地鐵拱頂襯砌上方土體中的隱患的探查

鐘世航，劉傳新，范鵬舉，王 榮，王澤峰

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，南京210017 ；3.北京水工資環(huán)新技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100044）

1 引言

地鐵開挖和襯砌之后盾構(gòu)施工時，拱部管片背后未填實(shí)的空區(qū)和空洞、鉆爆法開挖時初期支護(hù)的不良狀態(tài)和初期支護(hù)與襯砌間的空區(qū)一直是業(yè)界關(guān)注的問題。20 世紀(jì)80年初，歐洲有許多論文提出采用盾構(gòu)施工地鐵區(qū)間隧道，管片背后的空區(qū)采用注漿的方式是不可能填實(shí)的，必須采用新的技術(shù)解決，并有多篇論文介紹了鋼纖維壓縮混凝土的試驗資料。1984年后，鐘世航和王振信曾在多個場合提到采用盾構(gòu)施工不能避免地面下沉，其原因是襯砌背后的空區(qū)難以用普通的回填注漿方法充實(shí)，但當(dāng)時只有上海地鐵采用盾構(gòu)，意見難以得到重視。2000年后我國地鐵大量興建，采用盾構(gòu)施工的越來越多，業(yè)界對地鐵區(qū)間隧道襯砌后的空區(qū)注漿充填十分重視，也感到注漿效果不理想，并不能防止地面下沉，并感到有時漿液難以注入。更多地關(guān)注施工時地面的下沉，而對運(yùn)營之后會不會因這些空區(qū)引起更嚴(yán)重的災(zāi)害和地鐵施工時出現(xiàn)坍方后可能對地面造成的影響，則缺少直觀的認(rèn)識，也缺少檢測手段。

筆者在北京地鐵6號線穿過京哈鐵路下方段施工后襯砌背后空區(qū)探查、南京地鐵4號線的探查2個實(shí)例，得到了襯砌后空區(qū)造成其上方土體的坍落、松動的資料，本文介紹有關(guān)探查成果。

2 檢測方法

2.1 陸地聲納法

檢測方法的全稱為極小震-檢距超寬頻帶彈性波反射單點(diǎn)連續(xù)剖面法，特點(diǎn)是[1－2]：（1）陸地聲納法是近于0 震-檢距的彈性波反射法，可避開直達(dá)波、折射波、面波的干擾，由于入射波和反射波幾乎垂直界面，不存在轉(zhuǎn)換波，不僅接收到的波形簡單，而且大大增大了反射波的能量，用1.82 kg（4磅）錘可激震得到150 m 以上深的反射波。（2）工作時不固定檢波器，提高了現(xiàn)場采集效率。（3）激發(fā)和采集10～4 000 Hz 的超寬頻帶反射波，可充分發(fā)揮和應(yīng)用頻譜的特點(diǎn)。

在探查溶洞方面，陸地聲納法的優(yōu)勢還在于：

（1）0 震-檢距的反射法，對溶洞等有限大小物體的反射同相軸為雙曲線，易識別[1－3]，見圖1、2。

（2）0.5～3 m 直徑的溶洞和頂部凹凸不平的暗河的最佳反射頻率是1 000～3 000 Hz，是陸地聲納法的最佳使用頻段[1－3]。

圖1 球體的物理模擬Fig.1 Image of physical simulation of ball

圖2 球體的數(shù)值模擬Fig.2 Image of numerical simulation of ball

（3）城市鬧市區(qū)的振動噪聲頻率在250 Hz 以下，陸地聲納法的最佳使用頻段在500～3 500 Hz，可避開城市振動噪聲而在鬧市區(qū)正常工作[4]。

2.2 微分電測深

微分電測深是電阻率法中的一種方法，在地面上布置4個電極A、B、M、N，通過A、B 電極向地下供電，另2個電極M、N 測量電位差，計算出地下一定范圍的電阻率，其中MN⊥AB，垂直AB移動MN，隨著AM 的增大，探查的深度加大。

3 北京地鐵6號線穿過京哈鐵路下方段施工后襯砌背后空區(qū)探查

3.1 概 況

探查任務(wù)是地鐵6號線二期工程玉帶河大街站～郝家府站區(qū)間，左測線里程為左K38+533～+598、右測線為右K38+513～+594 段地鐵襯砌拱頂背后上方隱患探查。探查段的區(qū)間隧道在地面下約21 m，是盾構(gòu)開挖。地面上填筑了4～5 m 高的鐵路路基，路基上有道砟、軌枕、鋼軌。地面以下是人工堆積、再下為第四紀(jì)沉積層。隧道拱部的人工堆積填土為房渣土、雜填土及粉土、細(xì)粉砂、中粉砂。

