盾構(gòu)地鐵隧道孤石探測(cè)方法及研究展望

蔡洪美

(福建省建設(shè)工程物探試驗(yàn)檢測(cè)中心，福建 福州 350011)

1 引 言

近年來(lái)，我國(guó)地鐵建設(shè)飛速發(fā)展。然而在東南沿?；◢弾r地區(qū)，由于風(fēng)化差異導(dǎo)致孤石與基巖凸起等不良地質(zhì)體頻現(xiàn)。這些孤石可出現(xiàn)在殘積土、全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖體內(nèi)，其尺寸大小、分布無(wú)規(guī)律性。孤石形狀各異，大小從幾十厘米到幾米，埋深10m～30m，強(qiáng)度可達(dá)200MPa以上[1]。孤石給隧道掘進(jìn)過(guò)程中的盾構(gòu)機(jī)造成嚴(yán)重威脅，輕則造成盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)損傷，重則造成刀頭偏移、盾構(gòu)機(jī)移位等。另外，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)孤石時(shí)振動(dòng)很大，刀盤(pán)壓力較難控制，經(jīng)常出現(xiàn)刀盤(pán)被卡、噴涌、坍塌，誘發(fā)地面不均勻沉降，引起周邊構(gòu)筑物開(kāi)裂、管線損壞，對(duì)保護(hù)地面環(huán)境極為不利[2]。

在深圳、廣州、廈門(mén)和福州等地的地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中，因孤石存在造成了巨大損失。2004年2月，廣州地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)至614環(huán)進(jìn)入全長(zhǎng)348m孤石地層，歷時(shí)8個(gè)月先后換刀15次，更換各類(lèi)刀具251把；2005年3月，掘進(jìn)至ZDK2+381.86球狀風(fēng)化區(qū)段，歷時(shí)73天，更換滾刀40把[3]。2014年12月，廈門(mén)地鐵1號(hào)線集誠(chéng)區(qū)間掘至ZDK24+181遇一個(gè)直徑3.5m的孤石，刀盤(pán)被卡住，后來(lái)采用旋挖處理，造成盾構(gòu)掘進(jìn)中斷約3個(gè)月[4]。廈門(mén)地鐵2號(hào)線在穿越海底時(shí)突遇直徑幾十厘米的孤石群，不得不對(duì)泥水平衡的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)，采用人工破石、取石的方法進(jìn)行處理。因此，在花崗巖地區(qū)盾構(gòu)隧道施工中，預(yù)先對(duì)孤石進(jìn)行探測(cè)，并采取適當(dāng)措施進(jìn)行處理十分必要。然而，由于城市環(huán)境的復(fù)雜性，各種探測(cè)方法均有其適用性和優(yōu)缺點(diǎn)。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)若干城市地鐵隧道孤石探測(cè)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合廈門(mén)地鐵隧道孤石探測(cè)的結(jié)果，總結(jié)其中經(jīng)驗(yàn)，為今后孤石探測(cè)提供參考。

2 孤石探測(cè)方法

2.1 加密鉆孔法

加密鉆孔法是目前孤石探測(cè)中最為常用和可靠的方法，這種方法鉆孔間距通常控制在2.5m～20m之間，沿隧道軸線方向布設(shè)一排或兩排鉆孔，采用該法鉆取的孤石樣品直觀、可靠，不受孤石深度的限制，但該法對(duì)孤石有無(wú)的判斷具有“一孔之見(jiàn)”的局限性，無(wú)法判斷孔間孤石的分布情況，即存在較大的孤石盲區(qū)。

以盾構(gòu)隧道直徑為6.28m、鉆探直徑90mm的孤石探測(cè)為例，單個(gè)鉆孔能夠揭示各個(gè)直徑孤石的概率如圖1所示?？梢钥闯?，以常規(guī)5.0m鉆探間距為例，對(duì)于直徑3.0m大的孤石，其揭示概率僅為25%；隨著鉆孔間距的擴(kuò)大和孤石直徑的減小，孤石揭示概率越來(lái)越低。另外，在城市環(huán)境內(nèi)進(jìn)行鉆探，地下管線等構(gòu)筑物的存在使鉆探風(fēng)險(xiǎn)加大，遇到房屋時(shí)，加密鉆孔有時(shí)難以開(kāi)展。另外，加密鉆孔法具有花費(fèi)較大和耗時(shí)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

