城市電纜工程勘察新型物探方法的應(yīng)用

(福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350108)

1 工程概況

福州某220 kV線路工程為新建雙回220 kV和多回110 kV地下電纜線路，線路長(zhǎng)度約6.5 km，全線采用非開(kāi)挖頂管隧道方案，鋼筋混凝土頂管外徑3.8 m。

本工程路徑沿市政主干道的機(jī)動(dòng)車(chē)道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道及綠化帶等布置。沿線布置工井19個(gè)，副井8個(gè)，工井平面形狀采用矩形(8 m×7 m)、方形(6 m×6 m)、圓形(直徑6 ～8 m)，井底埋深約13 ～22 m，工井和副井均采用沉井法施工，沉井周?chē)捎脙膳鸥邏盒龂姌夺∧?，沉井底部采用滿堂高壓旋噴樁進(jìn)行固砂止水。該工程于2016年5月竣工投產(chǎn)。

2015年4月－5月，在本工程G10工井附近，通過(guò)對(duì)鄰近市政污水管網(wǎng)5#井路面開(kāi)挖，揭示其井頂平面位置和尺寸，但無(wú)法核實(shí)其下部結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。該5#井底與本段設(shè)計(jì)頂管安全距離不足，另外，在本工程G13－G14之間的污水管網(wǎng)YG20工井與本工程頂管也較近，存在安全距離不足風(fēng)險(xiǎn)。由于無(wú)法搜集到已有污水管工井準(zhǔn)確資料，為確保兩處頂管方案可行性和施工安全，采用無(wú)損探測(cè)方法查明污水井的底部結(jié)構(gòu)尺寸和標(biāo)高等。

2015年6月，本工程G10－G11段原直線頂管設(shè)計(jì)方案在頂管施工前更改為曲線頂管方案(長(zhǎng)約250 m)，由于該線段路徑位于主干道的機(jī)動(dòng)車(chē)道及十字路口，難以采用鉆探方法進(jìn)行補(bǔ)充勘察，采用了近年來(lái)在地鐵勘察中應(yīng)用效果較好的微動(dòng)探測(cè)方法，同時(shí)輔以少量鉆探工作。

2015年8月，本工程穿越光明港的G7－G8段頂管施工前，施工單位在河岸兩側(cè)工井(G7－G8段)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)填土含碎塊石，擔(dān)心可能遇到光明港河岸拋石等障礙物，為確保施工安全和進(jìn)度，需提前詳細(xì)探明光明港河道內(nèi)及駁岸處地下障礙物的分布情況，采用非開(kāi)挖定向鉆拉管進(jìn)行初步探測(cè)，拉管成孔后，在管間進(jìn)行地震波層析成像探測(cè)工作。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

沿線工程場(chǎng)地位于福州盆地東南部，屬于海陸交互相沉積盆地地貌，沿線地形較平坦，路徑南段(鰲峰路、排尾路)距離閩江較近。

沿線地下市政管線較多、較復(fù)雜，地下管線的埋深一般在2 ～5 m，雨水管、污水管埋深稍大，管底埋深一般4 ～7 m，采用拉管敷設(shè)段埋深5 ～10 m，局部采用拉管敷設(shè)的煤氣管道埋深較大，弧線最低點(diǎn)深度約12 m，沿線穿越光明港等內(nèi)河5條，地表和地下環(huán)境條件較復(fù)雜。

2.2 沿線場(chǎng)地土層分布

(1)人工填土：灰－灰黃色，松散，稍濕，多為老填土，一般厚度3 ～6 m，局部厚約10 m，地表多為混凝土或?yàn)r青路面，下部為碎石、砂及粘性土等，局部地下1 m殘留有舊水泥路面。

