黨如姣

(中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引言

隨著城市地下軌道交通的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)過(guò)程中遇到了許多新的挑戰(zhàn)，目前對(duì)爆破效果和注漿效果檢驗(yàn)較好的方法為鉆孔法，但是該方法具有很大的局限性，而且效率較低，成本高，周期長(zhǎng)［1］。物探法是利用所探測(cè)目標(biāo)體和周圍介質(zhì)之間的物性差異，探測(cè)出目標(biāo)體的形態(tài)特征，然后對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以保證盾構(gòu)機(jī)的順利推進(jìn)［2］。文獻(xiàn)［3］結(jié)合廣州地鐵三號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間工程的施工實(shí)例，探討花崗巖球形風(fēng)化體地層條件下的盾構(gòu)施工方案。文獻(xiàn)［4］在廣州地鐵3號(hào)線(機(jī)場(chǎng)線)和6號(hào)線二期工程多次開(kāi)展孤石地球物理勘探方法試驗(yàn)和專題研究，選用了多達(dá)10余種物探方法。文獻(xiàn)［5］將地震CT成像技術(shù)用于淺層勘探中，并且嘗試在地表面進(jìn)行地震CT探測(cè)。文獻(xiàn)［6］在臺(tái)山核電引水隧洞海域段利用地震反射波CDP(共反射點(diǎn))疊加技術(shù)在海面上對(duì)花崗巖孤石進(jìn)行了探測(cè)。文獻(xiàn)［7］在深圳地鐵7號(hào)線利用二維微動(dòng)剖面技術(shù)探測(cè)“孤石”。文獻(xiàn)［8］在MATLAB平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了可控源音頻大地電磁反演數(shù)據(jù)三維可視化顯示，大大提高了物探工作者對(duì)成果解釋的工作效率，但是這僅僅是將物探效果圖進(jìn)行三維顯示，同時(shí)為其與實(shí)際三維空間建立聯(lián)系。文獻(xiàn)［9］對(duì)礦床(體)三維空間定位預(yù)測(cè)的物探技術(shù)進(jìn)行研究，將空間三維定位技術(shù)與物探技術(shù)相結(jié)合，并在呷村礦床示范區(qū)得到了應(yīng)用，效果良好。

綜上所述，物探技術(shù)對(duì)于地下目標(biāo)體的探測(cè)大多是定性評(píng)價(jià)，很難達(dá)到定量評(píng)價(jià)，主要原因是在實(shí)際工程施工中經(jīng)常受到外界干擾因素的影響，所得的判斷和解析往往較為粗略，難以滿足地鐵施工的要求。本文物探探測(cè)結(jié)合鉆孔資料綜合分析，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了定量分析。

1 工程概況

深圳某地鐵區(qū)間為雙向單線隧道，左、右線分修，線路呈東西走向，采用盾構(gòu)施工。區(qū)間下穿人工湖及別墅。人工湖區(qū)段基巖侵入隧道范圍內(nèi)，影響盾構(gòu)順利推進(jìn)，在盾構(gòu)施工前必須對(duì)基巖進(jìn)行爆破處理，再對(duì)地層進(jìn)行封閉注漿，保證地層的氣密性。

區(qū)間下穿人工湖及二期在建別墅。一期物業(yè)為7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外裝修面全部為玻璃幕墻，距離工區(qū)最近約193 m，人工湖寬約30 m，深約3 m;二期別墅為在建工程，人工湖西側(cè)目前為施工工地。施工工地周邊環(huán)境如圖1所示。

工程地質(zhì)由上到下為素填土、填石層、淤泥層、黏土層、全風(fēng)化粗粒花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r、微風(fēng)化粗?；◢弾r。因施工工地在人工湖附近，地下水較豐富。施工工地區(qū)域地下水水位為－1.4 m，地下水與地表海水具有較強(qiáng)的水力聯(lián)系。