圖1 不同孤石直徑下鉆孔揭示的概率

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是各種探測(cè)方法中精度和效率最高的方法之一，有時(shí)探測(cè)效果較好。孤石和周?chē)橘|(zhì)的介電常數(shù)存在一定的差異，這為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)提供了可行性。影響地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的主要因素有多種，包括孤石埋深、大小，孤石形狀和孤石周?chē)鷰r土體介質(zhì)等[5]。孤石在雷達(dá)圖上呈現(xiàn)典型的拋物線，孤石越接近于球形，拋物線越規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，可以根據(jù)拋物線形進(jìn)行孤石判別。

劉成禹等對(duì)埋深0.5m的幾種不同大小的孤石進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)波在孤石處出現(xiàn)了明顯的弧形反射，反射弧的張開(kāi)寬度隨孤石直徑的增大而增大，孤石位置處的反射波振幅明顯比其它位置大，反射弧弧頂對(duì)應(yīng)的深度即為孤石的實(shí)際埋深[6]，如圖2所示(左側(cè)為雷達(dá)反射波形圖，右側(cè)為孤石中間、左側(cè)的單道波形圖)。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)孤石探測(cè)試驗(yàn)(孤石直徑15cm)[6]

采用地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)孤石時(shí)要排除地面干擾的影響，如地面電線、廣告牌、橋梁等，其干擾信號(hào)也呈現(xiàn)明顯的弧形，但張開(kāi)寬度一般較大，弧形規(guī)則，一般無(wú)振蕩。盾構(gòu)隧道埋深一般較大，選擇低頻天線(如100MHz及以下)探測(cè)時(shí)，有時(shí)弧形并不明顯，此時(shí)應(yīng)從反射波能量、振幅或同相軸錯(cuò)段等情況進(jìn)行判別。

曹權(quán)結(jié)合深圳地鐵11號(hào)線對(duì)某區(qū)間孤石進(jìn)行了探測(cè)，孤石深度位于16.0m～20.0m處。該孤石處于花崗巖全風(fēng)化層中，如圖3所示。進(jìn)行的鉆孔驗(yàn)證結(jié)果表明，探測(cè)效果較為理想[7]。

圖3 孤石地質(zhì)雷達(dá)圖[7]

圖4是廈門(mén)某孤石集中發(fā)育地區(qū)的孤石探測(cè)結(jié)果，地面為瀝青混凝土道路，探測(cè)采用100MHz低頻天線，在35m長(zhǎng)度上存在3塊孤石，埋深約為3.0m，孤石直徑處于1.0m～1.5m之間。圖中右側(cè)反射波雜亂，此處原為沖溝，為塊石回填區(qū)。

圖4 孤石探測(cè)結(jié)果

2.3 高密度電法

如果場(chǎng)地條件開(kāi)闊，如荒地、道路和綠化用地等，采用高密度電法對(duì)盾構(gòu)孤石進(jìn)行探測(cè)也是一種較好的方法。由于孤石與周?chē)橘|(zhì)的電性存在一定差異，采用程控電極轉(zhuǎn)換器，由微機(jī)控制和選擇電極，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效快速采集。沿隧道縱向軸線布設(shè)電極測(cè)線，測(cè)得地層縱向電性變化情況，同時(shí)具備電剖面法和電測(cè)深法兩種方法的優(yōu)勢(shì)。軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理后，可自動(dòng)生成各測(cè)深點(diǎn)曲線及各剖面層或整體剖面的圖像[8]。高密度電法的處理結(jié)果可讀性強(qiáng)，相對(duì)較為容易實(shí)現(xiàn)孤石判別。

在操場(chǎng)砂坑里埋設(shè)3塊孤石，直徑20cm～30cm，深度為0.3m，間距為1.5m。圖5是采用高密度電法進(jìn)行孤石探測(cè)的試驗(yàn)布置圖，電極距為0.3m，采用30道電極。圖6和圖7是相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，可以看出，溫納裝置和偶極裝置均能探測(cè)出孤石的存在，高阻體深度與實(shí)際深度基本一致。溫納裝置在水平方向上的分辨率略差，不能將3塊孤石的水平準(zhǔn)確位置反映出來(lái)，出現(xiàn)一片高阻體。偶極裝置可以將3塊孤石的水平位置分辨出來(lái)，可見(jiàn)其在水平方向上的分辨率高于溫納裝置。

