周 坤， 王 華

(1. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511455)

0 引言

地鐵是我國大城市公共交通重要的組成部分。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷提高，我國城市地鐵工程建設(shè)迎來了快速發(fā)展時(shí)期。截至2016年年底，我國共有30個(gè)城市開通城市軌道交通并投入運(yùn)營，共計(jì)133條線路，運(yùn)營線路總長度達(dá)4 152.8 km。截至2016年年底，共有58個(gè)城市的城軌線網(wǎng)規(guī)劃獲批(含地方政府批復(fù)的14個(gè)城市)，規(guī)劃線路總長達(dá)7 305.3 km。2017年新增福州、石家莊、貴陽和廈門4個(gè)城市開通地鐵運(yùn)營。截至2017年12月31日，全國開通地鐵運(yùn)營城市已達(dá)34個(gè)。

隨著地鐵工程建設(shè)市場的不斷擴(kuò)大，地鐵施工面臨的地形、地質(zhì)條件和監(jiān)測環(huán)境愈加復(fù)雜,施工過程中經(jīng)常遇到地下樁基、孤石等障礙物，準(zhǔn)確探查掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)障礙物的大小和分布是地下工程施工中迫切需要解決的難題。很多特殊位置因?yàn)榭臻g狹小或臨近建筑物而不能采用大面積物探和地質(zhì)鉆孔進(jìn)行勘察，且地下障礙物和周圍巖土體的物理性質(zhì)存在明顯差異，這為地球物理勘探方法探測地下障礙物提供了前提條件。近年來，工程勘察地球物理技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，已經(jīng)證明，跨孔CT法是地球物理技術(shù)中最可靠且精度最高的方法之一?？缈證T法具有施作空間小、探測點(diǎn)更接近勘探目標(biāo)體、傳輸路徑簡單、信號保真度大以及數(shù)據(jù)精確度高等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于鐵路工程地質(zhì)勘查和市政地鐵工程的地下障礙物探測等領(lǐng)域，并取得相關(guān)的研究成果。朱元武等[1]將跨孔電阻率CT法應(yīng)用于市政工程巖溶探測，降低了勘探成本，應(yīng)用效果顯著。文獻(xiàn)[2-4]將跨孔電磁波CT法應(yīng)用于水電、鐵路工程巖溶勘查中，取得了良好的應(yīng)用效果?？椎锰斓萚5]將彈性波CT技術(shù)應(yīng)用于大足石刻巖體破碎帶探測中，成功探測出了破碎帶的規(guī)模及產(chǎn)狀，驗(yàn)證了該探測技術(shù)的可靠性。錢勝[6]將跨孔電阻率CT法應(yīng)用于深圳地鐵區(qū)間地質(zhì)補(bǔ)勘，有效解決了復(fù)雜條件下不良地質(zhì)的探測問題。李術(shù)才等[7]采用跨孔電阻率CT法對地鐵盾構(gòu)區(qū)間的孤石進(jìn)行探測，從施加先驗(yàn)信息約束和提高反演精度2個(gè)方面共同改善了電阻率CT 反演的多解性與成像效果。以往針對探測體的跨孔CT法探測，主要側(cè)重于單一物探方法的應(yīng)用[8-13]，采用多種跨孔CT法相結(jié)合的探測研究相對較少。本文結(jié)合某地鐵隧道橋臺(tái)樁基探測對跨孔CT法(跨孔電阻率CT、彈性波CT、電磁波CT)工作原理、現(xiàn)場探測實(shí)施方案以及探測成果解譯進(jìn)行分析探討，以期為今后類似隧道及地下工程地下樁基或者障礙物的精確探測提供借鑒和參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

某城市地鐵廣石路站—青石路站區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，整體呈南北走向。區(qū)間全長約2 107 m，平面線間距為13～31 m，為左右隧道，盾構(gòu)直徑為6.2 m。

探測區(qū)位于某市梁溪區(qū)鳳賓路與西汀河交匯處，即西汀橋處，周圍有行車道、人行道以及高架橋等，施工環(huán)境較為復(fù)雜。

西汀橋?yàn)?005年道路改造橋，由于江海路高架橋的修建,現(xiàn)已拆除,橋臺(tái)設(shè)計(jì)樁基左右各2排，樁基為圓形挖孔樁，樁徑為1 000 mm，排間距為2.7 m(中心間距)，樁間距為3.2 m(中心間距)，共12根，設(shè)計(jì)長度為28 m，兩側(cè)樁基的外側(cè)與區(qū)間隧道開挖廓線設(shè)計(jì)距離為0.9 m。探測區(qū)平面位置如圖1所示。

圖1 探測區(qū)平面位置示意圖(單位: m)