采用陸地聲納法和微分電測深法進(jìn)行了探查。陸地聲納法設(shè)了3 條測線，以約30°角斜穿鐵路從路基上穿過，其中右測線和左測線均在地鐵區(qū)間隧道的拱頂上方沿隧道中線，測點(diǎn)距=震-檢距=1 m。微分電測深的No.1 點(diǎn)和No.2 點(diǎn)分別在兩座隧道的正上方。探查是在剛開挖并完成了襯砌不久進(jìn)行的。

3.2 探查結(jié)果

微分電測深清晰地分出了各種土層的分界，給出了隧道拱頂襯砌的外緣位置，為陸地聲納法確定襯砌背后的空區(qū)確定了深度。陸地聲納法則探查了空區(qū)及其位置。

圖3為左測線的陸地聲納時間剖面及其判釋結(jié)果。在60 m 長的測線上可以看到3 處較大的空區(qū)（赭石色標(biāo)示了空區(qū)反射同相軸），寬2～4 m，高1～3 m。從B 空區(qū)還可見，空區(qū)有向上發(fā)展的蹤跡。從探查情況看，用盾構(gòu)開挖，管片背后的空區(qū)還是比較嚴(yán)重的，在土質(zhì)不好的情況下未填實(shí)的空區(qū)還會導(dǎo)致其上方的土體垮落，使土體中的松散部分逐漸向上發(fā)展。

圖3 通州地鐵6號線左線陸地聲納時間剖面Fig.3 Landsonar time-section of left survey line of line-6 in Tongzhou,Beijing

4 南京地鐵4號線的探查

4.1 地面探查

4.1.1 概 況

在四號線鼓樓站前后區(qū)間附近段落的左線襯砌上方進(jìn)行土體破壞情況探查。該區(qū)間地質(zhì)條件變化頻繁且暗藏多而雜亂的人工活動遺存。采用陸地聲納共做了2 段：（1）CK15+815～+858 段共50 m 長。沿隧道中線設(shè)測線1，中線右1～1.5 m 設(shè)測線2，兩測線平行；（2）CK15+100～+125 段的探查，是由于在開挖到約+112 時掌子面出現(xiàn)了塌方，并有股水流入隧道，希望探查塌方的影響。測線在隧道拱頂上方沿中線布置。

4.1.2 探查結(jié)果

（1）CK15+815～+858 段

地層為秦淮河故道沖淤積土層，采用盾構(gòu)法施工。圖4為CK15+815～+858 段測線1 的陸地聲納時間剖面圖，圖中標(biāo)示的1～7和9 等異常。異常表明，在區(qū)間隧道的拱頂上方都有明顯的反映土體中的散亂的較強(qiáng)反射，反映出隧道拱部襯砌后有未充填密實(shí)的空區(qū)和空區(qū)誘發(fā)其上方的土體冒落松動，其中2、3、5、8、9、等幾處土體的松動已發(fā)展到地面瀝青公路路面之下。查閱資料得知，異常8 所處位置為施工時出現(xiàn)過坍方導(dǎo)致地面出現(xiàn)坍坑位置，異常8 中那些整齊的水平反射同相軸反映了回填時層層夯實(shí)的填土層。

上述短短43 m 地段即出現(xiàn)如此多的隱患，引人警思。

（2）CK15+100～+125 段

圖4 南京地鐵4號線左洞CK15+815－+858 段地面探查測線1 探查圖像Fig.4 Landsonar time-section on ground exploration at CK15+815－+858 of line-4 in Nanjing

圖5 南京地鐵4號線左洞CK15+100－+125 段地面探查測線探查圖像Fig.5 Landsonar time-section on ground exploration at CK15+100－+125 of line-4 in Nanjing

本段地層為崗坡上土下巖組合結(jié)構(gòu)，采用礦山法施工。CK15+100～+125 段測線在隧道上方沿中線布置，圖5為其陸地聲納時間剖面圖。圖5 中可見坍方點(diǎn)約在CK15+110 位置，這與地面下沉的中心的完全吻合（見圖6）。從圖5 可以看出，坍體上界約達(dá)地面下4～5 m，而坍方引起土體松動的寬度則達(dá)到+105，松動土體上界達(dá)到地面公路瀝青路面之下（約到+111～+112 的位置）。在+107～108 地面下約4 m 深有明顯的反映空洞的雙曲線同相軸，這可能是舊地下防空洞坍垮后的痕跡。隧道在+110坍方后流出的黑水可能是舊人防中積存的廢水。

