金 花， 祝明明， 何紅員， 黨如姣， 李治國

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000；2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司， 廣東 深圳 518000；3.中鐵隧道集團(tuán)有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511455)

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城區(qū)繁忙交通道路下方殘留樁基精確探測(cè)技術(shù)

金 花1， 祝明明2， 何紅員2， 黨如姣3， 李治國3

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000；2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司， 廣東 深圳 518000；3.中鐵隧道集團(tuán)有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511455)

在某城區(qū)頂管隧道始發(fā)井和接收井開挖施工過程中均發(fā)現(xiàn)基坑中存在未知的建筑殘留樁基。因時(shí)間久遠(yuǎn)，施工區(qū)域內(nèi)殘留樁基的位置和范圍均無法獲知。為保證頂管隧道順利施工，需在施工前調(diào)查清楚其影響范圍內(nèi)是否存在殘留樁基。由于頂管隧道橫穿繁忙交通道路，地表沒有大范圍鉆孔勘查的條件，只能采用地球物理方法進(jìn)行探測(cè)。經(jīng)比選，采用探地雷達(dá)和磁法探測(cè)相結(jié)合的方法可滿足探測(cè)要求。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，在異常區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，并采取針對(duì)性的處理措施，保證了頂管隧道的安全施工。

頂管隧道；殘留樁基；探地雷達(dá)；磁法探測(cè)；鉆探驗(yàn)證

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城區(qū)地面可供利用的空間越來越小，地下空間開發(fā)越來越受到重視[1-2]。因地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，在地下工程建設(shè)過程中會(huì)遇到各種各樣的問題，比如已拆除的地面建筑的地下樁基與新建地下工程項(xiàng)目間隔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，施工單位多次變更，導(dǎo)致無法判斷出樁基準(zhǔn)確位置。對(duì)樁基的勘查主要有地面挖探坑探查和地球物理方法探測(cè)2類。當(dāng)受到地面環(huán)境限制時(shí)，大多采用地球物理方法來探測(cè)地下樁基[3]。在某城區(qū)頂管隧道始發(fā)井和接收井開挖施工過程中均發(fā)現(xiàn)基坑中存在未知的建筑殘留樁基，因時(shí)間久遠(yuǎn)，施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生較大變化，樁基位置與范圍均無法獲知。若隧道沿線存在樁基，會(huì)嚴(yán)重影響頂管隧道施工，因此，需在頂管隧道施工前調(diào)查清楚隧道影響范圍內(nèi)是否存在殘留樁基。由于頂管隧道橫穿繁忙交通道路，地表沒有大范圍開挖勘查的條件，只能采用地球物理方法進(jìn)行探測(cè)。以往針對(duì)樁基的物探工作主要針對(duì)樁基的完整性檢測(cè)[4-5]，采用的物探方法也主要側(cè)重于單一物探方法的應(yīng)用[6-9]，采用多種物探方法相結(jié)合探測(cè)樁基的研究相對(duì)較少，特別是采用高精度磁法對(duì)樁基進(jìn)行探測(cè)，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。本文采用探地雷達(dá)和磁法探測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)樁基進(jìn)行探測(cè)，聯(lián)合解譯，準(zhǔn)確探測(cè)定位出樁基的分布情況。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，在異常區(qū)域進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，并采取針對(duì)性處理措施，保證了頂管隧道的安全施工。

1 工程概況

該工程由南北2個(gè)集散廳、1個(gè)過街人行通道、1個(gè)下沉式廣場(chǎng)組成，通過過街人行通道下穿城市快速路連接南北集散廳。地下通道長(zhǎng)92.6 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為矩形圓倒角鋼筋混凝土管節(jié)，結(jié)構(gòu)凈空寬度為9 m，高度為6.15 m，覆土厚9.1 m；地下通道采用頂管法施工，斷面寬度為10.4 m、高度為7.55 m，單片管節(jié)寬度為1.5 m、厚度為0.7 m。