圖1 施工工地周邊環(huán)境示意圖Fig.1 Surrounding environment of job site

2 探測(cè)方法及原理

2.1 探測(cè)方法的選擇

結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)和施工環(huán)境(地表?xiàng)l件惡劣且多變，周圍是正在施工的建筑工地，工區(qū)內(nèi)硬巖處理影響等)，表1列出了各種方法的適用性評(píng)價(jià)，并最終確定采用高密度電阻率法和面波地震法進(jìn)行工程檢測(cè)。

表1 不同物探方法對(duì)比Table 1 Comparison and contrast between different geophysical prospecting methods

在地鐵區(qū)間基巖爆破注漿工程中將采用高密度電阻率法對(duì)爆破和注漿施工全過(guò)程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，在施工結(jié)束之后結(jié)合面波地震法，對(duì)整個(gè)工區(qū)進(jìn)行探測(cè)，最終給出綜合評(píng)價(jià)。該項(xiàng)目需檢驗(yàn)隧道范圍內(nèi)的基巖爆破和注漿處理效果，對(duì)于爆破效果的檢驗(yàn)主要是檢驗(yàn)爆破后基巖的塊徑大小，對(duì)于注漿效果的檢驗(yàn)主要是檢驗(yàn)漿液分布范圍以及地層密實(shí)度。

2.2 探測(cè)原理

2.2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法在我國(guó)工程勘查中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并取得了較好的探測(cè)效果［10］。它是以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的直流電阻率勘探方法，通過(guò)研究外電場(chǎng)作用下地下半空間中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，來(lái)獲得地下介質(zhì)的視電阻率信息。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)程序控制，每次選擇電極陣中4個(gè)電極作為A、B供電電極和M、N測(cè)量電極，儀器自動(dòng)測(cè)量AB間供電電流和MN間測(cè)量電位，再利用相關(guān)公式計(jì)算能反映地下介質(zhì)真實(shí)電阻率信息的視電阻率值［11－12］。

2.2.2 面波地震法(多道面波分析技術(shù))

面波地震法勘探的直接成果是瑞雷波頻散曲線。為獲取可靠的頻散信息，面波地震法需要一條不少于12道的記錄剖面，再通過(guò)帶阻尼的廣義線性迭代反演方法結(jié)合最少的假設(shè)可求得一維近地表橫波速度剖面。其中橫波速度與地下介質(zhì)的剛度系數(shù)直接相關(guān)，故可以利用多道面波分析技術(shù)來(lái)獲得工區(qū)內(nèi)注漿后的強(qiáng)度信息［13－14］。

3 解譯方法標(biāo)準(zhǔn)

本次物探成果的解譯采用與相應(yīng)檢測(cè)條件下的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)值(電阻率法及面波法探測(cè)指標(biāo))進(jìn)行作差、對(duì)比的方法，根據(jù)差值的大小進(jìn)行定性的質(zhì)量判斷。施工工況分為未爆破、爆破和注漿3種。

1)高密度電阻率法解譯評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 電阻率法解譯方法標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Interpretation standard of resistivity method

2)橫波速度高低的變化，可基本反映注漿的效果。從整體上說(shuō)，隨著深度的增加，介質(zhì)的橫波速度一般也會(huì)變大。對(duì)注漿效果的判斷，更多的是同深度介質(zhì)的對(duì)比。從理論上講，物質(zhì)的剛度系數(shù)越大，其橫波速度就越大。因此，探測(cè)所得的數(shù)據(jù)中，橫波速度大的地方認(rèn)為其注漿效果好。面波地震法解譯評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 面波地震法解譯方法標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Interpretation methods of Rayleigh wave method

3)2種物探方法可以互相對(duì)比驗(yàn)證，以克服物探解譯的多解性;同時(shí)，上述物探探測(cè)結(jié)果還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以提高解譯準(zhǔn)確度。

4 探測(cè)結(jié)果解譯與分析

4.1 高密度電阻率法對(duì)隧道中軸線的監(jiān)測(cè)

利用高密度電阻率法對(duì)工區(qū)隧道左線的硬巖處理質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)(小里程端有人工湖阻擋，無(wú)法布置測(cè)線，故小里程段測(cè)線較短)。圖2為相應(yīng)的測(cè)線布置示意圖。

