城區(qū)繁忙交通道路下方殘留樁基精確探測技術(shù)

金 花， 祝明明， 何紅員， 黨如姣， 李治國

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000；2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司， 廣東 深圳 518000；3.中鐵隧道集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計研究院， 廣東 廣州 511455)

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城區(qū)繁忙交通道路下方殘留樁基精確探測技術(shù)

金 花1， 祝明明2， 何紅員2， 黨如姣3， 李治國3

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000；2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司， 廣東 深圳 518000；3.中鐵隧道集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計研究院， 廣東 廣州 511455)

在某城區(qū)頂管隧道始發(fā)井和接收井開挖施工過程中均發(fā)現(xiàn)基坑中存在未知的建筑殘留樁基。因時間久遠(yuǎn)，施工區(qū)域內(nèi)殘留樁基的位置和范圍均無法獲知。為保證頂管隧道順利施工，需在施工前調(diào)查清楚其影響范圍內(nèi)是否存在殘留樁基。由于頂管隧道橫穿繁忙交通道路，地表沒有大范圍鉆孔勘查的條件，只能采用地球物理方法進(jìn)行探測。經(jīng)比選，采用探地雷達(dá)和磁法探測相結(jié)合的方法可滿足探測要求。根據(jù)探測結(jié)果，在異常區(qū)域進(jìn)行鉆探驗證，并采取針對性的處理措施，保證了頂管隧道的安全施工。

頂管隧道；殘留樁基；探地雷達(dá)；磁法探測；鉆探驗證

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城區(qū)地面可供利用的空間越來越小，地下空間開發(fā)越來越受到重視[1-2]。因地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，在地下工程建設(shè)過程中會遇到各種各樣的問題，比如已拆除的地面建筑的地下樁基與新建地下工程項目間隔時間長達(dá)數(shù)年，施工單位多次變更，導(dǎo)致無法判斷出樁基準(zhǔn)確位置。對樁基的勘查主要有地面挖探坑探查和地球物理方法探測2類。當(dāng)受到地面環(huán)境限制時，大多采用地球物理方法來探測地下樁基[3]。在某城區(qū)頂管隧道始發(fā)井和接收井開挖施工過程中均發(fā)現(xiàn)基坑中存在未知的建筑殘留樁基，因時間久遠(yuǎn)，施工現(xiàn)場發(fā)生較大變化，樁基位置與范圍均無法獲知。若隧道沿線存在樁基，會嚴(yán)重影響頂管隧道施工，因此，需在頂管隧道施工前調(diào)查清楚隧道影響范圍內(nèi)是否存在殘留樁基。由于頂管隧道橫穿繁忙交通道路，地表沒有大范圍開挖勘查的條件，只能采用地球物理方法進(jìn)行探測。以往針對樁基的物探工作主要針對樁基的完整性檢測[4-5]，采用的物探方法也主要側(cè)重于單一物探方法的應(yīng)用[6-9]，采用多種物探方法相結(jié)合探測樁基的研究相對較少，特別是采用高精度磁法對樁基進(jìn)行探測，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。本文采用探地雷達(dá)和磁法探測相結(jié)合的方法對樁基進(jìn)行探測，聯(lián)合解譯，準(zhǔn)確探測定位出樁基的分布情況。根據(jù)探測結(jié)果，在異常區(qū)域進(jìn)行鉆孔驗證，并采取針對性處理措施，保證了頂管隧道的安全施工。

1 工程概況

該工程由南北2個集散廳、1個過街人行通道、1個下沉式廣場組成，通過過街人行通道下穿城市快速路連接南北集散廳。地下通道長92.6 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計為矩形圓倒角鋼筋混凝土管節(jié)，結(jié)構(gòu)凈空寬度為9 m，高度為6.15 m，覆土厚9.1 m；地下通道采用頂管法施工，斷面寬度為10.4 m、高度為7.55 m，單片管節(jié)寬度為1.5 m、厚度為0.7 m。

南集散廳為頂管接收井，總體平面呈矩形布置，基坑長度為35.3 m，寬度為19.7 m，開挖深度為17.9 m；北集散廳為頂管始發(fā)井，基坑長度為36.1 m，寬度為23.5 m，開挖深度為18.4 m。頂管隧道施工總平面布置如圖1所示。