(2)粘土：灰黃色，可塑，零星分布，厚度0.40 ～ 1.60 m。

(3)淤泥：深灰－灰黑色，流塑－軟塑，沿線從北往南分布由厚變薄(厚度0.7 ～16.9 m)，局部地段夾粉細(xì)砂層。

(4)中細(xì)砂：淺灰－灰黃色，飽和，松散－稍密，局部夾薄層淤泥，個(gè)別地段夾少量碎塊石。分布于路徑南段，往南厚度漸變大，厚度最大約14 m。

(5)粉質(zhì)粘土：淺灰－灰黃色，可塑，分布于路徑北段，厚2.5 ～5.4 m。

(6)淤泥、淤泥質(zhì)粘土：深灰色，軟塑，局部夾薄層粉砂，厚度1 ～8 m，路徑北段厚度較大。

(7)含泥中細(xì)砂：灰色，稍密－中密，飽和，局部夾淤泥質(zhì)土透鏡體，分布于路徑南段，厚度一般大于5 m。

(8)粉質(zhì)粘土夾砂：灰黃－灰白色，可塑，夾薄層中砂，局部分布，厚度約5 m。

(9)淤泥質(zhì)粘土：深灰色，軟塑，局部分布，厚度約5 m。

(10)中砂：沖洪積，灰色，中密，飽和，埋深超過(guò)30 m。

2.3 地下水

沿線各砂層含水量較豐富，局部地表填土中的上層滯水水量不大，沿線地下水埋深較淺(1.0 ～2.5 m)，地下水對(duì)建筑材料腐蝕性微弱。

3 微動(dòng)探測(cè)

3.1 適用條件與探測(cè)目的

本工程G10－G11改線段位于交通主干道，沿線地下市政管線較多，無(wú)法采用較大密度的鉆探補(bǔ)勘。微動(dòng)探測(cè)可在交通主道上利用夜間作業(yè)，且作業(yè)時(shí)間短、不涉及破土開(kāi)挖等影響，可以避免對(duì)交通的影響和路面破壞。利用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)可查明沿線地下一定深度范圍內(nèi)較大或分布較廣泛的不良地質(zhì)體分布情況，找出障礙物的大致位置，進(jìn)行先期處理，或者排除障礙物存在的可能性，提供頂管施工的安全區(qū)，為頂管施工提供預(yù)警信息。

地下障礙物與周?chē)陌馏w有如下差別：密度差別；S波速度差別；S波波阻抗差別。障礙物具有致密、堅(jiān)硬的物理特性，相對(duì)于周?chē)谒南低翆佣跃鶠楦咚袤w。

3.2 微動(dòng)探測(cè)原理與方法

微動(dòng)探測(cè)是一種基于微動(dòng)臺(tái)陣探測(cè)的地球物理探測(cè)方法，采用類空間自相關(guān)法—SPAC 法從微動(dòng)臺(tái)陣記錄中提取瑞雷波頻散曲線，計(jì)算視S波速度Vx，再經(jīng)插值光滑計(jì)算獲得二維視S波速度剖面，視S波速度剖面反映地層波阻抗界面，進(jìn)而反映地層巖性變化或土石分界面。

觀測(cè)系統(tǒng)一般采用正五邊形圓形陣列，每個(gè)圓形陣列由放置于正五邊形頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的6個(gè)擺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，正五邊形頂點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離稱為觀測(cè)半徑R。

3.3 工程應(yīng)用簡(jiǎn)介

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件的不同，本次探測(cè)使用SWS－6工程地震儀系統(tǒng)，傳感器采用三分量檢波器，采用2.0 m半徑的臺(tái)陣進(jìn)行觀測(cè)，按5 m測(cè)點(diǎn)間距逐點(diǎn)進(jìn)行，以形成二維剖面觀測(cè)，共完成47個(gè)圓形臺(tái)陣、282個(gè)檢波點(diǎn)的H/V曲線，在各測(cè)點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行微動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

通過(guò)類空間自相關(guān)法從微動(dòng)記錄中提取瑞雷波頻散曲線，由相速度頻散曲線計(jì)算獲得視S波速度剖面。從探測(cè)區(qū)段H/V等值線圖(見(jiàn)圖1)、面波相速度等值線圖(見(jiàn)圖2)和S 波視層速度剖面圖(見(jiàn)圖3)綜合分析評(píng)價(jià)，探測(cè)區(qū)段除表層反映為局部不均勻體外，其余頻率范圍、波速變化較為平緩、自然，未見(jiàn)明顯波阻抗異常、較大高速異常體，G10－G11線段評(píng)價(jià)為頂管頂進(jìn)施工安全區(qū)。

