基巖爆破和注漿處理效果的物探檢驗技術(shù)研究

黨如姣

(中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南 洛陽 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)過程中遇到了許多新的挑戰(zhàn)，目前對爆破效果和注漿效果檢驗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［1］。物探法是利用所探測目標(biāo)體和周圍介質(zhì)之間的物性差異，探測出目標(biāo)體的形態(tài)特征，然后對其進(jìn)行預(yù)處理，以保證盾構(gòu)機的順利推進(jìn)［2］。文獻(xiàn)［3］結(jié)合廣州地鐵三號線某盾構(gòu)區(qū)間工程的施工實例，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號線(機場線)和6號線二期工程多次開展孤石地球物理勘探方法試驗和專題研究，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。文獻(xiàn)［6］在臺山核電引水隧洞海域段利用地震反射波CDP(共反射點)疊加技術(shù)在海面上對花崗巖孤石進(jìn)行了探測。文獻(xiàn)［7］在深圳地鐵7號線利用二維微動剖面技術(shù)探測“孤石”。文獻(xiàn)［8］在MATLAB平臺上實現(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，同時為其與實際三維空間建立聯(lián)系。文獻(xiàn)［9］對礦床(體)三維空間定位預(yù)測的物探技術(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)對于地下目標(biāo)體的探測大多是定性評價，很難達(dá)到定量評價，主要原因是在實際工程施工中經(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。本文物探探測結(jié)合鉆孔資料綜合分析，在一定程度上實現(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)施工前必須對基巖進(jìn)行爆破處理，再對地層進(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?；◢弾r、強風(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 探測方法及原理

2.1 探測方法的選擇

結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)特點和施工環(huán)境(地表條件惡劣且多變，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價，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。

表1 不同物探方法對比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爆破和注漿施工全過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，在施工結(jié)束之后結(jié)合面波地震法，對整個工區(qū)進(jìn)行探測，最終給出綜合評價。該項目需檢驗隧道范圍內(nèi)的基巖爆破和注漿處理效果，對于爆破效果的檢驗主要是檢驗爆破后基巖的塊徑大小，對于注漿效果的檢驗主要是檢驗漿液分布范圍以及地層密實度。

2.2 探測原理

2.2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法在我國工程勘查中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并取得了較好的探測效果［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，通過研究外電場作用下地下半空間中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，來獲得地下介質(zhì)的視電阻率信息。在采集數(shù)據(jù)時，通過程序控制，每次選擇電極陣中4個電極作為A、B供電電極和M、N測量電極，儀器自動測量AB間供電電流和MN間測量電位，再利用相關(guān)公式計算能反映地下介質(zhì)真實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)來獲得工區(qū)內(nèi)注漿后的強度信息［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)檢測條件下的標(biāo)準(zhǔn)探測值(電阻率法及面波法探測指標(biāo))進(jìn)行作差、對比的方法，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價標(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，隨著深度的增加，介質(zhì)的橫波速度一般也會變大。對注漿效果的判斷，更多的是同深度介質(zhì)的對比。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。面波地震法解譯評價標(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比驗證，以克服物探解譯的多解性;同時，上述物探探測結(jié)果還需結(jié)合現(xiàn)場鉆孔資料對探測結(jié)果進(jìn)行驗證，以提高解譯準(zhǔn)確度。

4 探測結(jié)果解譯與分析

4.1 高密度電阻率法對隧道中軸線的監(jiān)測

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

圖2 左線中軸線地面高密度電阻率法測線布置示意圖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結(jié)果。在探測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結(jié)果，此時探測目標(biāo)區(qū)內(nèi)已全部注漿完畢，故此次探測的目的在于監(jiān)測注漿效果。在圖5(c)的反演剖面中紅圈所畫位置(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，施工過程中不可避免地會產(chǎn)生各種振動，這些振動對多道面波測量數(shù)據(jù)是一種干擾信號，會降低數(shù)據(jù)的信噪比和影響探測結(jié)果的準(zhǔn)確度。測線所過位置地表條件不一致(如地表水、地表軟泥以及碎石渣等)，這些因素會進(jìn)一步地降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量，使探測結(jié)果與真實數(shù)值有差異。通過數(shù)據(jù)處理，雖能減小這些因素的影響，但卻無法做到完全的消除。

圖6為左線中軸線的面波地震法探測結(jié)果，此次探測的目的在于監(jiān)測左線中軸線的注漿效果。測線與工區(qū)的位置關(guān)系見圖6(a)中的黑實線。面波地震法(MASW)所得的二維橫波速度剖面見圖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，因為面波地震法所得的橫波速度實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)受地表條件的影響較大。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，但個別地方有差異。對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，分析其原因為:在ZCK7+715～+720區(qū)間從小里程端延伸過來的基巖面突然下降，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結(jié)果更合理。

2)地面高密度電阻率法探測在該工區(qū)復(fù)雜施工條件下，其實施難度要小一些，工作量和成本相對也要小一些，作為地球物理重復(fù)測量監(jiān)測技術(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，從而推測了解其施工質(zhì)量的狀況，實現(xiàn)對爆破和注漿施工質(zhì)量的監(jiān)測;但其只能得到中軸線上的情況，無法反映工區(qū)地下的全部情況。

3)面波地震法(多道面波技術(shù))在此次探測中由于地表條件較差，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二維剖面地下介質(zhì)的橫波速度分布情況，從而能推測出施工質(zhì)量的狀況;但其野外觀測效率較低，對野外條件要求較高，處理時間較長，故該方法不適用于需要快速得到探測結(jié)果的監(jiān)測工作。

目前在國內(nèi)物探方法大多被應(yīng)用于探測和檢測工作中，利用物探手段對爆破和注漿全過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的在調(diào)研的資料中還沒有發(fā)現(xiàn)。物探法對于最終結(jié)果大多是定性的評價分析，在該項目中一定程度上實現(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。實現(xiàn)對爆破和注漿施工質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測和最終檢驗評價，對爆破和注漿施工有一定的指導(dǎo)作用。

本文中的定量分析，仍然是將物探探測結(jié)果結(jié)合實際鉆孔驗證資料總結(jié)出來的，如果從真正意義上實現(xiàn)定量分析，物探法的探測精度還需要進(jìn)一步提高。

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