圖1 頂管隧道施工總平面布置Fig.1 Layout of pipe-jacking tunnel construction

該地下通道區(qū)域土層自上至下分別為素填土、黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土等，頂管施工主要穿越粉土和粉質(zhì)黏土。場地地下水靜止水位埋深1.10～1.50 m，如圖2所示。由以上地質(zhì)情況可知，該區(qū)域主要以素填土和黏土為主，其中可能賦存的樁基為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩者之間存在明顯的物性差異，這為地球物理探測提供了良好的前提。

由于頂管穿越區(qū)域地面為城市快速路，車流量大、交通繁忙，同時地下管線多，不能大范圍干擾和阻斷交通。如果頂管隧道施工過程中發(fā)現(xiàn)殘留樁基，頂管施工將無法通過，必須阻斷交通處理樁基，勢必對交通造成巨大壓力，從而失去采用高代價頂管施工的意義，因此，必須在頂管施工前探測清楚是否有樁基存在。由于地表不具備大范圍鉆孔勘察的條件，只能通過物探探測，圈定異常區(qū)域，并針對異常區(qū)域再有選擇性地進(jìn)行鉆孔驗證和處理。同時，由于本項目對物探探測準(zhǔn)確率要求高，需盡最大可能排除在頂管施工范圍內(nèi)的所有樁基，若是探測解釋出現(xiàn)遺漏，同樣會給施工帶來巨大麻煩。

2 物探方法

2.1 探測方法的選擇

針對地面交通繁忙、車流量大等情況，為了減少客觀干擾，物探探測選在夜間開展；同時，由于探測區(qū)域橫穿繁忙交通快速路，要求采用準(zhǔn)確、快捷、無損的物探方法。不同物探方法對比見表1。

經(jīng)比選，采用地質(zhì)雷達(dá)法和磁法探測相結(jié)合可滿足探測要求。磁法勘探時，鐵磁性物質(zhì)可產(chǎn)生出較大的磁異常，而地下樁基中含有大量的鋼筋，可以較好地定位出樁基的水平空間分布情況。探地雷達(dá)勘探時，可根據(jù)地質(zhì)和地下水分布情況選用不同頻率的天線(頻率不同，探測深度不同)。樁基在雷達(dá)探測剖面上表現(xiàn)為1組強反射且振幅較大，而樁間土層的反射能量較弱且振幅較小，通過濾波處理，可以辨識出與周圍地層在色彩上呈現(xiàn)明顯差異的不連續(xù)界面，從而作為判別樁基的依據(jù)。基于這一特點，使用地質(zhì)雷達(dá)可以有效提高縱向分辨率，進(jìn)而精確地定位樁基埋深。

圖2 地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile

表1 不同物探方法對比Table 1 Comparison among different geophysical detecting methods

2.2 磁法探測

2.2.1 基本原理

磁力儀是利用氫質(zhì)子在磁場中的旋進(jìn)現(xiàn)象進(jìn)行測量的。在傳感器中充滿了含氫的液體，其氫質(zhì)子在被儀器強制極化之前，處于無規(guī)律的排列狀態(tài)。當(dāng)人為對其加上一個極化信號后，質(zhì)子將做旋進(jìn)運動[10]。極化信號消失后，質(zhì)子的旋進(jìn)將主要受到外界磁場的影響會逐漸消失，通過對受旋進(jìn)影響的傳號器中頻率的測量，來測知外界磁場的大小。不斷對這個動作進(jìn)行循環(huán)，即可持續(xù)測量[11]。城市建設(shè)中埋置的管線、隱藏物等鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生磁性或者改變巖土體的磁性，通過分析測區(qū)磁場數(shù)據(jù)可以對隱伏物進(jìn)行定性判斷，因此，磁異常探測是工程上對鐵磁性物質(zhì)進(jìn)行探測的有效方法之一[12]。

2.2.2 工作布置

磁法勘探網(wǎng)度根據(jù)場地條件布設(shè)，測區(qū)內(nèi)以1 m×2 m 的基本網(wǎng)度開展高精度磁測工作。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