圖1 探測(cè)區(qū)段H/V等值線圖

圖2 探測(cè)區(qū)段面波相速度等值線圖

圖3 探測(cè)區(qū)段S波視層速度剖面圖

4 地震波層析成像

4.1 適用條件

污水管網(wǎng)5#工井與YG20標(biāo)段工井段，由于被探測(cè)目標(biāo)體底部混凝土構(gòu)筑物與周邊介質(zhì)存在顯著的波速差異，滿足地震波跨孔掃描探測(cè)工作必要的地球物理勘探條件；探測(cè)區(qū)域地下主要地層為雜填土和中細(xì)砂層，具備較好的地震波傳播條件，當(dāng)發(fā)射孔與接收孔間距小于20 m時(shí)，人工激發(fā)地震波傳播到接收孔時(shí)能量較強(qiáng)，滿足跨孔探測(cè)的數(shù)據(jù)采集條件；現(xiàn)場(chǎng)工作前向探測(cè)鉆孔中灌滿清水，使得激發(fā)探頭和檢波器串分別與地下介質(zhì)較好的耦合，為地震波跨孔掃描探測(cè)創(chuàng)造良好的工作條件。

圖4 污水管網(wǎng)5#工井探測(cè)點(diǎn)平面位置圖

4.2 工程應(yīng)用簡(jiǎn)介

通過(guò)在預(yù)探測(cè)工井兩側(cè)布設(shè)2個(gè)鉆孔(見(jiàn)圖4、圖5)，鉆孔間距分別為10.3 m、12.4 m，進(jìn)行地震波跨孔掃描探測(cè)，數(shù)據(jù)采集時(shí)地震波激發(fā)點(diǎn)和檢波點(diǎn)間距均為0.5 m。原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)合并、建立坐標(biāo)、初至?xí)r間拾取、層析反演成像及surfer 軟件圖像處理等，生成跨孔CT層析成像剖面圖(見(jiàn)圖6、圖7)。

圖5 污水管網(wǎng)YG20工井探測(cè)點(diǎn)平面位置圖

圖6 污水管網(wǎng)YG20工井跨孔CT層析成像剖面圖

圖7 污水管網(wǎng)5#工井跨孔CT層析成像剖面圖

探測(cè)結(jié)果：污水管網(wǎng) 5#工井位于剖面樁號(hào)2.5～8.5 m位置、底部構(gòu)筑物高程0.25～－2.4 m，底板厚度約2.65 m；污水管網(wǎng)YG20工井位于剖面樁號(hào)2.0～10.0 m 位置、底部構(gòu)筑物高程－0.26～－3.63 m，底板厚度約3.37 m。

5 定向鉆拉管結(jié)合層析成像探測(cè)

本工程G7－G8 段穿越光明港，光明港河床寬約122 m，河床面高程約1.6～2.9 m。采用非開(kāi)挖定向拉管方法進(jìn)行初步探測(cè)，拉管成孔后進(jìn)行地震波層析成像(CT)探測(cè)。

5.1 定向鉆拉管初步探測(cè)結(jié)果

通過(guò)拉管施工設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，入鉆點(diǎn)至G8工井段鉆進(jìn)過(guò)程中較為順利，施工過(guò)程鉆頭轉(zhuǎn)速、扭力等數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn)，故推測(cè)河道段高程－6.7～－10.7 m范圍內(nèi)未遇到地下障礙物；另根據(jù)定向鉆過(guò)程中鉆頭轉(zhuǎn)速及扭力等參數(shù)分析，距離入鉆點(diǎn)180 m 位置處，高程－1.5～－3.2 m范圍內(nèi)，遇到障礙物，推測(cè)為G8工井的圍護(hù)樁，隨后在相應(yīng)深度水平調(diào)整鉆進(jìn)方向，繞過(guò)圍護(hù)樁及G8工井繼續(xù)鉆進(jìn)至地面。