南集散廳為頂管接收井，總體平面呈矩形布置，基坑長(zhǎng)度為35.3 m，寬度為19.7 m，開挖深度為17.9 m；北集散廳為頂管始發(fā)井，基坑長(zhǎng)度為36.1 m，寬度為23.5 m，開挖深度為18.4 m。頂管隧道施工總平面布置如圖1所示。

圖1 頂管隧道施工總平面布置Fig.1 Layout of pipe-jacking tunnel construction

該地下通道區(qū)域土層自上至下分別為素填土、黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土等，頂管施工主要穿越粉土和粉質(zhì)黏土。場(chǎng)地地下水靜止水位埋深1.10～1.50 m，如圖2所示。由以上地質(zhì)情況可知，該區(qū)域主要以素填土和黏土為主，其中可能賦存的樁基為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩者之間存在明顯的物性差異，這為地球物理探測(cè)提供了良好的前提。

由于頂管穿越區(qū)域地面為城市快速路，車流量大、交通繁忙，同時(shí)地下管線多，不能大范圍干擾和阻斷交通。如果頂管隧道施工過程中發(fā)現(xiàn)殘留樁基，頂管施工將無法通過，必須阻斷交通處理樁基，勢(shì)必對(duì)交通造成巨大壓力，從而失去采用高代價(jià)頂管施工的意義，因此，必須在頂管施工前探測(cè)清楚是否有樁基存在。由于地表不具備大范圍鉆孔勘察的條件，只能通過物探探測(cè)，圈定異常區(qū)域，并針對(duì)異常區(qū)域再有選擇性地進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證和處理。同時(shí)，由于本項(xiàng)目對(duì)物探探測(cè)準(zhǔn)確率要求高，需盡最大可能排除在頂管施工范圍內(nèi)的所有樁基，若是探測(cè)解釋出現(xiàn)遺漏，同樣會(huì)給施工帶來巨大麻煩。

2 物探方法

2.1 探測(cè)方法的選擇

針對(duì)地面交通繁忙、車流量大等情況，為了減少客觀干擾，物探探測(cè)選在夜間開展；同時(shí)，由于探測(cè)區(qū)域橫穿繁忙交通快速路，要求采用準(zhǔn)確、快捷、無損的物探方法。不同物探方法對(duì)比見表1。

經(jīng)比選，采用地質(zhì)雷達(dá)法和磁法探測(cè)相結(jié)合可滿足探測(cè)要求。磁法勘探時(shí)，鐵磁性物質(zhì)可產(chǎn)生出較大的磁異常，而地下樁基中含有大量的鋼筋，可以較好地定位出樁基的水平空間分布情況。探地雷達(dá)勘探時(shí)，可根據(jù)地質(zhì)和地下水分布情況選用不同頻率的天線(頻率不同，探測(cè)深度不同)。樁基在雷達(dá)探測(cè)剖面上表現(xiàn)為1組強(qiáng)反射且振幅較大，而樁間土層的反射能量較弱且振幅較小，通過濾波處理，可以辨識(shí)出與周圍地層在色彩上呈現(xiàn)明顯差異的不連續(xù)界面，從而作為判別樁基的依據(jù)?；谶@一特點(diǎn)，使用地質(zhì)雷達(dá)可以有效提高縱向分辨率，進(jìn)而精確地定位樁基埋深。

圖2 地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile

表1 不同物探方法對(duì)比Table 1 Comparison among different geophysical detecting methods

2.2 磁法探測(cè)

