1、成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)施工對(duì)地層擾動(dòng)范圍（松動(dòng)范圍和空洞）無(wú)損探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)匯報(bào)材料 成都暢達(dá)通地下工程科技發(fā)展有限公司二九年八月14目 錄1 前言12 探測(cè)范圍13 探測(cè)目的24 工程概況24.1 地質(zhì)及地球物理?xiàng)l件24.2 環(huán)境條件25 探測(cè)方案35.1 塌陷形成機(jī)理分析35.2 目標(biāo)體可探性分析45.3 探測(cè)設(shè)備45.4 探測(cè)原理45.5 探測(cè)參數(shù)55.6 現(xiàn)場(chǎng)工作方法65.7數(shù)據(jù)處理及解釋76 探測(cè)工作概述127 探測(cè)結(jié)果128 結(jié)論131 前言成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)埋深較淺，一般在8.017.0m，地下水位高，砂卵石層中進(jìn)行盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)少。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，發(fā)生了盾頂?shù)孛嫠荨楸Ｕ铣啥际?/p>

2、主干道人民北路、人民中路、人民南路的交通安全，需要查明盾頂?shù)貙邮軘_后是否存在空洞或不密實(shí)區(qū)，進(jìn)而有針對(duì)性地進(jìn)行地層加固。探測(cè)方法要求具有精度高、速度快、非開挖、無(wú)損特點(diǎn)，而地質(zhì)雷達(dá)能夠滿足上述要求。受成都地鐵公司委托，我公司采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)盾頂?shù)貙涌斩春筒幻軐?shí)區(qū)進(jìn)行探測(cè)。鑒于目前地質(zhì)雷達(dá)在路基病害中的探測(cè)，在對(duì)較大規(guī)模的裂隙及洞穴的位置和規(guī)模確定，在對(duì)淺層地基及地基注漿質(zhì)量探測(cè)方面取得的成功經(jīng)驗(yàn)。我們綜合分析認(rèn)為通過(guò)選用合適探測(cè)參數(shù)，優(yōu)化測(cè)線布置，采用先進(jìn)分析處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)處理，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地面下一定深度范圍內(nèi)的地層空洞及不密實(shí)區(qū)的探測(cè)是可行的（當(dāng)然基于一定天線頻率下，深部信號(hào)太弱時(shí)可考

3、慮由洞內(nèi)向地面發(fā)射電磁波）。但由于電磁波在地下介質(zhì)中的高衰減性，加之地質(zhì)介質(zhì)的離散型，環(huán)境干擾，獲得高水位下盾頂?shù)貙痈哔|(zhì)量信號(hào)難度是很大的。由于此探測(cè)項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)以往類似工程探測(cè)經(jīng)驗(yàn)很少，也缺乏直接的驗(yàn)證方法，異常分析時(shí)也有一定不確定性，僅能根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)資料常規(guī)理論分析方法進(jìn)行解釋，工作具科研性質(zhì)。2 探測(cè)范圍我們對(duì)成都地鐵1號(hào)線火車北站火車南站盾構(gòu)段共10個(gè)區(qū)間進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)。測(cè)區(qū)全部位于成都市主干道人民北路人民中路人民南路上，這些區(qū)間包括盾構(gòu)標(biāo)火車北站人民北路站區(qū)間，盾構(gòu)標(biāo)人民北路站文武路站騾馬市站天府廣場(chǎng)站，盾構(gòu)標(biāo)天府廣場(chǎng)站錦江賓館站小天竺站體育館站，盾構(gòu)標(biāo)體育館站倪家橋站桐梓林站火車