測區(qū)地磁場南北方向正常場變化超過40 nT,則對全區(qū)磁測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。應(yīng)用數(shù)據(jù)處理程序?qū)θ珔^(qū)測線進(jìn)行圓滑濾波，消除畸變點的影響，并剔除近地表強磁性干擾信號，突出有效異常[13]，同時，對測線進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)平，去除測線波紋。

磁力異常是地下地質(zhì)體的綜合疊加效應(yīng)[14]，隨著場源深度的變化而變化。當(dāng)疊加異常的場源深度不同時，異常隨觀測平面起伏的變化而增減的速度不同。淺部地質(zhì)因素的影響效應(yīng)隨觀測平面起伏的變化具有較高的敏感性，向上延拓可以使疊加異常中淺部地質(zhì)因素的影響相對減弱，而深部地質(zhì)因素的影響得到相應(yīng)加強。隨著向上延拓高度的增加，所反映的地質(zhì)信息的深度也增加[15]。

圖3為磁異常等值線圖，不同顏色代表不同磁異常數(shù)值。此次高精度磁力測量獲得的磁力異常代表總磁場強度T，ΔT是地磁場強度與正常地磁場強度的模量差。本區(qū)的磁場正常場值為54 000 nT，結(jié)合總體異常情況，計算剩余磁場和水平方向一次導(dǎo)數(shù)，以剩余磁場值為-200 nT為異常上限進(jìn)行異常識別。

將上述綜合異常解釋與現(xiàn)場區(qū)域進(jìn)行比對，共劃分出5處異常區(qū)域，如圖4所示。

異常1：位于快速路南、非機動車道與機動車道之間的側(cè)分帶附近，為剩磁低磁異常，分析可能受側(cè)分帶鐵質(zhì)護(hù)欄和電力線的綜合影響。

異常2：位于快速路南機動車道，為剩磁高值異常，分析為給水管線與異常1正值疊加的綜合影響。

(a) 剩余磁場值

(b) 水平方向一次導(dǎo)數(shù)

圖4 磁法探測結(jié)果解釋Fig.4 Explanation of magnetic detection results

異常3：位于快速路南機動車道靠近中央分隔帶處，為剩磁低值異常，分析可能為混凝土基礎(chǔ)，推測其埋深為2 m左右。

異常4：位于快速路北、非機動車道與機動車道之間的側(cè)分帶附近，為剩磁高磁異常，分析可能為加筋排樁基礎(chǔ)，推測其埋深為1.8 m左右。

異常5：位于快速路北非機動車道，為剩磁高磁異常，分析可能受管線綜合影響。

綜合以上分析，異常3和異常4推測為地下樁基礎(chǔ)引起的磁異常。由圖3可知，磁法探測在平面上圈出了異常范圍，但是在縱向上出現(xiàn)了埋深不等(圖像顏色變化較大)的現(xiàn)象，磁法反演結(jié)果反映出的樁基埋深需采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)一步驗證。

2.3 探地雷達(dá)法

2.3.1 基本原理

探地雷達(dá)法是由地面發(fā)射電磁波到地下并接收反射波，根據(jù)反射波的旅行時間、幅度與波形資料，采用圖像處理和分析，確定地下界面和目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)，提供近地表介質(zhì)特性和結(jié)構(gòu)的高分辨率信息[16]。

2.3.2 工作布置

雷達(dá)探測測線以頂管始發(fā)至到達(dá)為地面探測范圍，沿垂直于頂管走向布置。采用美國SIR3000探地雷達(dá)并結(jié)合多種型號的天線(50、100、200 MHz)進(jìn)行現(xiàn)場試驗，其中100 MHz屏蔽天線探測效果最優(yōu)。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