圖5 高密度電法探測(cè)孤石的試驗(yàn)布置圖

圖6 溫納裝置探測(cè)孤石的反演結(jié)果

圖7 偶極裝置探測(cè)孤石的反演結(jié)果

采用高密度電法進(jìn)行孤石探測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇合適的電極距和電極排列方式。電極距越小，探測(cè)的精度越高，但深度相應(yīng)地減小。針對(duì)20m左右埋深的隧道，電極距可以選擇2m～4m，采用60～120道電極。姚金以廣州地鐵盾構(gòu)隧道孤石探測(cè)為例，分析比較了溫納裝置、偶極裝置和微分裝置3種排列方式的探測(cè)結(jié)果(如圖8所示)，發(fā)現(xiàn)在相同電極距情況下，偶極裝置較溫納和微分裝置的探測(cè)精度要高，對(duì)高阻異常體及垂向上電性變化反應(yīng)較靈敏。由于偶極裝置對(duì)淺表不均勻體的反應(yīng)也較靈敏，容易導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)質(zhì)量不高甚至產(chǎn)生假異常，從而增大了解釋的難度[9]。

圖8 溫納裝置測(cè)得的孤石反演結(jié)果[9]

2.4 跨孔地震CT法

跨孔地震CT法是采用地震波射線穿透地質(zhì)體，通過(guò)對(duì)地震波走時(shí)和波動(dòng)能量變化的觀測(cè)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理反演，重現(xiàn)地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的一種物探方法[10,11]。該法與高密度電法的圖像類(lèi)似，也具有圖像直觀和容易判別的優(yōu)點(diǎn)。為了兼顧探測(cè)效果和經(jīng)濟(jì)要素，跨孔間距通常以10m～30m為宜?？缈椎卣餋T法對(duì)孤石的劃分是依據(jù)地質(zhì)體彈性縱波的波速。在通常情況下，對(duì)于新鮮完整-微風(fēng)化的花崗巖，其彈性縱波的波速大于4000m/s，中風(fēng)化孤石彈性縱波波速基本位于2500m/s～4000m/s之間，而周?chē)鷰r土體(包括殘積土、全風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層)的彈性縱波波速小于1000m/s。因此，依據(jù)波速的差異，可以較為容易地對(duì)孤石進(jìn)行識(shí)別。

圖9和圖10為廈門(mén)市軌道交通4號(hào)線某區(qū)間地鐵隧道孤石的跨孔地震CT法探測(cè)結(jié)果，該區(qū)間孤石和基巖凸起密集。在Y3～Y4段內(nèi)，地震波波速變化范圍為700m/s～3500m/s，推測(cè)波速小于2000m/s的較低速的介質(zhì)為粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層等。位于剖面樁號(hào)0～3m、埋深標(biāo)高5m～8m范圍內(nèi)分布波速約2100m/s的高速異常，推測(cè)為孤石的波速異常反映；位于剖面樁號(hào)11m～28.5m、埋深標(biāo)高-5m～-1m范圍內(nèi)波速大于2200m/s，推測(cè)為中風(fēng)化孤石或基巖隆起(受探測(cè)深度限制，未探及高速異常較完整的形態(tài))。在Z7～Z8地震波層析成像剖面圖中，位于剖面樁號(hào)2m～4m、埋深標(biāo)高-1m～1m范圍內(nèi)分布波速約2000m/s的高速異常，推測(cè)為孤石的波速異常反映；位于剖面樁號(hào)8m～12m、埋深標(biāo)高10m～13m范圍內(nèi)波速大于2200m/s，推測(cè)為中風(fēng)化孤石；位于剖面樁號(hào)2m～29.5m、埋深標(biāo)高-7.4m～-1m范圍內(nèi)波速大于2200m/s，推測(cè)為中風(fēng)化孤石或基巖隆起。