4、南站，探測(cè)線路長(zhǎng)度9775m（K4+460K14+235）。3 探測(cè)目的探測(cè)主要目的是探測(cè)盾頂?shù)貙邮欠翊嬖诳斩春秃懿幻軐?shí)區(qū)，為地層加固提供信息依據(jù)。4 工程概況4.1 地質(zhì)及地球物理?xiàng)l件根據(jù)設(shè)計(jì)鉆探資料，探測(cè)區(qū)段隧道埋深8.017.0m，洞頂以上地層自下而上依次為：Q4卵石層（偶夾砂層透鏡體）、（部分段有粉質(zhì)粘土、粉土、砂層）、粘土層、人工填筑土層、混凝土路面層，地層分層性好，層面清晰，便與同向軸追蹤。人工填筑土層局部稍密，潮濕，均一性差，多為欠壓密土，強(qiáng)度低、壓縮性高、荷重易變形特點(diǎn)。粘性土層也具有含水率高、強(qiáng)度低、壓縮性高、荷重及失水地層變形大性質(zhì)。隧道主體結(jié)構(gòu)位于卵石層中。地下水主要為第

5、四系砂卵石孔隙水，地下水流自北西流向南東，具有側(cè)向補(bǔ)給好，水流交替循環(huán)強(qiáng)烈、水位恢復(fù)迅速特點(diǎn)。實(shí)測(cè)地下水靜止水位埋深約6.0m。測(cè)區(qū)總體地形平坦，但局部有路緣臺(tái)階。各層及混凝土路面層介電常數(shù)等物性參數(shù)均不同，有較大差異。4.2 環(huán)境條件測(cè)區(qū)位于城市主干道，天線經(jīng)過(guò)的地表相對(duì)平緩，障礙少；地下管線、管道、檢查井、檢查孔全線均有分布；路面上有一定的輸電、路燈線桿，防撞鋼護(hù)欄等設(shè)施等信號(hào)干擾源；路面下不存在高電導(dǎo)屏蔽層。5 探測(cè)方案5.1 塌陷形成機(jī)理分析在盾構(gòu)施工過(guò)程中，發(fā)生過(guò)兩類地面塌陷，一類發(fā)生在盾尾剛脫出后，與開挖同步的坍陷；另一類是盾構(gòu)過(guò)后一段時(shí)間，發(fā)生的滯后性塌陷。兩類坍陷均具有突發(fā)性特

6、點(diǎn)，第一類坍陷一般對(duì)應(yīng)地面監(jiān)測(cè)沉降量大，往往超出預(yù)警值和控制值（預(yù)警值20mm，超限值30mm）；第二類坍陷發(fā)生時(shí)間具有不確定性。要對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)，首先要了解目標(biāo)體的形成機(jī)理。以下為盾構(gòu)通過(guò)后，地層空洞或不密實(shí)區(qū)形成機(jī)理的淺析：通常認(rèn)為盾構(gòu)推進(jìn)中，盾頂部分、換刀和車站端頭位置，地層受擾程度大。盾構(gòu)刀盤切削可能帶走盾頂較多的土體，尤其是分布于卵石層中小粒徑的粉細(xì)砂顆粒，造成土體變松，力學(xué)性質(zhì)降低，反映到施工中就是出渣量加大。卵石土的內(nèi)聚力是很小的，砂土中C=0，但由于土體顆粒間存在的內(nèi)摩擦，卵石大顆粒起到骨架作用，在盾頂及兩腰位置形成承載拱，這種整體性和抗剪強(qiáng)度都差的承載拱只能是臨時(shí)性的，如果

7、管片壁后空隙未能注漿及時(shí)充填，那么在路面上振動(dòng)荷載和地下水滲流作用下，可能發(fā)生突發(fā)性解體，反映到路面上即發(fā)生與盾進(jìn)同步的塌陷。產(chǎn)生這種地面坍陷本質(zhì)是拱部管片壁后地層產(chǎn)生空洞，空洞未及時(shí)充填造成。由于地層空洞或松散區(qū)處于盾構(gòu)隧道管片拱頂背后，處于早期還未向上發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)可選擇頻率相對(duì)較低的天線（50MHz以下）進(jìn)行地面探測(cè)或進(jìn)行洞內(nèi)管片拱部探測(cè)（此時(shí)選擇較高頻率天線200MHz左右）。 發(fā)生地面坍陷另一種機(jī)理是，盾構(gòu)推進(jìn)刀盤帶走較多土體顆粒，洞頂砂卵石層變得松散，地層土體位移，尤其是地層中存在粉土、砂層、砂層透鏡體時(shí)，這些土體顆粒在地下水及路面振動(dòng)荷載作用下不斷充填盾頂孔隙，在路面下粉土