1.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)探測區(qū)西汀橋地質(zhì)鉆孔資料，鉆孔地面標(biāo)高為+4.00 m，由上到下土層分布為： +4.00～+0.30 m為②1雜填土，+0.30～-2.30 m為③1黏土，-2.30～-4.00 m為③2粉黏夾黏質(zhì)粉土，-4.00～-7.00 m為④1黏質(zhì)粉土，-7.00～-12.40 m為④2-2黏質(zhì)粉土夾粉砂，-12.40～-16.00 m為⑤1粉質(zhì)黏土，-16.00～-21.60 m為⑤2黏質(zhì)粉土，-21.60～-23.50 m為⑤3粉質(zhì)黏土。工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖(單位： m)

由地質(zhì)資料可知，橋承臺(tái)樁之間主要為黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土，樁基為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樁、土之間存在明顯的物理性質(zhì)差異，為地球物理探測提供了條件。區(qū)間隧道穿越西汀河橋承臺(tái)兩側(cè)的樁基，樁基外側(cè)離盾構(gòu)隧道開挖輪廓線僅為0.9 m，將會(huì)對盾構(gòu)掘進(jìn)施工造成重大影響，因此在盾構(gòu)施工前采用物探方法對西汀橋樁基之間的距離進(jìn)行探測，進(jìn)而明確樁基與廣青區(qū)間隧道的相對位置關(guān)系，為盾構(gòu)順利通過西汀橋承臺(tái)樁提供指導(dǎo)和依據(jù)。

2 探測原理及方法

2.1 探測方法選擇

由于西汀橋橋臺(tái)兩端地面交通繁忙、車流量大以及高架橋梁閘道施工影響等情況，導(dǎo)致探測區(qū)域空間狹小，不適合采用空間要求較大的地球物理勘探方法。經(jīng)比選，跨孔CT法適用于探測區(qū)域的場地條件。廣青區(qū)間西汀橋承臺(tái)樁之間充填地層主要為粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土，橋承臺(tái)樁基為鋼筋混凝土挖孔樁，樁、土的物理性質(zhì)差別較大。土層(含水)相對電阻率偏低，由于土層含有碎石等，整體的電性分布不均勻；橋承臺(tái)樁基為鋼筋混凝土樁，電阻率相對較高，橋承臺(tái)樁基材料比較單一均勻，整體電性分布均勻，這為該區(qū)域進(jìn)行跨孔電阻率法探測提供了良好的地球物理?xiàng)l件。同時(shí)，樁基和土層地震波波速差別較大，對電磁波的吸收程度也相差很大，為開展彈性波CT和電磁波CT探測提供了地球物理前提條件。物探方法是一種間接的探測方法，探測成果受到地質(zhì)條件和反演邊界條件的影響，采用多種物探方法相結(jié)合才能取得較理想的結(jié)果。綜上所述，在探測區(qū)采用跨孔電阻率CT、彈性波CT和電磁波CT 3種方法進(jìn)行探測，3種方法相互驗(yàn)證，聯(lián)合解譯，可提高盾構(gòu)區(qū)間左右兩側(cè)西汀橋承臺(tái)樁間距探測的準(zhǔn)確性。

2.2 探測原理

本次探測采用的物理地球方法為跨孔電阻率CT、彈性波CT以及電磁波CT法。不同探測方法的應(yīng)用條件、工作原理、探測儀器、數(shù)據(jù)處理和優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 不同物探方法對比

2.3 探測孔設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，本次探測深度約為18.0 m，探測孔設(shè)計(jì)深度一般為探測深度的1.5倍，即為27.0 m。

鉆探成孔時(shí)應(yīng)盡可能保持鉆孔的垂直度，終孔后宜進(jìn)行測斜校正。相鄰鉆孔孔底高差宜小于5.0 m，鉆孔終孔后應(yīng)進(jìn)行清渣，保證有效探測深度；最后應(yīng)放入PVC膠管護(hù)孔，需在鉆孔完畢后5 h內(nèi)開展探測，防止泥漿沉積無法放入探頭。

在探測中需在鉆孔成孔之后下入直徑大于75 mm的PVC套管，以防止塌孔；同時(shí)，在PVC孔上打一些密集小孔，PVC套管上每隔100 mm用電鉆打4個(gè)小孔，且小孔應(yīng)呈梅花形布設(shè)，不要位于同一剖面上；然后，在PVC管上纏上紗網(wǎng)，防止泥漿進(jìn)入PVC管中，保證信號的順利傳輸。PVC管加工示意圖如圖3所示。