圖9 Y3～Y4地震波層析成像剖面圖

圖10 Z7～Z8地震波層析成像剖面圖

2.5 微動(dòng)法

微動(dòng)探測(cè)方法利用地球本身的微弱振動(dòng)作為信號(hào)源，其是一種由體波(P波和S波)和面波(瑞利波和拉夫波)組成的復(fù)雜振動(dòng)。微動(dòng)法基于以下基本理論[12]：(1)微動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)處理以平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論為依據(jù)；(2)信號(hào)總能量中，面波信號(hào)能量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；(3)面波在非均勻介質(zhì)中的頻散特性決定了微動(dòng)探測(cè)的可行性。從微動(dòng)信號(hào)的垂直分量中提取Rayleigh波頻散曲線的方法有兩種，一是根據(jù)空間自相關(guān)法(SPAC法)[13]，另一種是頻率-波數(shù)域法(F-K法)[14]，目前較為常用的是SPAC法。

SPAC法是從微動(dòng)信號(hào)記錄中提取瑞利波，并計(jì)算各臺(tái)陣的瑞利波頻散曲線，根據(jù)有關(guān)公式，將瑞利波相速度頻散曲線轉(zhuǎn)換成S波速度隨深度的變化關(guān)系，再通過(guò)插值、光滑計(jì)算，最終獲得視S波速度剖面[15-18]。微動(dòng)法是一種基于微動(dòng)臺(tái)陣探測(cè)的地球物理方法，觀測(cè)臺(tái)陣類(lèi)型有圓形、三角形、T形、L形和十字形等[19]。中國(guó)科學(xué)院徐佩芬和福建省建筑設(shè)計(jì)研究院劉宏岳等在這方面進(jìn)行了深入的研究與實(shí)踐[20]。該方法在福州地鐵1號(hào)線孤石探測(cè)中取得了重大技術(shù)突破，目前已經(jīng)推廣到福州、廈門(mén)、深圳、廣州的地鐵項(xiàng)目，探測(cè)效果良好，逐漸獲得了施工單位的肯定，并在行業(yè)內(nèi)相互推薦[4]。

3 討 論

3.1 探測(cè)環(huán)境復(fù)雜

盾構(gòu)地鐵隧道往往位于城市的鬧市區(qū)或建筑物集中區(qū)等環(huán)境復(fù)雜區(qū)域，加上其埋深一般較大，可達(dá)30m，這給孤石探測(cè)帶來(lái)了眾多不利影響。廈門(mén)市軌道交通2號(hào)線跨越海域，海床內(nèi)的孤石探測(cè)排除了多種方法(如地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法和微動(dòng)法等)，只能依靠鉆孔法和地震波法。這是因?yàn)?，在路面上?shí)施鉆探往往需要占用車(chē)道，會(huì)給交通帶來(lái)影響；存在建筑物時(shí)，鉆探法、地質(zhì)雷達(dá)法和高密度電法等難以開(kāi)展；地面上的各種構(gòu)筑物，如電線、立交橋、廣告牌以及馬路兩側(cè)埋設(shè)的電纜等會(huì)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)造成干擾；車(chē)道上行駛和停留的汽車(chē)，導(dǎo)致探測(cè)設(shè)備無(wú)法布展。另外，城市地下的構(gòu)筑物也對(duì)一些探測(cè)方法造成較大干擾或使之難以開(kāi)展。

3.2 探測(cè)方法選取

每種探測(cè)方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，在進(jìn)行孤石探測(cè)時(shí)，需要根據(jù)場(chǎng)地條件、探測(cè)要求和設(shè)備能力等確定出一種或幾種探測(cè)手段相互結(jié)合、相互驗(yàn)證的方法。鉆探法雖然真實(shí)可靠，但實(shí)施起來(lái)不能“以點(diǎn)帶面”。地質(zhì)雷達(dá)法的探測(cè)效率較高，但探測(cè)深度相對(duì)不大，特別是我國(guó)東南沿?；◢弾r風(fēng)化殘積土、全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化地層內(nèi)土體含水量較高，電磁波信號(hào)吸收較強(qiáng)，加上近海受到入侵海水的影響，導(dǎo)致雷達(dá)反射波圖像模糊，孤石難以判斷。在廈門(mén)殘積土地區(qū)，有時(shí)有效探測(cè)深度基本上位于10m～15m之間(100MHz天線)。高密度電法對(duì)布設(shè)測(cè)線的場(chǎng)地條件要求較高，若需要探測(cè)20m～30m深度，測(cè)線需要布設(shè)150m～200m長(zhǎng)度，地面建筑物和構(gòu)筑物經(jīng)常導(dǎo)致測(cè)線無(wú)法布設(shè)。跨孔地震CT法需要事先鉆孔，只能探測(cè)鉆孔間的孤石分布，受電火花能量影響較大，探測(cè)費(fèi)用往往較高。微動(dòng)探測(cè)法的效率較低，受地面車(chē)輛等影響，探測(cè)可靠性有時(shí)不高，還需要更多經(jīng)驗(yàn)積累。