8、層(或粉質(zhì)土層)中形成空隙并不斷擴(kuò)大，在盾后一段時(shí)間（時(shí)間長(zhǎng)短取決卵石層中孔隙率大小以及路面振動(dòng)情況和地下動(dòng)水力大?。访嫦滦纬煽斩?，進(jìn)而路面在車輛荷載頻繁作用下，發(fā)生滯后性塌陷。此時(shí)地層空洞或松散區(qū)已向上發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)可選擇頻率相對(duì)較低天線（150MHz50 MHz）從地面向下探測(cè)。5.2 目標(biāo)體可探性分析地球物理探測(cè)是利用目的物與周邊介質(zhì)的物理性質(zhì)差異，運(yùn)用適當(dāng)?shù)牡厍蛭锢碓砗拖鄳?yīng)的儀器設(shè)備，通過(guò)分析研究探測(cè)到的物理場(chǎng)，探測(cè)地質(zhì)界限、地質(zhì)構(gòu)造及其他目的物或目標(biāo)的勘探方法?；诘刭|(zhì)條件變化、城市活動(dòng)引起的電場(chǎng)、地震波場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等物理場(chǎng)的變化，電法、地震法、磁法、重力等各種方法可

9、在實(shí)際中應(yīng)用。通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)地球物理特征的分析，盾頂?shù)貙咏殡姵?shù)皆有較大差異，同時(shí)地層中若出現(xiàn)空洞或松散區(qū)，空洞或空隙處電性（介電系數(shù)）與圍土地層存在差異，但電性相對(duì)不穩(wěn)定，可通過(guò)波形同相性、相似性，反射面能量強(qiáng)弱予以判別。對(duì)比盾構(gòu)通過(guò)前后波形同相軸變化以判別地層變形對(duì)于判斷潛在空洞形成和評(píng)價(jià)盾構(gòu)對(duì)地層擾動(dòng)情況很有意義。因此我們認(rèn)為采用地質(zhì)雷達(dá)實(shí)施探測(cè)是可行的。探測(cè)重在檢查地層空洞（最小幾何尺寸在0.5m以上），同時(shí)考慮卵石骨架間范圍存在較大孔隙的不密實(shí)區(qū)也應(yīng)該是探測(cè)的重點(diǎn)。5.3 探測(cè)設(shè)備探測(cè)使用瑞典RAMAC/GPR型地質(zhì)雷達(dá)及100MHz屏蔽天線與拉脫維亞Zond12e型探地雷達(dá)及150MH

10、z非屏蔽天線。儀器信號(hào)增益、A/D轉(zhuǎn)換、掃描速率等性能滿足相關(guān)規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)要求。5.4 探測(cè)原理電磁波傳播和衰減的兩個(gè)主要電性物理量是電導(dǎo)率和介電常數(shù)。對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)來(lái)說(shuō)，其發(fā)射電磁波的頻率范圍、被測(cè)目的體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)均影響著電磁波的傳播。在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的電磁波，在傳播方向上的振幅按指數(shù)規(guī)律衰減。在良導(dǎo)內(nèi)由于其電導(dǎo)率很大，場(chǎng)矢量衰減更快，產(chǎn)生趨膚效應(yīng)。地質(zhì)雷達(dá)利用高頻廣譜電磁脈沖波的反射原理探測(cè)目的體，其反射脈沖信號(hào)強(qiáng)度不僅與傳播介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)，而且也與被穿透介質(zhì)界面的波反射系數(shù)有關(guān)。兩邊介質(zhì)的電磁參數(shù)（導(dǎo)磁系數(shù)，相對(duì)介電常數(shù)，電導(dǎo)率）差別越大，反射系數(shù)也越大，同樣反射波能量亦大。地