圖2 左線中軸線地面高密度電阻率法測(cè)線布置示意圖Fig.2 Layout of prospecting lines of high density resistivity method along axis line of left tunnel tube

1)未爆破區(qū)域。圖3為左線的高密度電阻率法探測(cè)結(jié)果。在探測(cè)之前基巖爆破工作已基本完成，只剩下很少一部分未爆破，圖中左邊紅框所在位置(ZCK7+760～+766)，表現(xiàn)為淺藍(lán)色的相對(duì)高阻特征，這是未爆破基巖所導(dǎo)致。由圖可知剩余未爆破區(qū)域范圍很小，且受周圍爆破區(qū)域的影響，在反演結(jié)果圖中，其差別與周邊不顯著。

在圖3(b)視電阻率剖面結(jié)果中15～24 m深度內(nèi)，其視電阻率值與周圍介質(zhì)有所差異，數(shù)值上表現(xiàn)為比上部的淤泥土和黏土的視電阻率值大，又比下部基巖小;同時(shí)結(jié)果表現(xiàn)為數(shù)值上不均勻，推斷為爆破所致。從圖3(b)中還可以看出爆破完的區(qū)域視電阻率值(1～4.5 Ω·m)較底部基巖(大于4.5 Ω·m)明顯降低。

2)爆破未注漿區(qū)域。圖4為爆破后未注漿的探測(cè)結(jié)果，與爆破前相比，工作區(qū)已全部爆破完畢。如圖4(b)和圖4(c)所示，在該區(qū)域(圖中紅圈位置)視電阻率值與周圍介質(zhì)的差異變小，表明隨著時(shí)間的推移地下水逐漸滲流至該區(qū)域，地下水含量變大，爆破效果良好。

圖4 左線爆破后注漿前探測(cè)結(jié)果Fig.4 Prospecting results of left tunnel tube after blasting，but before grouting

3)注漿后區(qū)域。圖5為注漿后左線中軸線的探測(cè)結(jié)果，此時(shí)探測(cè)目標(biāo)區(qū)內(nèi)已全部注漿完畢，故此次探測(cè)的目的在于監(jiān)測(cè)注漿效果。在圖5(c)的反演剖面中紅圈所畫(huà)位置(里程約ZCK7+710～+750)的視電阻率值(大于2Ω·m)比同深度其他位置的視電阻率值(大多小于2Ω·m)要大，這應(yīng)是注漿所導(dǎo)致的。里程ZCK7+710～ +736的視電阻率值基本大于2.5Ω·m，說(shuō)明這一部分的注漿效果較好。ZCK7+736～ +750注漿效果一般。ZCK7+690～+710及ZCK7+750～+760在隧道深度范圍內(nèi)注漿效果較差。

4.2 面波地震法(多道面波分析技術(shù))

由于爆破注漿工區(qū)處在正在施工的別墅建筑群工地，施工過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種振動(dòng)，這些振動(dòng)對(duì)多道面波測(cè)量數(shù)據(jù)是一種干擾信號(hào)，會(huì)降低數(shù)據(jù)的信噪比和影響探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。測(cè)線所過(guò)位置地表?xiàng)l件不一致(如地表水、地表軟泥以及碎石渣等)，這些因素會(huì)進(jìn)一步地降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量，使探測(cè)結(jié)果與真實(shí)數(shù)值有差異。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，雖能減小這些因素的影響，但卻無(wú)法做到完全的消除。

圖6為左線中軸線的面波地震法探測(cè)結(jié)果，此次探測(cè)的目的在于監(jiān)測(cè)左線中軸線的注漿效果。測(cè)線與工區(qū)的位置關(guān)系見(jiàn)圖6(a)中的黑實(shí)線。面波地震法(MASW)所得的二維橫波速度剖面見(jiàn)圖6(b)，從整體上看橫波速度的分布不均勻，數(shù)值上有較大的變化(變化范圍為50～500 m/s)，說(shuō)明整體注漿效果也是有所差異的。