圖3 PVC管加工示意圖

本次探測共布設(shè)6個(gè)探測鉆孔，左右各3個(gè)，分別為ZK1—ZK6。根據(jù)現(xiàn)場6個(gè)鉆孔的分布情況布置了3條物探測線WT1(ZK1—ZK4)、WT2(ZK2—ZK5)和WT3(ZK3—ZK6)，探測孔ZK1與ZK4、ZK2與ZK5、ZK3與ZK6的間距分別為12.8、10.9、11.0 m。探測孔位置分布如圖4所示。

圖4 探測孔位置分布圖

3 探測成果分析

采用跨孔電阻率CT法、跨孔彈性波CT法以及跨孔電磁波CT法分別探測3條測線。

跨孔電阻率CT法視電阻率分布成果圖如圖5所示。根據(jù)2個(gè)測孔之間地下土體與樁基的相對位置可知，相對土體而言，樁基表現(xiàn)為視電阻率較高，且電性相對較均勻。

跨孔彈性波CT法的地震波波速分布圖如圖6所示。圖6中樁基表現(xiàn)為相對的高速體，而樁基之間充填的土體表現(xiàn)為低速體。

跨孔電磁波CT法視吸收系數(shù)分布圖如圖7所示。當(dāng)電磁波通過不同的地下介質(zhì)(如巖石、土體、采空區(qū)、溶洞、破碎帶等)傳播時(shí)，具有不同的傳播速度和衰減特性。由于不同介質(zhì)對電磁波的吸收存在差異，測區(qū)內(nèi)樁基的視吸收系數(shù)βs較大，而土體的視吸收系數(shù)βs相對較小。

根據(jù)以上3種方法的解譯原則進(jìn)行分析，樁基間距探測結(jié)果如表2所示。

圖5 跨孔電阻率CT法視電阻率分布成果圖

Fig. 5 Apparent resistivity distribution of cross-hole resistivity CT method

圖6 跨孔彈性波CT法地震波波速分布圖

Fig. 6 Wave velocity distribution of cross-hole elastic wave CT method

圖7 跨孔電磁波CT法視吸收系數(shù)分布圖

Fig. 7 Apparent absorption coefficient distribution of cross-hole electromagnetic wave CT method

表2跨孔CT法樁基間距探測結(jié)果

Table 2 Detection results of pile foundation spacing by cross-hole CT method

測線跨孔電阻率CT法跨孔彈性波CT法跨孔電磁波CT法WT1(ZK1—ZK4) 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為8.2 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為1.0 m 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為8.0 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為0.9 m 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為8.2 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為1.0 mWT2(ZK2—ZK5) 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為8.0 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為0.9 m 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為7.9 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為0.85 m 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為7.9 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為0.85 mWT3(ZK3—ZK6) 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為8.0 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為0.95 m 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為8.2 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為1.0 m 樁基內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為8.0 m。根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得,內(nèi)側(cè)樁基邊緣與盾構(gòu)隧道邊線的距離為0.9 m

4 鉆孔驗(yàn)證

對跨孔CT法結(jié)果進(jìn)行綜合解譯，最終確定3條測線樁基之間距離的平均值分別為8.1、7.9、8.0 m?，F(xiàn)場布置鉆孔對樁基間距進(jìn)行驗(yàn)證。現(xiàn)場測量結(jié)果與探測結(jié)果基本一致，說明本次物探探測結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的?，F(xiàn)場鉆孔照片如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場鉆孔

5 結(jié)論與討論

本文根據(jù)西汀橋橋臺(tái)樁基與周圍土體的物理特性，通過物探方法的比選，最終采用跨孔CT法對樁基間距進(jìn)行了探測。通過現(xiàn)場鉆孔驗(yàn)證，實(shí)際測量結(jié)果與探測結(jié)果相符，表明選用的物探方法合理可靠，對類似工程具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。得到的主要結(jié)論與討論如下：

1)通過跨孔CT法對橋臺(tái)樁基間距進(jìn)行探測，探測結(jié)果與實(shí)際基本一致，3種方法可相互驗(yàn)證，有效提高了探測結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確度。

2)從本次探測分析結(jié)果來看，探測結(jié)果的精確度與探測孔的布置、探測孔之間的地質(zhì)條件有關(guān)，另外，跨孔電阻率CT法和跨孔電磁波CT法受探測區(qū)金屬物體(樁體內(nèi)鋼筋等)的影響較大。

3)隨著地鐵工程建設(shè)的規(guī)模和數(shù)量迅速發(fā)展，地質(zhì)條件和施工環(huán)境越來越復(fù)雜，跨孔CT法具有施工空間小、精度高的特點(diǎn)，因此，應(yīng)用前景廣闊。

4)在本次物探探測工作中，采用多種物探方法聯(lián)合反演解譯達(dá)到了較好的應(yīng)用效果，如何進(jìn)一步提高物探方法的探測精度，以滿足地鐵工程中地下障礙物更精細(xì)化探測的要求是未來的研究方向。

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