王典在廣州地鐵3號(hào)線(機(jī)場(chǎng)線)和6號(hào)線二期工程中開(kāi)展了孤石物探方法試驗(yàn)和專(zhuān)題研究，選用了10余種物探方法，發(fā)現(xiàn)瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法和地震映像法等地面物探方法均達(dá)不到理想效果；電磁波CT探測(cè)具有一定探測(cè)效果，但對(duì)孤石位置描述存在較大差異；跨孔回聲法取得了較好的效果，但對(duì)孤石平面位置的定位，其工作量較大[2]。

3.3 發(fā)展方向

由于地面物探設(shè)備的局限性，一些相對(duì)較新的孔中探測(cè)設(shè)備有時(shí)效果較好，如跨孔地震CT法、井間電磁波CT法和井間電阻率CT法等，這些方法大都是借鑒醫(yī)學(xué)CT技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的相對(duì)較新的探測(cè)技術(shù)。井間電磁波CT法是基于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)不同介質(zhì)的吸收程度差異來(lái)反演、重建空間各區(qū)域吸收系數(shù)的分布，確定區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，具有勘測(cè)精度高、輕便、高效和受振動(dòng)干擾小等優(yōu)點(diǎn)[21,22]。朱亞軍等采用電磁波CT法對(duì)某軌道交通1號(hào)線特定區(qū)域進(jìn)行了孤石探測(cè)，通過(guò)ART方法的反演結(jié)果與實(shí)際鉆孔驗(yàn)證信息對(duì)比，表明電磁波CT法在孤石大小、空間分布方面基本與驗(yàn)證的鉆孔資料一致[23]。曹權(quán)等采用超高密度電阻率CT法對(duì)深圳地鐵11號(hào)線某區(qū)間孤石進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)，并通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，表明該法能夠較好地揭示出孤石的空間分布[24]。

除了孔中探測(cè)方法外傳統(tǒng)地面物探設(shè)備新，數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用也可得到相對(duì)較好的探測(cè)效果。劉宏岳等對(duì)海域地震反射波采用多次覆蓋CDP疊加技術(shù)，分析了該技術(shù)的方法原理、震源選擇、觀測(cè)系統(tǒng)等，能夠探測(cè)出小尺寸異常體，通過(guò)鉆探驗(yàn)證了該技術(shù)在孤石探測(cè)中具有良好的效果[25,26]。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)我國(guó)在盾構(gòu)隧道孤石探測(cè)方面已經(jīng)取得了不少成果，有的經(jīng)過(guò)了鉆孔驗(yàn)證，證明了這些方法的可行性。不同探測(cè)方法具有不同的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程條件、探測(cè)能力和經(jīng)濟(jì)性因素等選擇合適的探測(cè)方法。

(2)孤石探測(cè)方法的精度仍有待提高，如對(duì)深度20m～30m處直徑0.5m的孤石，目前基本上難以探測(cè)出來(lái)，或者探測(cè)代價(jià)較高。對(duì)于孤石群探測(cè)，各種探測(cè)方法幾乎不能夠?qū)⒏鞴率蛛x出來(lái)。

(3)要想對(duì)孤石進(jìn)行更準(zhǔn)確的探測(cè)，需要充分了解探測(cè)設(shè)備能力、圍巖介質(zhì)特性和場(chǎng)地干擾條件等，需要更多的經(jīng)驗(yàn)累積和模型試驗(yàn)，以提高各種探測(cè)方法在孤石探測(cè)中的可靠性。

(4)對(duì)于目前的各種探測(cè)技術(shù)，沒(méi)有一種單獨(dú)的探測(cè)手段能夠準(zhǔn)確探測(cè)出孤石的空間分布。因此，采取鉆探和物探相結(jié)合的方法或多種物探手段相結(jié)合的方法對(duì)孤石進(jìn)行定位非常必要。