王 鵬鐘有信杜廣林王 亮

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430062，武漢；2.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，530029，南寧；3.廣西帝壩科技有限公司，530022，南寧；4.中鐵一局集團(tuán)有限公司，710054，西安∥第一作者，高級(jí)工程師）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展以及地下空間的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，基坑工程的建設(shè)規(guī)模向更深、更大的方向發(fā)展。地下連續(xù)墻止水帷幕的施工質(zhì)量對(duì)基坑工程安全至關(guān)重要。但受當(dāng)前施工技術(shù)的限制和復(fù)雜地質(zhì)條件不確定因素的影響，止水帷幕滲漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。一旦因止水帷幕缺陷造成管涌滲漏，基坑穩(wěn)定性將存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)事故的主因分別為滲流破壞（62%）、支撐失穩(wěn)（13%）、坑內(nèi)滑坡（13%）、機(jī)械傷人（8%）、踢腳破壞（2%）和突涌破壞（2%）等?？梢?jiàn)，地下連續(xù)墻滲漏是主要的工程事故誘因［1-3］。因此，在基坑開(kāi)挖前，準(zhǔn)確檢測(cè)出墻體是否存在滲漏，并有針對(duì)性地采取超前補(bǔ)強(qiáng)措施，可有效規(guī)避基坑滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

目前，止水帷幕缺陷的檢測(cè)方法主要是通過(guò)坑內(nèi)降水并觀察坑外水位變化情況［4-5］。該方法僅能做出定性判斷，無(wú)法定量確定缺陷的空間位置、滲流量和滲流速度，從而難以指導(dǎo)增強(qiáng)堵漏方案的設(shè)計(jì)和施工。因此，既不受環(huán)境條件制約又能準(zhǔn)確全面獲得水文地質(zhì)參數(shù)的方法亟待創(chuàng)新，特別是基于新技術(shù)手段，亟待研究出先進(jìn)、成熟、準(zhǔn)確的檢測(cè)止水帷幕缺陷滲流的新方法［6-9］。

1 聲納滲流測(cè)量原理

聲納滲流探測(cè)技術(shù)，是利用聲波在水中的優(yōu)異傳播特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流速度場(chǎng)的測(cè)量。如果被測(cè)水體存在滲流，則測(cè)點(diǎn)必然存在滲流場(chǎng)，聲納探測(cè)器陣列能夠精細(xì)地測(cè)量出聲波能量在流體中傳播的大小與分布。依據(jù)探測(cè)器陣列測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)空分布，即可檢測(cè)出滲流發(fā)出的方向［7-8］。

圖1為三維流速矢量測(cè)量技術(shù)原理圖。利用滲流聲源方向上的傳感器2與探頭頂部傳感器1的距離和相位之差，建立連續(xù)滲流場(chǎng)的流速方程：

式中：

U——兩傳感器之間聲道上的平均流速；

L——聲波在傳感器之間傳播路徑的長(zhǎng)度；

X——傳播路徑的軸向分量；

t1,2、t2,1——從傳感器1到傳感器2和從傳感器2到傳感器1的傳播時(shí)間。

軸向流速矢量的方向可以根據(jù)時(shí)間t1，2和t2，1的大小關(guān)系確定，徑向流速矢量的方向可以通過(guò)將不同傳感器之間測(cè)得的流速投影到直角坐標(biāo)系中進(jìn)行確定。

圖1 三維流速矢量聲納測(cè)量?jī)x原理圖

2 聲納滲流測(cè)量方法

基于現(xiàn)有三維流速矢量聲納測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行滲流測(cè)量。該系統(tǒng)由聲納測(cè)量探頭、電纜和筆記本電腦三部分組成［8］。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滲流測(cè)量之前，必須根據(jù)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)滲流試驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行基本參數(shù)標(biāo)定。在室外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，將聲納測(cè)量探頭放入水文地質(zhì)測(cè)量孔水面以下開(kāi)展測(cè)量工作。測(cè)量從地下水位開(kāi)始，順序?yàn)樽陨隙拢? m設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，1個(gè)測(cè)點(diǎn)上的測(cè)量時(shí)間為1 min。該點(diǎn)測(cè)量完成后，測(cè)量數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存在電子文檔中，再進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，直到測(cè)至孔底。