11、質(zhì)雷達(dá)波的反射系數(shù)可簡(jiǎn)寫為：R12（）/（）式中：1、2分別為第一層、第二層相對(duì)介電常數(shù)。由上式可知：反射系數(shù)的大小主要取決于反射界面兩側(cè)介質(zhì)的相對(duì)介質(zhì)常數(shù)的差異，差異越大，反射系數(shù)越高，獲得的異常越明顯。地質(zhì)雷達(dá)利用一個(gè)天線以寬帶脈沖的形式，向探測(cè)前方發(fā)射106109Hz高頻電磁波，另一個(gè)天線接收探測(cè)前方介質(zhì)界面的反射電磁波。如圖1所示。通過(guò)對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)形態(tài)。根據(jù)測(cè)得的雷達(dá)波走時(shí)，自動(dòng)求出反射物的深度z和范圍。依據(jù)反射波的波形與強(qiáng)度特征，通過(guò)同相軸的追蹤，就可研究探測(cè)前方地質(zhì)體空間位置和地質(zhì)結(jié)構(gòu)。地質(zhì)雷達(dá)主要利用寬帶高頻時(shí)域電磁脈沖波的

12、反射探測(cè)目的體。由公式 雷達(dá)根據(jù)測(cè)得的雷達(dá)波走時(shí)，自動(dòng)求出反射物的深度z和范圍。圖5.1 地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)試原理及其探測(cè)方法5.5 探測(cè)參數(shù)探測(cè)參數(shù)選擇：天線頻率、時(shí)窗、采樣率、樣點(diǎn)數(shù)等。1）天線頻率選擇需要兼顧目標(biāo)體深度、目標(biāo)體最小尺寸是否符合場(chǎng)地需要。探測(cè)深度和分辨率是兩個(gè)相互矛盾問(wèn)題，滿足一定探測(cè)深度，需要采用低頻天線，而低頻信號(hào)分辨率低，探測(cè)對(duì)象最小尺寸有限。一般在滿足分辨率且場(chǎng)地條件又許可時(shí)，盡量采用頻率低的天線。可根據(jù)式f=150/（x1/2）選取，x表示目標(biāo)體要求的空間分辨率。也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則選取，如下表： 天線頻率選擇表 表5-1天線頻率（MHz）合適的探測(cè)目標(biāo)尺寸（m）大約探測(cè)深

13、度（m）大約最大探測(cè)深度（m）500.552020301000.11.021515252000.050.5110515據(jù)此，我們選擇50MHz150 MHz屏蔽天線。2）時(shí)間窗選擇主要取決于最大探測(cè)深度D與地層中電磁波速v(m/ns)，據(jù)公式W=1.3(2D/v)，據(jù)此，我們選擇200ns450ns。3）采樣率記錄反射波采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，由尼奎斯特定律控制，即采樣率至少應(yīng)達(dá)到記錄中反射波最高頻率的2倍。此處按照天線頻率10倍左右倍數(shù)選取，記錄道樣點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)。上述探測(cè)參數(shù)選擇中，需要用到一些常見介質(zhì)電磁波傳播速度和相對(duì)介電常數(shù)如表5-2： 常見介質(zhì)電磁波傳播速度和相對(duì)介電常數(shù)表 表5-