5.2 地震波層析成像探測(cè)及結(jié)果

定向拉管沿?cái)M建頂管路徑布設(shè)4條PE套管，呈矩形對(duì)稱布置在頂管外圍，矩形長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)兩套管間距5 m，矩形短邊對(duì)應(yīng)兩套管間距2.89 m，擬建頂管與本次套管相對(duì)位置及探測(cè)范圍見(jiàn)圖8。

地震波層析成像(CT)數(shù)據(jù)采集時(shí)，在1條PE套管內(nèi)放置激震源，另1套管內(nèi)放置檢波器接收震動(dòng)波，沿矩形長(zhǎng)邊及對(duì)角線兩個(gè)方向探測(cè)，共可探測(cè)4條剖面，探測(cè)區(qū)覆蓋頂管上下邊界及中心區(qū)域。

圖8 頂管與套管相對(duì)位置及探測(cè)范圍示意圖

層析成像探測(cè)剖面共8條，其中典型剖面見(jiàn)圖9、圖10。剖面顯示探測(cè)區(qū)間內(nèi)存在多處高速異常，綜合定向鉆初步探測(cè)結(jié)果、場(chǎng)地附近的工程地質(zhì)資料以及波速異常的形態(tài)和波速變化情況等分析，這些高速異常均為密實(shí)砂層的反映，探測(cè)區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的地下障礙物異常反映。

圖9 地震波層析成像W1-3(N)剖面圖

圖10 地震波層析成像W1-3(S)剖面圖

6 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)具體電纜頂管工程微動(dòng)探測(cè)技術(shù)方法的實(shí)際應(yīng)用，查明了該工程局部線段分布有密實(shí)砂層，未見(jiàn)明顯波阻抗異常、較大高速異常體，排除障礙物存在可能性，評(píng)價(jià)為頂管頂進(jìn)施工安全區(qū)。微動(dòng)探測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于城市電纜隧道工程可研路徑選擇時(shí)，當(dāng)沿線地質(zhì)資料欠缺，或局部預(yù)選電纜路徑可能存在頂管或盾構(gòu)施工難以實(shí)施，需要采用物探技術(shù)手段初步查明沿線地下障礙物的分布情況；當(dāng)詳細(xì)勘察階段鉆探難以布置，或需要在鉆探點(diǎn)之間進(jìn)行連續(xù)性補(bǔ)充勘察時(shí)，也可采用。該探測(cè)方法是一種有效的面域或線狀物探普查手段，也是城市電纜頂管隧道工程施工勘察的有效手段。由于現(xiàn)階段該方法應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還不太豐富，以及成本相對(duì)較高，一般工程較少采用。

(2)地震波跨孔層析成像(CT)方法，通?？捎糜谔綔y(cè)規(guī)模小、要求精度高的地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸，可以為設(shè)計(jì)施工提供較準(zhǔn)確的不明地下結(jié)構(gòu)物的空間形狀數(shù)據(jù)信息。

(3)非開(kāi)挖水平定向鉆進(jìn)拉管方法是城市地下管道工程設(shè)計(jì)施工中常見(jiàn)的非開(kāi)挖施工技術(shù)，近年來(lái)在地下電纜工程施工中也有采用，但是拉管直徑一般較小。非開(kāi)挖水平定向鉆進(jìn)也是電纜頂管或盾構(gòu)隧道工程施工中有效的超前勘察手段。當(dāng)采用在拉(套)管中進(jìn)行地震波層析成像(CT)探測(cè)，可進(jìn)一步詳細(xì)查明設(shè)計(jì)施工隧道區(qū)段的地下障礙物情況，是大直徑電纜隧道補(bǔ)充勘察的有效手段。其主要缺點(diǎn)，一是須先完成拉管施工，成本較高；二是受限于CT設(shè)備電纜長(zhǎng)度，一次探測(cè)長(zhǎng)度有限。