3 地鐵基坑連續(xù)墻滲漏及堵漏檢測(cè)案例

3.1 案例概況

南寧某地鐵站位于邕江南岸，基坑底部的礫石層較厚，且與邕江水相通。地下連續(xù)墻深度為地表以下49 m，并進(jìn)行基巖隔斷承壓水，為施工難度極高的地下隱蔽工程。當(dāng)基坑開(kāi)挖至接近底板時(shí)，基坑內(nèi)漏水量超標(biāo)，水位升高，開(kāi)挖困難。施工方曾采取高強(qiáng)度的灌漿，但對(duì)堵漏無(wú)任何效果。因此，采用三維流速矢量聲納測(cè)量?jī)x針對(duì)相關(guān)的24幅地下連續(xù)墻的止水效果進(jìn)行了滲漏聲納檢測(cè)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析計(jì)算，獲得了原位測(cè)量孔內(nèi)每米滲透流速、滲流方向、滲漏流量及滲透系數(shù)等數(shù)據(jù)的分布情況。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)滲漏測(cè)量分析

圖2為24個(gè)測(cè)孔單位時(shí)間的滲漏量結(jié)果，24個(gè)測(cè)量孔總滲漏量為3.82×105cm3/s。其中：有5個(gè)測(cè)孔的滲漏量顯著高于其他測(cè)孔的結(jié)果，分別是8#、15#、16#、14#、7#；除 7#孔外，其余 4 個(gè)測(cè)孔的滲漏流量均超過(guò)4.96×104cm3/s。通過(guò)對(duì)比，判明上述5個(gè)孔發(fā)生了大量滲漏，這與現(xiàn)場(chǎng)降水施工所觀察到的滲漏結(jié)果完全一致。

圖2 車(chē)站基坑單孔聲納滲漏流量柱狀圖

滲漏流速作為基坑滲漏的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其大小及分布可以有效反映滲漏發(fā)生的空間位置，為后續(xù)堵漏施工提供準(zhǔn)確的位置信息。24個(gè)測(cè)孔的滲漏流速的滲漏分布如圖3所示。8#測(cè)孔是本項(xiàng)目施工中滲漏量最大的位置，其所測(cè)得的滲漏流速也比其他測(cè)孔大得多。通過(guò)圖3可知，8#測(cè)孔的滲漏發(fā)生在深度17～22 m的位置。15#測(cè)孔的滲漏主要發(fā)生在21～27 m深度處，測(cè)孔16#在18 m和23 m處有兩個(gè)明顯的滲漏點(diǎn)。從平均流速看，數(shù)據(jù)分別為：8#孔 0.526 cm/s；15#孔 0.420 cm/s、16#孔 0.306 cm/s、14#孔 0.198 cm/s、7#孔 0.416 cm/s。平均流速的計(jì)算結(jié)果與圖2中的滲漏量也相匹配。

為了能夠更加清晰地認(rèn)識(shí)滲漏破壞發(fā)生的原因和機(jī)理，基于聲納滲流測(cè)量的大量數(shù)據(jù)，反演計(jì)算得到了整個(gè)空間域的滲流場(chǎng)。如圖4所示，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的所有540組（每組由60萬(wàn)個(gè)物理測(cè)量值組成）聲納原位測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入聲納滲流可視化成像智能專家分析系統(tǒng)，反演得到了三維可視化空間滲流場(chǎng)。該滲流場(chǎng)同時(shí)包含了流速、流向和流量等的信息，這使得三者之間的相關(guān)分析成為可能。圖4以指定三維坐標(biāo)位置球形的大小來(lái)表征流量的大小，清晰地呈現(xiàn)了深基坑周?chē)鷧^(qū)域的滲漏流場(chǎng)，局部滲流流速異常大的位置正是止水結(jié)構(gòu)有缺陷的位置。圖4還全面地呈現(xiàn)了不同測(cè)井滲漏之間的關(guān)系：8#孔滲漏最大，其周?chē)臏y(cè)孔滲漏則較少。這說(shuō)明了8#號(hào)測(cè)井位置止水結(jié)構(gòu)施工時(shí)局部出現(xiàn)較大缺陷，同時(shí)周?chē)顾^好，導(dǎo)致該處滲漏顯著。14#、15#和16#三個(gè)測(cè)井在大致相同的深度范圍發(fā)生大量滲漏，同時(shí)7#測(cè)井的位置也與上述三個(gè)測(cè)井接近，說(shuō)明了此處滲漏的發(fā)生存在一定的相關(guān)性，可能是存在顯著不良地質(zhì)體或者存在系統(tǒng)性的施工缺陷。