2.2.1 基本原理

磁力儀是利用氫質(zhì)子在磁場(chǎng)中的旋進(jìn)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量的。在傳感器中充滿了含氫的液體，其氫質(zhì)子在被儀器強(qiáng)制極化之前，處于無規(guī)律的排列狀態(tài)。當(dāng)人為對(duì)其加上一個(gè)極化信號(hào)后，質(zhì)子將做旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)[10]。極化信號(hào)消失后，質(zhì)子的旋進(jìn)將主要受到外界磁場(chǎng)的影響會(huì)逐漸消失，通過對(duì)受旋進(jìn)影響的傳號(hào)器中頻率的測(cè)量，來測(cè)知外界磁場(chǎng)的大小。不斷對(duì)這個(gè)動(dòng)作進(jìn)行循環(huán)，即可持續(xù)測(cè)量[11]。城市建設(shè)中埋置的管線、隱藏物等鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生磁性或者改變巖土體的磁性，通過分析測(cè)區(qū)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可以對(duì)隱伏物進(jìn)行定性判斷，因此，磁異常探測(cè)是工程上對(duì)鐵磁性物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)的有效方法之一[12]。

2.2.2 工作布置

磁法勘探網(wǎng)度根據(jù)場(chǎng)地條件布設(shè)，測(cè)區(qū)內(nèi)以1 m×2 m 的基本網(wǎng)度開展高精度磁測(cè)工作。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

測(cè)區(qū)地磁場(chǎng)南北方向正常場(chǎng)變化超過40 nT,則對(duì)全區(qū)磁測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。應(yīng)用數(shù)據(jù)處理程序?qū)θ珔^(qū)測(cè)線進(jìn)行圓滑濾波，消除畸變點(diǎn)的影響，并剔除近地表強(qiáng)磁性干擾信號(hào)，突出有效異常[13]，同時(shí)，對(duì)測(cè)線進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)平，去除測(cè)線波紋。

磁力異常是地下地質(zhì)體的綜合疊加效應(yīng)[14]，隨著場(chǎng)源深度的變化而變化。當(dāng)疊加異常的場(chǎng)源深度不同時(shí)，異常隨觀測(cè)平面起伏的變化而增減的速度不同。淺部地質(zhì)因素的影響效應(yīng)隨觀測(cè)平面起伏的變化具有較高的敏感性，向上延拓可以使疊加異常中淺部地質(zhì)因素的影響相對(duì)減弱，而深部地質(zhì)因素的影響得到相應(yīng)加強(qiáng)。隨著向上延拓高度的增加，所反映的地質(zhì)信息的深度也增加[15]。

圖3為磁異常等值線圖，不同顏色代表不同磁異常數(shù)值。此次高精度磁力測(cè)量獲得的磁力異常代表總磁場(chǎng)強(qiáng)度T，ΔT是地磁場(chǎng)強(qiáng)度與正常地磁場(chǎng)強(qiáng)度的模量差。本區(qū)的磁場(chǎng)正常場(chǎng)值為54 000 nT，結(jié)合總體異常情況，計(jì)算剩余磁場(chǎng)和水平方向一次導(dǎo)數(shù)，以剩余磁場(chǎng)值為-200 nT為異常上限進(jìn)行異常識(shí)別。

將上述綜合異常解釋與現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行比對(duì)，共劃分出5處異常區(qū)域，如圖4所示。

異常1：位于快速路南、非機(jī)動(dòng)車道與機(jī)動(dòng)車道之間的側(cè)分帶附近，為剩磁低磁異常，分析可能受側(cè)分帶鐵質(zhì)護(hù)欄和電力線的綜合影響。

異常2：位于快速路南機(jī)動(dòng)車道，為剩磁高值異常，分析為給水管線與異常1正值疊加的綜合影響。

(a) 剩余磁場(chǎng)值

(b) 水平方向一次導(dǎo)數(shù)

圖4 磁法探測(cè)結(jié)果解釋Fig.4 Explanation of magnetic detection results

異常3：位于快速路南機(jī)動(dòng)車道靠近中央分隔帶處，為剩磁低值異常，分析可能為混凝土基礎(chǔ)，推測(cè)其埋深為2 m左右。

異常4：位于快速路北、非機(jī)動(dòng)車道與機(jī)動(dòng)車道之間的側(cè)分帶附近，為剩磁高磁異常，分析可能為加筋排樁基礎(chǔ)，推測(cè)其埋深為1.8 m左右。

