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                                      地鐵盾構區間孤石與基巖凸起等不良地質體探測新方法

                                      林朝旭
                                      (福建省建筑設計研究院
                                      1引言
                                          我國已進入地鐵時代,然而在花崗巖地區進行城市地鐵盾構掘進過程中,經常遇到花崗巖球狀風化體(孤石)與基巖凸起等不良地質體。孤石常發育在殘積土、全風等化花崗巖、強風化花崗巖,其分布無明顯規律,隨機性強。孤石與溶洞是城市地鐵盾構機地下掘進施工的“攔路虎”,他們分布具有離散性與區域性。孤石后期處理比溶洞處理難度大、工期長、風險高。一般大于0.5m的孤石就會對盾構刀具或刀盤產生損傷。較大規模(線路長大于10m)的基巖凸起一般通過先期鉆探就能揭示,然而小規模(小于10m)的基巖凸起就不易被揭示,后者猶如在隧道洞身底部存在一個巨型孤石。盾構機在掘進過程中碰到孤石或基巖凸起時,易造成機身姿態難以控制,刀具磨損嚴重,刀座和刀盤易變形;盾構在掘進孤石時震動很大,刀盤壓力較難控制,經常出現刀盤被卡、噴涌、坍塌,誘發地面不均勻沉降,引起周邊構筑物開裂、管線損壞,對保護地面環境極為不利。然而城市地鐵盾構隧道常處于公路或建筑物下方,淺部管線分布密集,特別在隧道上覆巨厚層軟土、砂層時,開倉換刀困難,從而造成工期拖延,極大地增加了施工成本。2004年2月廣州地鐵3號線某盾構區間掘進至614環進入全長348m孤石地層,歷時8個月先后氣壓換刀15次,更換各類道具251把。2005年3月掘進至ZDK2+381.86球狀風化區段歷時73天,更換了滾刀40把。2014年12月廈門地鐵1號線集誠區間掘至ZDK24+181遇一個Φ3.5m孤石,刀盤被卡住,后來采用旋挖處理,造成盾構掘進中斷約3個月。類似的工程為此付出巨大代價的例子舉不勝舉。既然孤石會對城市地鐵盾構掘進施工造成如此重大的影響,那么在具備孤石發育地質條件路段,盾構施工前開展孤石專項勘探就十分必要。目前行業內有兩個觀點:一是直接采用鉆探法探明孤石;二是物探與鉆探聯合勘探。
                                      2探測方法選擇
                                      2.1鉆探法
                                          鉆探法技術成熟、成果直觀,結果準確,但具有“一孔之見”的局限性,只能大致推斷相鄰兩孔間的地層分布情況,無法推斷兩孔間孤石的分布情況,通過鉆孔直接揭示的孤石十分有限。假設盾構隧道寬為6.28m,鉆孔直徑90mm,5m間距鉆孔所涵蓋隧道面積為31.4m2,那么單個鉆孔能揭示直徑0.5m、1.0m、1.5m、2.0m及3.0m孤石的概率分別為1.2%、3.1%、7.1%、11.0%及24.0%,詳見圖1。不同孔間距條件下,單個鉆孔揭示不同尺寸大小孤石的概率分析
                                          如表1所示。從表1可看出,通過鉆孔揭示孤石的概率較低,孤石尺寸越小,概率越低。隨著孔間距的增加,孤石被遺漏的概率增大。對于小于2m的孤石,即使按孔間距2.5m布置鉆孔也非常容易遺漏。當然,若按孔間距2m沿隧道線路分3列布置鉆孔,那么基本能查清隧道洞身范圍內尺寸大于1m的孤石。但是鉆孔成本、管線拆移、道路恢復、占道安置等將是一筆難以承受的費用。
                                       