14、2介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)r速度v（m/us）備注空氣1300淡水8133混凝土41095150粘土41674150粉沙92363100砂430551505.6 現(xiàn)場(chǎng)工作方法探測(cè)從地面向下探測(cè)，采用剖面法。鑒于缺乏目標(biāo)體標(biāo)定條件，雷達(dá)探測(cè)解釋推斷主要采用土層中常見的雷達(dá)波速。（取0.1m/ns，利用地層參數(shù)估算，所以在異常深度上會(huì)有少許偏差，但能滿足地層空洞或嚴(yán)重松散區(qū)探測(cè)精度要求。）鑒于探測(cè)空洞位置大小、形狀未知，現(xiàn)場(chǎng)布置方格探測(cè)網(wǎng)。在布網(wǎng)時(shí)候更注重施工薄弱地段（盾頂部分、換刀和車站端頭位置）的測(cè)線布置。沿盾構(gòu)縱向，左右線分別布設(shè)一條測(cè)線；換刀位置一般從中心至兩邊布設(shè)3條橫向測(cè)線，間距5.0m；車站

15、端頭布置4條測(cè)線，間距5.0m；在不良地質(zhì)段、監(jiān)測(cè)異常段、出渣量超常段亦應(yīng)進(jìn)行測(cè)線布置?？v橫向測(cè)線布置圖（圖5.2）如下：圖5.2 測(cè)線布置圖5.7 數(shù)據(jù)處理及解釋1）數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理目的是壓制隨機(jī)和規(guī)則的干擾，以最大可能的分辨率在圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用參數(shù)，包括振幅、波形、頻率以幫助解釋探測(cè)成果。數(shù)據(jù)處理使用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）研發(fā)的GR雷達(dá)處理分析系統(tǒng)和Reflexw軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對(duì)探測(cè)原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)處理、振幅譜分析、零線設(shè)定、背景去噪、增益、垂直帶通濾波處理，最終得到各測(cè)線的成果圖。2）解釋推斷盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地層擾動(dòng)主要是指地層中出現(xiàn)強(qiáng)擾動(dòng)、 空洞、 坍塌疏松等。

16、盾構(gòu)對(duì)地層土體造成的擾動(dòng)，表現(xiàn)為頂部層位的下塌、位移與疏松，在雷達(dá)圖像上反映為雷達(dá)波同相軸的強(qiáng)弱變化或錯(cuò)動(dòng)等。依據(jù)雷達(dá)波的相位、頻率與幅值及圖像形態(tài)進(jìn)行綜合分析判別，從所發(fā)現(xiàn)的異常中剔除人為操作和近地表干擾物的影響，從而識(shí)別出地層的擾動(dòng)。地層擾動(dòng)區(qū)出現(xiàn)的空洞與松散區(qū)域介電常數(shù)較大，與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)存在差異，這種差異在雷達(dá)圖像上有清楚的顯示。按擾動(dòng)程度、影響深度劃分為:輕度擾動(dòng)、中度擾動(dòng)、空洞坍塌強(qiáng)擾動(dòng)型三類。a.輕度擾動(dòng)型:對(duì)應(yīng)地層較不密實(shí)區(qū)，雷達(dá)剖面圖像反射界面多而亂，能量強(qiáng)弱變化，同相軸出現(xiàn)扭曲變形、不連續(xù)，但疏松的土體反射回波能量較低、幅度較小，地層連續(xù)性較好，范圍小，示例圖8.1。

17、b.中度擾動(dòng)型：對(duì)應(yīng)地層很不密實(shí)區(qū)，雷達(dá)圖像上反射波強(qiáng)度變化、同相軸扭曲錯(cuò)動(dòng)、不連續(xù)，圍土層位未形成大的變化，因擾動(dòng)而致松動(dòng)，示例圖8.2。c.重度擾動(dòng)型: 對(duì)應(yīng)地層空洞或?qū)游幌孪荩撛谔?，雷達(dá)圖像上反射波同相軸呈弧形或同相軸扭曲錯(cuò)斷，圍土層位變化，且反射雜亂，示例圖8.3。圖8.1圖8.2圖8.36 探測(cè)工作概述按照成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)施工對(duì)地層擾動(dòng)范圍（松動(dòng)范圍和空洞）無(wú)損檢測(cè)技術(shù)服務(wù)合同和委托方要求，我們先后對(duì)地鐵1號(hào)線盾構(gòu)14標(biāo)（不包括火車南北站站場(chǎng)）區(qū)間共進(jìn)行了9次探測(cè)，也包括對(duì)污水管段的探測(cè)，其中第7、8、9次探測(cè)為重點(diǎn)區(qū)間段復(fù)探。這些重點(diǎn)段包括：盾構(gòu)標(biāo)火車北站人民北路站部分區(qū)間