異常5：位于快速路北非機(jī)動(dòng)車道，為剩磁高磁異常，分析可能受管線綜合影響。

綜合以上分析，異常3和異常4推測(cè)為地下樁基礎(chǔ)引起的磁異常。由圖3可知，磁法探測(cè)在平面上圈出了異常范圍，但是在縱向上出現(xiàn)了埋深不等(圖像顏色變化較大)的現(xiàn)象，磁法反演結(jié)果反映出的樁基埋深需采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3 探地雷達(dá)法

2.3.1 基本原理

探地雷達(dá)法是由地面發(fā)射電磁波到地下并接收反射波，根據(jù)反射波的旅行時(shí)間、幅度與波形資料，采用圖像處理和分析，確定地下界面和目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)，提供近地表介質(zhì)特性和結(jié)構(gòu)的高分辨率信息[16]。

2.3.2 工作布置

雷達(dá)探測(cè)測(cè)線以頂管始發(fā)至到達(dá)為地面探測(cè)范圍，沿垂直于頂管走向布置。采用美國SIR3000探地雷達(dá)并結(jié)合多種型號(hào)的天線(50、100、200 MHz)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中100 MHz屏蔽天線探測(cè)效果最優(yōu)。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中，地質(zhì)雷達(dá)波形千變?nèi)f化，波形判別需要根據(jù)具體情況具體分析。由于管線與障礙物(管線、樁基礎(chǔ)等)的物性差異較大，因而在其接觸面上會(huì)有一強(qiáng)反射波。通過對(duì)雷達(dá)圖像上振幅、相位的分析，可以看到：當(dāng)下部土體中不存在管線或者障礙物時(shí)，檢測(cè)的雷達(dá)圖像成水平層狀，反射信號(hào)幅度較弱，甚至沒有界面反射波；當(dāng)下部土體中存在異常物或不均勻地質(zhì)體時(shí)，檢測(cè)的雷達(dá)圖像出現(xiàn)較強(qiáng)的不均勻反射波以及較強(qiáng)的界面反射信號(hào)，且呈不連續(xù)、較分散的弧形反射信號(hào)，表明地層中存在不均勻地質(zhì)體，與前后的反射信號(hào)明顯不一致。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在檢測(cè)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)2處異常區(qū)域，其中：在測(cè)線19和測(cè)線20上各發(fā)現(xiàn)1處異常，如圖5所示，疑似地下基礎(chǔ)均位于測(cè)線水平方向15～20 m處、埋深1.8 m左右；在測(cè)線31上和測(cè)線32上各發(fā)現(xiàn)1處異常，如圖6所示，疑似樁位埋深0.7 m左右。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果解釋如圖7所示。

3 鉆孔驗(yàn)證與施工措施

3.1 綜合解釋和鉆孔驗(yàn)證

對(duì)探地雷達(dá)與磁法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合解釋，最終劃定2處異常區(qū)域，如圖8所示?，F(xiàn)場(chǎng)布置鉆孔對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯驗(yàn)證，取出鋼筋混凝土樁基如圖9所示，說明本次物探探測(cè)結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，鋼筋混凝土埋深為0.8～4.1 m，均未侵入隧道施工范圍。

3.2 施工措施

殘留樁體距離隧道頂部5 m以上，對(duì)頂管施工影響不大，因此不建議進(jìn)行樁基處理，主要采取控制頂管掘進(jìn)姿態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)和加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)等施工措施。在實(shí)際施工過程中，頂管隧道掘進(jìn)速度為1～2 cm/min，土艙壓力控制在0.1～0.2 MPa，同時(shí)采用壁后灌漿補(bǔ)充地層損失，最終地面累計(jì)沉降控制在20 mm以內(nèi)，順利通過了殘留樁體地段。

