在岩溶地区，主要是测定岩溶化地层的上、下界面的埋深和形状，以及了解在岩溶化地层中岩溶裂隙发育地段，对于岩溶化地层中存在的充水溶洞或空溶洞，由于其体积小和不连续性因而不能形成一个地震层位，在地震记录上还没有明显的反映。
弹性波CT方法又称地震波层析成像技术。这种技术利用大量的地震波速度信息进行专门的反演计算，得到测区内岩土体弹性波速度的分布规律。利用这种方法探测岩溶的分布、形态及连通性与常规地震法比较，具有分辨率高、效率高、空间位置准确、操作简单等优点，更克服了工程钻探的不足。在勘察区域布置一定数量的弹性波CT剖面，可查明基岩面的埋深、起伏形态、溶洞分布形态及溶蚀裂隙发育范围。在岩溶发育地区兴建的大、中型重要建筑的设计、施工阶段，采用常规工程钻探、地面物探与弹性波CT成像相结合的勘察方法，可避免重复勘察，消除工程安全隐患，从而降低整个工程造价。弹性波CT成像技术在工程地质勘察中具有广阔的应用前景。
兖石线临沂站区用地震勘探寻找断层和岩溶化底界面获得了较好的结果。
4.井间地震层析成像法
岩溶经常发育在可溶性的纯灰岩地层或断层破碎带、岩溶与围岩之间，一般存在着明显的波速差异。基于波速差异，可以利用井间地震层析成像技术进行两孔之间的岩溶探测，地震层析成像技术，以其分辨率高的特点而主要应用于精细构造和目标的探测，自20世纪90年代以来，井间地震层析成像技术逐步进入实用化阶段。
井间地震层析成像是在两个钻孔间采用一发多收的扇形观测系统，组成密集交叉的射线网络，如图2-3所示，最后经过反演得到两孔之间的弹性波速度分布图像：坚硬完整的地层波速较高，而节理裂隙、溶蚀洞穴发育处，会出现波速异常，波速呈现相对低速，从而可以确定岩溶的分布情况。反演采用SIRT算法也称联合迭代重建法。
在京沪线某段进行井间地震层析成像岩溶勘察试验，钻孔布置情况如图2-4所示，发射钻孔为ZK03，接收钻孔为ZK09，孔深50m，孔间距35m。为检验井间地震层析成像在岩溶探测中的效果，在ZK03与ZK09之间布置两个检验钻孔ZK05、ZK07，孔深为50m。本工区水位深度16.8m。
图2-3 井间地震层析成像观测系统
图2-4 试验钻孔布置示意（单位：m）
井间地震层析成像试验震源采用德国生产的SWG1005电脉冲电火花震源（能量1kJ），工作频率在500Hz以上，检波器采用德国产AQ-2000型水中地震检波器串接收，记录仪选用NZ-24地震仪，采样率为0.02ms；测试段为地下10m至50m，激发点间距1.0m，接收点间距1.0m。对每个接收点，激发孔中自下而上逐点激发；声波测井采用PSJ-2型数字测井仪。图2-5中剖面为ZK03发射ZK09接收的井间地震层析图像，两侧曲线为ZK03和ZK09的声波测井曲线。从图中可以看到，ZK03位置地下19～21m声速与地震波速均表现为高速，地下34～42m均表现为低速，地震纵波速度3000m/s以下；ZK09位置地下23～33m声速与地震纵波速度均表现为高速，该高速层从左到右一直贯通，应为同一地层，在地下37～44m均表现为低波速。
图2-5中层析成像剖面及声波测井曲线揭示，ZK05位置地下37～42m为低速反映，推断为溶洞，揭示ZK07位置地下37～43m为低速反映，推断为溶洞，经钻孔验证为溶洞，从而说明本次层析成像与声波测井综合分析结果是正确的。
5.微重力勘探法
重力勘探法是通过测定由于岩石密度差异而引起重力场的变化，研究地质构造问题的一种物探方法。微重力测量是物探重力测量的延伸。20世纪70年代末，美国就把微重力测量用于寻找油田并取得了成功。其后前苏联和印度尼西亚等国家也应用这一技术寻找油田、地热及研究地球动力学等问题。近年来，微重力测量广泛应用于溶洞、地下空洞的调查，尤其是岩溶区的调查。大量测量结果表明：微重力勘探效果较好，国外已有部门将微重力勘探定为岩溶发育区普查、详查的重要方法之一。1988年，国家地震局地震研究所和兰州铁路局合作，有效地查明了青藏铁路察尔汗盐湖区的地下溶洞；陕西省地震局在探测西安市地下隐伏地裂缝的工作中，微重力测量也发挥了较好的作用；中科院测地所在贵州运用微重力法探测过溶洞；国家地震局地球物理所还承担了微重力测量在探测墓道方面的研究课题。
图2-5 井间地震层析与声波测井结果（图中虚线为验证钻孔）
2.3.3 钻探