                                       
                                      2.2物探與鉆探聯合勘探
                                          既然鉆孔法具有“一孔之見”的局限性,易造成孤石遺漏,從而蘊含著巨大的潛在風險。那么能否像找水探礦那樣先采用物探進行普查,然后根據物探異常位置有針對性進行鉆孔驗證的方式呢?廣州地鐵建設中,先后在3號線與6號線二期多次開展孤石物探方法試驗和專題研究。由于城市地鐵工程沿線管線密集、交通與電磁干擾大、地質條件復雜,瞬變電磁法、地質雷達法、地震映像法等地面物探方法均達不到理想效果]?缈壮呙芏入姺ǎ茫蕴綔y判定孤石位置誤差較大,跨孔地震CT和跨孔電磁波CT能給出孤石在橫向和縱向上孤石的空間分布,當孔深與孔距比大于1.5倍,異常體位于勘探孔中部時探測效果較佳。但是想對孤石平面定位所要求的工作量大,費用高,且孤石成群發育時,無法分辨個體。無論是跨孔電磁波CT與跨孔地震CT,還是跨孔超高密度電法CT均需借助鉆孔進行探測,都不是嚴格意義上的無損探測。而城市地鐵沿線地下管線密集,地面交通流量大,鉆孔施工風險大、費用高,所以采用一種真正意義上的無損探測方法就顯得非常有意義。微動探測孤石技術就是在這樣的生產環境下應運而生,國內中國科學院徐佩芬和福建省建筑設計研究院劉宏岳等學術帶頭人在這方面做了深入的研究與實踐。2013年該方法在福州地鐵一號線孤石探測試驗中取得重大的技術突破,目前已推廣到福州、廈門、深圳、廣州地鐵項目,探測效果優良,逐漸獲得施工單位的肯定,并在行業內相互推薦。鉆探與微動聯合勘探思路是根據微動探測成果,圈定出在隧道洞身范圍內的疑似孤石位置,然后有針對性地布置少量鉆孔,驗證并揭示孤石的大小與具體分布位置。
                                      3微動探測技術
                                      3.1微動探測原理
                                          微動就是地球表面存在的一種微弱波動,是由體波與面波組成的復雜震動,主要能量為面波,它源于人類活動與自然界。微動探測是一種基于微動臺陣探測的地球物理探測方法,觀測臺陣類型主要有圓形、三角形、T字形、L字形、十字形等。微動探測工作原理可用圖2所示流程圖表示,通過布置在觀測臺陣上的三分量拾振器采集微動信號,運用頻率波數算法(FK法)或空間自相關法(SPAC法)從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線,可根據同一測線上各微動臺陣的平面相對位置直接繪制面波相速度等值線圖;或利用各微動臺陣頻散曲線計算出視剪切波(S波)速度Vx,再經插值光滑計算獲得二維視S波速度剖面,視S波速度剖面能直觀并客觀地反映地下地層巖性的縱橫向變化情況,是物探成果地質解釋的基本依據。H/V曲線是各分量微動信號進行傅里葉變換得到頻譜,通過水平分量和垂直分量的頻譜量值的比值得到,工作原理如圖3流程圖所示,它反映的是地層的波阻抗界面,也是尋找土石的分界面的依據之一。
                                       
                                          本次微動探測的觀測系統采用五邊形陣列,如圖3所示,每個圓形陣列由放置于五角形頂點和中心點的6個擺和數據采集系統組成,五角形頂點到中心點的距離稱為觀測半徑R。根據現場場地條件及探測目標體的深度不同,臺陣半徑可以在2~3m范圍內調整。以5m點距逐點進行,以形成二維剖面。
                                      3.2微動探測步驟
                                          本次微動探測采用圖4所示五邊形陣列觀測系統,每個圓形陣列由放置于五角星頂點和中心點的6個擺及一套記錄儀組成。數據正式采集之前,對記錄儀進行采集參數設置。在儀器放置到位、確保進入正常工作狀態后,盡量保持周圍環境相對安靜,以利有效記錄數據。實際施工時按照設計的觀測系統沿測線逐點進行觀測,單點每次觀測時間為10~20min,觀測結束后將整個臺陣移動到下一個勘探點觀測。
                                      3.3微動探測解釋原則
                                          孤石與周圍的包裹花崗巖風化土體有如下差異:密度差異、S波速度差異及S波波阻抗差異。無論基巖凸起還是孤石,因為其致密、堅硬的物理特性,相對于圍巖而言均為高速體,微動成果剖面解釋時需重點關注洞身范圍內的高速異常體,孤石速度異常特征一般呈封閉或半封閉高速異常存在,如圖5黑色圈定范圍所示。從微動探測方法上看,S波速度差異可以由計算的視S波速度剖面反映。波阻抗差異可以由測點的H/V曲線定性反映出來,最大峰值頻率越高,基巖埋深越大,反之則埋深淺;當微動測點H/V曲線呈多峰、雙峰或前臺階形態特征時,存在孤石或不均勻風化體的可能性較大。由于孤石的大小不等,單一的速度參數推斷孤石會有一定的誤判,驗證鉆孔表明強風化土層常常會與孤石混淆;增加H/V參數可以提高孤石判別的準確度。具體推斷解釋時,仍需結合地質資料與隧道洞身具體位置對微動成果進行進一步綜合分析判釋,以免造成錯判。
                                       