圖5 探地雷達(dá)探測(cè)剖面圖(測(cè)線20)Fig.5 Longitudinal profile of detection results of ground penetrating radar (line No.20)

圖6 探地雷達(dá)探測(cè)剖面圖(測(cè)線32)Fig.6 Longitudinal profile of detection results of ground penetrating radar (line No.32)

圖7 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果解釋Fig.7 Explanation of geological radar detection results

圖8 異常區(qū)域綜合解釋Fig.8 Comprehensive interpretation of abnormal area

(a) (b)
圖9 鋼筋混凝土樁基
Fig.9 Reinforced concrete pile foundation

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)周邊環(huán)境情況和樁基物性特征，通過比選多種物探方法的適用性，最終采用探地雷達(dá)和高精度磁法探測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)樁基進(jìn)行探測(cè)。通過實(shí)際鉆孔驗(yàn)證，與探測(cè)結(jié)果相符，證明選用的方法合理可靠，對(duì)類似工程具有一定的指導(dǎo)意義，主要結(jié)論如下。

1)由于受到客觀環(huán)境限制，采用單一物探探測(cè)方法的準(zhǔn)確率有限，一般需要2種以上的物探方法相結(jié)合并相互驗(yàn)證，從而提高探測(cè)準(zhǔn)確率，同時(shí)得到的結(jié)果也更加接近于實(shí)際情況。在采用多種物探方法聯(lián)合探測(cè)時(shí)，最好選用2種物理前提不同的方法。

2)利用高精度磁法對(duì)鐵磁性物質(zhì)探測(cè)靈敏度高的特性，將探測(cè)區(qū)域內(nèi)所有異常區(qū)域劃出，再結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)，有效地排除假異常。在城區(qū)，該方法具有一定的推廣價(jià)值。

3)磁法探測(cè)對(duì)地下鐵磁性物體引起的磁異常反應(yīng)強(qiáng)烈，水平分辨率較高。根據(jù)磁異常強(qiáng)度大小只能大致推測(cè)出樁基埋深，而探地雷達(dá)彌補(bǔ)了磁法探測(cè)縱向分辨率低的缺陷，2種方法可相互補(bǔ)充、相互印證。

4)本次應(yīng)用研究側(cè)重于對(duì)結(jié)果的綜合解釋，并沒有涉及數(shù)據(jù)聯(lián)合反演解譯。在城區(qū)物探探測(cè)工作中，采用多種物探方法聯(lián)合反演解譯會(huì)達(dá)到更好的處理效果，這將是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

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Technology of Accurate Detecting of Residual Pile Foundation under Busy Traffic Road in Urban Area

JIN Hua1,ZHU Mingming2,HE Hongyuan2,DANG Rujiao3,LI Zhiguo3

(1．ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,Shaanxi,China;2.SanchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Shenzhen518000,Guangdong,China;3.Survey,Design&ResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China)

Some unknown residual pile foundations are encountered during the construction of launching shaft and receiving shaft of pipe-jacking tunnel in urban area.The location and scope of residual pile foundation in the construction area are not clear.As a result,it is necessary to find out whether there is any residual pile foundation in the tunnel area before carrying out construction.Only the geophysical method can be adopted for there is no condition for extensive drilling exploration.The method of residual pile foundation detecting by ground penetrating radar and magnetic method,which can meet the detection requirements,are selected.According to the detection results,the drilling verification in abnormal area is carried out and the countermeasures are taken to guarantee safe construction of pipe-jacking tunnel.

pipe-jacking tunnel; residual pile foundation; ground penetrating radar; magnetic detection; drilling inspection

2016-11-10;

2017-02-21

金花(1981—)，女，甘肅蘭州人，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，碩士，講師，主要從事鐵道工程專業(yè)教學(xué)與施工技術(shù)研究工作。E-mail：jinhua605@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.016

U 452.1

B

1672-741X(2017)06-0753-08