圖3 各測(cè)量孔滲漏流速隨測(cè)量深度分布曲線

圖4 車(chē)站基坑聲納滲流場(chǎng)三維成像截圖

基于聲納技術(shù)測(cè)得的大量流速空間分布數(shù)據(jù)反演計(jì)算出三維流速等值線截圖，如圖5所示。流速的大小是以等值線的密度與色彩的深淺表示的，這為科學(xué)設(shè)計(jì)堵漏方案提供了直接有效的數(shù)據(jù)支持。

從以上數(shù)據(jù)分析可知，有5個(gè)測(cè)量孔的平均滲透流速大于0.1 cm/s，屬超標(biāo)流速，存在較大安全隱患。

針對(duì)5個(gè)滲漏異常位置設(shè)計(jì)合理的堵漏方案，滲流方向的識(shí)別至關(guān)重要。基于聲納滲流矢量的確定方法，圖6給出這5個(gè)滲漏流場(chǎng)的主方向，其中：箭頭的長(zhǎng)度表示滲透流速的大小，箭頭的方向顯示滲透流速的指向。探測(cè)數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)施工堵漏指明了位置和方向。

圖5 車(chē)站基坑聲納滲流三維流速等值線截圖

圖6 車(chē)站基坑聲納測(cè)量滲漏方向圖

3.3 灌漿堵漏效果分析

針對(duì)探明的連續(xù)墻滲漏通道，本項(xiàng)目進(jìn)行了灌漿處理，然后再次進(jìn)行聲納滲漏檢測(cè)。選擇7#孔和14#孔前后兩次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析處理方案的效果?？傮w上，灌漿封堵效果顯著，達(dá)到預(yù)期的處理效果。如圖7、圖8所示，從局部堵漏效果看，14#孔主要滲漏通道得到了顯著抑制，處理后的滲漏流速及滲漏量極小，可以忽略不計(jì)。相比而言，如圖9所示，7#孔的灌漿封堵效果不如14#孔，該孔處理后的平均滲透流速在3×10-4cm/s至5×10-4cm/s之間，仍然偏大。但較處理前，7#孔的滲漏流速已顯著降低，主要的滲漏通道也得到了有效控制。

本項(xiàng)目在針對(duì)性局部灌漿后，再次觀測(cè)了坑內(nèi)降水效果。如表1所示，堵漏灌漿前（9月份）和灌漿后（10月份）進(jìn)行對(duì)比，3個(gè)端頭降水井（JSJ5、JSJ6、JSJ7）的坑內(nèi)排水量均有所下降。特別是端頭降水井JSJ7，其排水總量是14#、15#和16#等3個(gè)孔排水量之和，減小了83.5%，坑內(nèi)降水得到了有效控制。

圖7 車(chē)站14#孔灌漿前后滲漏流速對(duì)比曲線

圖8 車(chē)站14#孔灌漿前后聲納滲漏檢測(cè)對(duì)比曲線

圖9 車(chē)站7#孔灌漿前后滲漏流速對(duì)比曲線

表1 灌漿前后端頭降水井排水量對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

采用聲納滲漏檢測(cè)法對(duì)24幅地下連續(xù)墻止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行滲流檢測(cè)，可快速、準(zhǔn)確地確定滲漏通道的位置。在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)局部封堵灌漿，從而使基坑滲漏水量迅速得到控制，并驗(yàn)證了灌漿效果。聲納滲漏檢測(cè)為深基坑止水結(jié)構(gòu)滲漏檢測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)治理、應(yīng)急事故處置等方面提供了完整的滲漏缺陷解決方案，為同類(lèi)型地鐵深基坑地下連續(xù)墻缺陷堵漏提供了可靠的技術(shù)參考。