                                       
                                      4工程實例
                                          深圳地鐵7號線工程珠光站—龍井站區間(簡稱珠龍區間)位于深圳市南山區。珠龍區間自珠光站東端頭出,行進于龍珠大道下,下穿平南鐵路橋、南坪快速路龍珠大道跨線橋、9.2MPa超高壓燃氣、110KV高壓電力,止于龍井站西端。區間左、右線起終點里程為:YK4+364.8~YK5+670.5,雙線線路總長2621min(含長鏈)。擬采用盾構法施工,直徑為6.2m。珠龍區間周邊環境復雜、地質條件極其復雜,鉆孔施工風險極大;根據詳勘資料,該區間地下孤石發育,且存在多處基巖凸起侵入洞身。下面介紹右線(YK4+760~YK4+960)里程段的微動探測成果。右線(YK4+760~YK4+960)的H/V等值線圖、相速度等值線圖及視S波速度剖面圖分別見圖6~圖8,圖中灰色粗豎線為建議驗證鉆孔位置,圖7中紅色近平行線與圖8中的藍色平行虛線為隧道設計邊線。隧道底板埋深14.1~16.6m,頂板埋深7.9~10.4m。詳勘鉆孔揭露:洞身頂板上覆土層主要為雜填土、粉質黏土、粗砂、礫質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖等,洞身范圍內土層主要為砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中(微)風化花崗巖。隧道洞身外的不良地質體并不影響隧道盾構施工,因此本次微動探測只關注隧道洞身范圍內的異常體,洞身外的異常不予解釋。下面就右線YK4+760~YK4+960段進行分段解釋說明。
                                          ①YK4+760~YK4+825段洞身范圍多處存在小高速異常,H/V曲線多呈單峰形態,局部呈小雙峰形態,峰值頻率較低。推斷該段基巖埋深較大,基巖位于隧道底板以下,YK4+765處隧道洞身范圍內可能存在孤石。建議在Y42處布置驗證鉆孔,YK4+760~YK4+768段與YK4+768~YK4+825段盾構安全評價分別為警示區與安全區。
                                          ②YK4+825~YK4+925段洞身范圍存在明顯高速異常,H/V曲線多以多峰或雙峰形態呈現,峰值頻率均分布在4.5~8Hz,頻率大。推斷該段基巖凸起,侵入洞身厚度大,YK4+825~YK4+845與YK4+880~YK4+910兩段隧道洞身范圍內可能存在孤石或孤石群,建議Y55、Y58、Y63、Y67與Y70處布置驗證鉆孔,鉆孔深度18m。該段盾構安全評價為危險區。
                                          ③YK4+925~YK4+960段洞身范圍巖土層速度偏大,H/V曲線基本呈后臺階形態,峰值頻率較低。推斷該段基巖埋深較大,基巖位于洞身底板下部,洞身范圍內存在孤石可能性小,該段盾構安全評價為安全區。綜上所述,珠龍區間右線(YK4+760~YK4+960)微動探測分析推斷成果見表2,該段建議驗證點共6個。通過鉆孔驗證揭示,除Y42外,Y55、Y58、Y63、Y67、Y70五個驗證點均存在基巖凸起,其中Y55與Y58遇兩處孤石,Y67與Y70遇一處孤石,具體詳見驗證點鉆孔驗證情況一覽表(表3),部分驗證點鉆孔巖芯照片詳見插圖9。
                                          根據微動探測成果,珠龍區間左、右線共布置65個驗證點,其中左線31個,右線35個。通過鉆孔驗證,在隧道洞身范圍內共揭示26處孤石與8段基巖凸起(總長835m),其中左線12處孤石與4段基巖凸起,右線14處孤石與4段基巖凸起。探測結果揭示,本區間基巖凸起段較長,基巖凸起位置上部往往伴生孤石,孤石基本發育在全—強風化花崗巖中。鉆孔驗證后,施工單位針對驗證孔揭示的孤石與基巖凸起路段進行鉆孔爆破處理,部分孤石位置離高壓燃氣管近,禁止爆破處理,只好采用鉆探手段把孤石鉆成蜂窩狀,以便盾構掘進時用砍刀擊碎孤石。除局部無法爆破處理路段外,該區間其它路段后期盾構掘進施工均較順利,未遇到未探明的孤石或基巖凸起,并按期掘進貫通。
                                       
                                       
                                       
                                      5結論與問題
                                      5.1結論
                                          工程實踐表明,微動與鉆探聯合勘探能有效地探明盾構區間洞身范圍內孤石與基巖凸起的分布位置,為后期孤石或基巖凸起排除方案設計與處理提供依據,是地鐵盾構場地探測孤石或基巖凸起的首選方法。該方法具有以下特點:
                                          1)微動探測方法無需震源,它具備無損、場地條件要求低、不受電磁干擾等特點,適合城市復雜的地質環境條件。
                                          2)微動方法的小半徑臺陣一般能達到30~50m的探測深度,能很好地滿足城市地鐵的探測深度要求。
                                          3)與單用鉆探法相比,微動與鉆探聯合勘探具有更高的精確度,施工風險小,交通布控要求低,周期短,費用低。
                                      5.2問題
                                          雖然微動探測孤石或基巖凸起取得技術性的突破,也在福州地鐵、廈門地鐵、深圳地鐵及廣州地鐵等工程實踐中逐步積累了寶貴經驗,但它與其他物探手段一樣,也存在多解性等問題。筆者認為微動探測孤石還存在以下問題:
                                          1)揭示孤石準確率有待提高,當面波速度與H/V曲線均有異常時,準確率高;當兩者中只有一者有異常時,準確率會降低。
                                          2)孤石尺寸只能定性解釋,定量精度有待突破。
                                          3)孤石定位問題,深度誤差基本可控,平面定位精度有待提升,對大于1.5m的孤石單個驗證鉆孔基本能揭示,小于1m的孤石有時需要加密鉆孔才能揭示。
                                          參考文獻:中國知網

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