在圖6(b)黑線所圈的位置(里程ZCK7+684～+765，深度0～20 m)，橫波速度大于150 m/s，比周圍介質(zhì)的橫波速度大(小于150 m/s)，應(yīng)為注漿所致。在淺部(深度0～10 m)，里程 ZCK7+692～+695、ZCK7+698 ～ +701、ZCK7+703 ～ +710、ZCK7+715～+720、ZCK7+750～+765比周圍區(qū)域的注漿效果差，因?yàn)槊娌ǖ卣鸱ㄋ玫臋M波速度實(shí)際上還是受地下介質(zhì)一定范圍內(nèi)的綜合影響，故淺部數(shù)據(jù)受地表?xiàng)l件的影響較大。在中深部(深度10 m以下)，里程ZCK7+692 ～ +705、ZCK7+712 ～ +720、ZCK7+752～+765比周圍區(qū)域的注漿效果差。在里程ZCK7+736～+755，橫波速度數(shù)值不均衡，里程ZCK7+737和ZCK7+743的橫波速度值比兩邊的低，尤其是在深度為10 m左右位置出現(xiàn)數(shù)值低于150 m/s的低速區(qū)，這表明此里程的注漿效果一般。

5 結(jié)論與討論

綜合考慮高密度電阻率法和面波地震法的綜合結(jié)果，主要結(jié)論如下:

1)高密度電阻率法與面波地震法所得的結(jié)果基本一致，但個(gè)別地方有差異。對(duì)于高密度電阻率法左線ZCK7+710～+736認(rèn)為效果好的地方，面波地震法卻得出ZCK7+715～+720效果差的結(jié)果，分析其原因?yàn)?在ZCK7+715～+720區(qū)間從小里程端延伸過(guò)來(lái)的基巖面突然下降，導(dǎo)致面波在這里發(fā)生傳播方向的轉(zhuǎn)變，其結(jié)果的可信度下降。因此，左線ZCK7+710～+736采用高密度電阻率法的探測(cè)結(jié)果更合理。

2)地面高密度電阻率法探測(cè)在該工區(qū)復(fù)雜施工條件下，其實(shí)施難度要小一些，工作量和成本相對(duì)也要小一些，作為地球物理重復(fù)測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)是一較佳的選擇。它可以較好地描述由于爆破和注漿等施工進(jìn)展導(dǎo)致的地下介質(zhì)的電阻率變化，從而推測(cè)了解其施工質(zhì)量的狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破和注漿施工質(zhì)量的監(jiān)測(cè);但其只能得到中軸線上的情況，無(wú)法反映工區(qū)地下的全部情況。

3)面波地震法(多道面波技術(shù))在此次探測(cè)中由于地表?xiàng)l件較差，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，室內(nèi)數(shù)據(jù)編輯與處理花費(fèi)較多精力，處理后的效果基本能達(dá)到要求。它能較好地反映所測(cè)二維剖面地下介質(zhì)的橫波速度分布情況，從而能推測(cè)出施工質(zhì)量的狀況;但其野外觀測(cè)效率較低，對(duì)野外條件要求較高，處理時(shí)間較長(zhǎng)，故該方法不適用于需要快速得到探測(cè)結(jié)果的監(jiān)測(cè)工作。

目前在國(guó)內(nèi)物探方法大多被應(yīng)用于探測(cè)和檢測(cè)工作中，利用物探手段對(duì)爆破和注漿全過(guò)程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的在調(diào)研的資料中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。物探法對(duì)于最終結(jié)果大多是定性的評(píng)價(jià)分析，在該項(xiàng)目中一定程度上實(shí)現(xiàn)了定量分析，將爆破和注漿施工質(zhì)量具體地反映在電阻率值和橫波速度數(shù)值上。實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破和注漿施工質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測(cè)和最終檢驗(yàn)評(píng)價(jià)，對(duì)爆破和注漿施工有一定的指導(dǎo)作用。

本文中的定量分析，仍然是將物探探測(cè)結(jié)果結(jié)合實(shí)際鉆孔驗(yàn)證資料總結(jié)出來(lái)的，如果從真正意義上實(shí)現(xiàn)定量分析，物探法的探測(cè)精度還需要進(jìn)一步提高。

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