岩溶发育与岩性、构造、地貌等有密切的联系，各种地貌区内岩溶发育的规模及其特征又不尽相同。在岩溶化平原地区，由于地形相对高差小，侵蚀基准面位置高，地表水及浅层岩溶水丰富，因而浅层岩溶（如溶洞、溶隙）多呈网状发育，其特点是面广、量多、规模小，且多为松散土充填。由于地表普遍为第四纪地层覆盖，隐伏岩溶极不易发现，路基基底钻探就显得特别重要。
1.钻孔的综合利用
各种不同工程的钻探，虽有各自的目的，但决不能忽视钻孔的综合利用问题，以达到用最少的钻孔收到更多的效果。这就要求施钻前对每一钻孔都要有周密的考虑，必要时还应作出钻孔设计图。某些钻孔既要满足工程地质及水文地质的需要，又要满足其他物探方法（如电测井、充电法、无线电波透视法）及长期观测等的需要。而某些物探工作又要求钻孔具有一定的结构，如充电法要求孔内地下水面以下最好不设套管，否则必须设带孔的过滤管；井下电视摄影，对钻孔直径、孔壁防护、钻进方法等都有不同的要求。
在钻进过程中，还应根据已完成的钻探资料及物探成果，校正原有的钻孔设计，使尚未开工的钻孔，收到更好的效果。
2.“先探后灌、灌探结合”
钻孔的综合利用同时可以体现在岩溶处理过程中，采用先导勘探法，依据“先探后灌、灌探结合”的原则，先进行物探及部分钻孔作为先导勘察孔，探明岩溶发育、分布情况，再进行相应处理。
如在京广线DK673+700～DK674+500段，先导孔钻注浆液施工，共完成先导孔钻孔451孔/5318.95延米，平均孔深11.79m，其中，钻孔揭露地层灰岩夹泥灰岩地段289孔，钙质页岩夹薄层灰岩地段162孔。通过该段岩溶路基先导孔钻孔注浆的施工表明：DK673+700～DK674+500段岩溶注浆施工技术到位，“探灌结合”施工结果揭示的工程地质情况与设计相符，相应的基本参数与先导孔施工中得出的指标基本一致，可以为后续岩溶注浆施工提供设计依据。
同样在宁安铁路一标DK160～DK174和DK187～DK192段进行岩溶补充勘察时，也成功地应用了“先探后灌、灌探结合”的原则，先导钻探孔占注浆孔的比例为20％，可供其他钻探或注浆工程参考。
3.钻进中的观测工作（1）简易水文地质观测
钻进中对孔内水位、水压及冲洗液消耗等进行观测，并绘制这些观测资料与钻孔深度之间的关系曲线，借以分析岩层的裂隙分布情况及含水层的部位等；可用回次水位和水位变化速度表征（回次水位是指用冲洗液钻进时，每次提钻后与下钻前的水位）。当钻孔未到达岩溶含水层，则上下钻时的水位变化很小，水位曲线基本重合。揭露含水层后，上下钻的水位变化大，曲线则偏离。把上下钻相隔的时间所测的水位差，换算成速度并绘制水位变化曲线。含水层的水头压力与对应的孔内液校压力的差值越大，水位变化速度也就越大。钻孔水位上升时速度值为正，下降时为负。图上也可根据水温变化的观测资料，绘制水温变化与钻孔深度的关系曲线，有利于对应分析。（2）岩溶率的观测
岩溶率是衡量一个地区岩溶化程度的重要指标，也是水文地质参数计算中不可少的数据之一。通常用直线法来测定某一地段的岩溶率。其方法是顺着钻进方向排列的岩心上，自上而下逐段选择代表岩溶发育强度的三条直线，逐一量出每条直线上的溶隙、溶孔的长度d，同时测出相应的岩心长度l，则岩溶率K可用下式求得：
当钻进中遇到空洞或岩溶充填物时，则岩溶率即为100％。
此外，还可根据岩心柱的溶隙表面积（或体积）与岩心的表面积（或总体积）之比来求，即
式中 F——岩心柱上的溶隙表面积；
l——岩心长度；
r——岩心柱的半径。
式中 V ——岩心柱的溶隙体积；P
V ——岩心体积（包括溶隙在内）；1
V ——岩心柱的实体体积（不包括溶隙）。2
有了某一岩层的各个分段的岩溶率之后，即可用加权平均法求得该层某一深度范围内的岩溶率，即
式中 K 、K 、K …K ——每一分段测定的岩溶率；123n
l l l …l ——每一分段调定的岩心长度。123n2.4勘察方法综合评价
工程地质测绘、工程物探和钻探三种方法各有优势和弊端，国内外经验也表明单一勘探方法、单一物探手段难以达到勘察目的。只有地质、物探和钻探三者恰当地结合起来，才能经济有效地进行岩溶空洞勘察工作。三类方法技术质量经济评价见表2-1。
为了尽可能既准确又经济地详细查明铁路、公路下伏空洞的埋深、形状、体积等，为治理工程设计提供依据，应当把地质测绘、地球物理探测和钻探综合起来，岩溶路基下伏岩溶勘查标准方法建议次序见表2-2。
表2-1 各大类勘察方法技术质量经济评价一览表
表2-2 勘察各阶段空洞勘察技术方法一览表
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]