18、、盾構(gòu)標(biāo)人民北路站萬(wàn)福橋部分區(qū)間、盾構(gòu)標(biāo)南渡線錦江賓館部分區(qū)間、盾構(gòu)標(biāo)省體館倪家橋部分區(qū)間及盾構(gòu)IV標(biāo)文武路騾馬市。除盾構(gòu)3標(biāo)錦江賓館天府廣場(chǎng)區(qū)間進(jìn)行了盾前、盾后探測(cè)外，其余區(qū)間均為盾后探測(cè)。首次探測(cè)工作從2008.9.20開始，終次探測(cè)于2009年8月1日結(jié)束，期間共提交探測(cè)初步報(bào)告8期（第9期為文武路站至騾馬市站區(qū)間復(fù)探，剛完成數(shù)據(jù)采集和處理，報(bào)告未提交）。并對(duì)盾構(gòu)標(biāo)盾構(gòu)機(jī)過(guò)污水管段管頂?shù)貙舆M(jìn)行了探測(cè)，其目的是評(píng)價(jià)管周地層密實(shí)程度，便于加固處理。這些污水管段包括：DK12+070YDK12+240段污水管（盾前、盾后）；YDK11+630YDK11+863段污水管（盾后）；YDK12+59

19、0YDK12+680段污水管（盾前、盾后），發(fā)現(xiàn)異常10處。探測(cè)測(cè)線355條，測(cè)線長(zhǎng)27897.5m，初探主要采用的是瑞典MALA公司RAMAC雷達(dá)，配備100MHz屏蔽天線；復(fù)探是拉脫維亞Zond12e型探地雷達(dá)及150MHz非屏蔽天線。7 探測(cè)結(jié)果截止第8次探測(cè)（2009年7月底），發(fā)現(xiàn)較不密實(shí)區(qū)323處，很不密實(shí)區(qū)163處，空洞區(qū)13處，如表7-1、7-2所示。復(fù)探結(jié)果顯示，淺表地層中度、重度擾動(dòng)較初探數(shù)量有所增加，反映地層后期沉降向淺表發(fā)展。根據(jù)探測(cè)雷達(dá)圖像特征，以下盾構(gòu)區(qū)間受擾程度相對(duì)較重，火車北站人民北路區(qū)間、人民北路文武路區(qū)間、錦江賓館天府廣場(chǎng)區(qū)間（ZK9+050+160/ ZK9+305+390）、小天竺錦江賓館區(qū)間（ZK10+070+120/ YK10+220+265）、體育館小天竺區(qū)間（YK11+518+598）、倪家橋桐梓林區(qū)間（ZK13+405ZK13+155、YK6+190YK6+705）、桐梓林火車南站區(qū)間（YK13+565YK13+965）。希望相關(guān)施工單位根據(jù)各期探測(cè)報(bào)告和總報(bào)告對(duì)報(bào)告提及異常區(qū)予以加固處理。 各標(biāo)段初探異常統(tǒng)計(jì)表 表7-1標(biāo)段區(qū)間異常類型及數(shù)量空洞很不密實(shí)較不密實(shí)1標(biāo)火車北站站人民北路站225402標(biāo)人民北路站文武路站42741文武路站騾馬市站0115騾馬市站天府廣場(chǎng)站0173標(biāo)省體