圖6 南京地鐵4號線左洞CK15+080－+140 段地面沉降曲線Fig.6 The settlement curve at CK15+100－+125 of line-4 in Nanjing

4.2 區(qū)間隧道掌子面前方地質(zhì)預(yù)報

在地鐵4號線左洞CK15+032 掌子面向前方作了地質(zhì)預(yù)報，掌子面是風(fēng)化泥質(zhì)砂巖與風(fēng)化砂巖互層，遇水成泥狀。用陸地聲納法作預(yù)報，在掌子面上布置一條水平測線，一條鉛垂向測線，采用震-檢距=測點(diǎn)距=0.25 m。

預(yù)報資料（圖7和圖8）除了給出了巖土中的斷裂外，特別預(yù)報了+070～078 處巖體含水、+100前后為巖土分界面以及CK15+110、+197～198、+203～+204 等幾處巖土分界面上均含有含水帶其中，+070～+078 含水巖體和+110 前后巖土分界面并有滲水，均經(jīng)開挖證實(shí)。

圖7 CK15+032 掌子面陸地聲納時間剖面Fig.7 Landsonar time-section of on working face at CK15+032 feedback information

5 結(jié)論

（1）地鐵襯砌背后未填實(shí)的空區(qū)或曾出現(xiàn)較大坍方的地點(diǎn)，會導(dǎo)致其上方的土體冒落松散，有些松散甚至可直達(dá)地面，是地鐵施工和運(yùn)營時的重要隱患。以往缺少針對這方面的探查技術(shù)和工作資料，人們?nèi)鄙僦庇^的認(rèn)識。本文的實(shí)測案例給出了隱患源的直觀感性的圖像。

圖8 水平與鉛垂剖面地質(zhì)解釋圖及反饋信息Fig.8 The geological explanation of Fig.7 and feedback information

（2）由于襯砌背后的空區(qū)在土質(zhì)較差時很快誘發(fā)其上方的土體冒落，填充了空區(qū)，盡管填充的土質(zhì)并不密實(shí)，但也增加了注漿的困難—注漿壓力小了注不進(jìn)漿，壓力大了，會引起其它問題。空區(qū)上方土體的冒落，引起土體冒落處產(chǎn)生新的空洞或空區(qū)，并進(jìn)而引起更上方土體松動的連鎖反應(yīng)，有必要在技術(shù)上給以改進(jìn)或采用新的思路解決之。

通過2個工程案例，對地下工程建設(shè)和運(yùn)營中的隱患有了更深刻地認(rèn)識，如何及早了解隱患的存在和消除隱患給人們生產(chǎn)、生活帶來的安全威脅是今后要努力解決的課題。陸地聲納法是精細(xì)探查隱患的有效方法，它不受鬧市區(qū)振動干擾，也不受地下管線和其他障礙物的影響。地鐵施工時的地質(zhì)預(yù)報是必要的，特別在地鐵標(biāo)高在巖土交界線上下時，較準(zhǔn)確地預(yù)報巖土分界線位置、含水體的位置、透鏡狀砂體的位置，以及穿過巖石的區(qū)間隧道和暗挖車站中的斷層、破碎帶及含水體等，對指導(dǎo)地鐵的施工和保證運(yùn)營安全能起很好的作用。

[1]鐘世航,孫宏志,王榮.陸地聲納法[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2012.

[2]鐘世航,孫宏志,李術(shù)才,等.隧道及地下工程施工中巖溶裂隙水及斷層、溶洞等隱患的探查、預(yù)報[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(增刊1):3298－3327.ZHONG Shi-hang,SUN Hong-zhi,LI Shu-cai,et al.Detection and forecasting for hidden danger of karst fissure water and other geological disasters during construction of tunnels and underground projects[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,31(Supp.1):3298－3327.

[3]鐘世航,孫宏志,王榮,等.陸地聲納法在探查單個溶洞方面的優(yōu)勢[J].物探與化探,2007,31(增刊):111－115.ZHONG Shi-hang,SUN Hong-zhi,WANG Rong,et al.The superiority of landsonar in karst cave survey[J].Geophysical &Geochemical Exploration,2007,31(Supp.):111－115.

[4]鐘世航,王榮.陸地聲納法在地面勘查及鬧市區(qū)勘探的應(yīng)用[C]//中國地球物理第二十六屆年會.北京:地震出版社,2010:694－695.