在現(xiàn)場檢測過程中，地質(zhì)雷達(dá)波形千變?nèi)f化，波形判別需要根據(jù)具體情況具體分析。由于管線與障礙物(管線、樁基礎(chǔ)等)的物性差異較大，因而在其接觸面上會有一強反射波。通過對雷達(dá)圖像上振幅、相位的分析，可以看到：當(dāng)下部土體中不存在管線或者障礙物時，檢測的雷達(dá)圖像成水平層狀，反射信號幅度較弱，甚至沒有界面反射波；當(dāng)下部土體中存在異常物或不均勻地質(zhì)體時，檢測的雷達(dá)圖像出現(xiàn)較強的不均勻反射波以及較強的界面反射信號，且呈不連續(xù)、較分散的弧形反射信號，表明地層中存在不均勻地質(zhì)體，與前后的反射信號明顯不一致。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在檢測范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)2處異常區(qū)域，其中：在測線19和測線20上各發(fā)現(xiàn)1處異常，如圖5所示，疑似地下基礎(chǔ)均位于測線水平方向15～20 m處、埋深1.8 m左右；在測線31上和測線32上各發(fā)現(xiàn)1處異常，如圖6所示，疑似樁位埋深0.7 m左右。

結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果解釋如圖7所示。

3 鉆孔驗證與施工措施

3.1 綜合解釋和鉆孔驗證

對探地雷達(dá)與磁法探測結(jié)果進(jìn)行綜合解釋，最終劃定2處異常區(qū)域，如圖8所示。現(xiàn)場布置鉆孔對異常區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯驗證，取出鋼筋混凝土樁基如圖9所示，說明本次物探探測結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。經(jīng)鉆孔驗證，鋼筋混凝土埋深為0.8～4.1 m，均未侵入隧道施工范圍。

3.2 施工措施

殘留樁體距離隧道頂部5 m以上，對頂管施工影響不大，因此不建議進(jìn)行樁基處理，主要采取控制頂管掘進(jìn)姿態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)和加強地表監(jiān)測等施工措施。在實際施工過程中，頂管隧道掘進(jìn)速度為1～2 cm/min，土艙壓力控制在0.1～0.2 MPa，同時采用壁后灌漿補充地層損失，最終地面累計沉降控制在20 mm以內(nèi)，順利通過了殘留樁體地段。

圖5 探地雷達(dá)探測剖面圖(測線20)Fig.5 Longitudinal profile of detection results of ground penetrating radar (line No.20)

圖6 探地雷達(dá)探測剖面圖(測線32)Fig.6 Longitudinal profile of detection results of ground penetrating radar (line No.32)

圖7 地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果解釋Fig.7 Explanation of geological radar detection results

圖8 異常區(qū)域綜合解釋Fig.8 Comprehensive interpretation of abnormal area

(a) (b)
圖9 鋼筋混凝土樁基
Fig.9 Reinforced concrete pile foundation

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)周邊環(huán)境情況和樁基物性特征，通過比選多種物探方法的適用性，最終采用探地雷達(dá)和高精度磁法探測相結(jié)合的方法對樁基進(jìn)行探測。通過實際鉆孔驗證，與探測結(jié)果相符，證明選用的方法合理可靠，對類似工程具有一定的指導(dǎo)意義，主要結(jié)論如下。

1)由于受到客觀環(huán)境限制，采用單一物探探測方法的準(zhǔn)確率有限，一般需要2種以上的物探方法相結(jié)合并相互驗證，從而提高探測準(zhǔn)確率，同時得到的結(jié)果也更加接近于實際情況。在采用多種物探方法聯(lián)合探測時，最好選用2種物理前提不同的方法。

2)利用高精度磁法對鐵磁性物質(zhì)探測靈敏度高的特性，將探測區(qū)域內(nèi)所有異常區(qū)域劃出，再結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)，有效地排除假異常。在城區(qū)，該方法具有一定的推廣價值。

3)磁法探測對地下鐵磁性物體引起的磁異常反應(yīng)強烈，水平分辨率較高。根據(jù)磁異常強度大小只能大致推測出樁基埋深，而探地雷達(dá)彌補了磁法探測縱向分辨率低的缺陷，2種方法可相互補充、相互印證。

4)本次應(yīng)用研究側(cè)重于對結(jié)果的綜合解釋，并沒有涉及數(shù)據(jù)聯(lián)合反演解譯。在城區(qū)物探探測工作中，采用多種物探方法聯(lián)合反演解譯會達(dá)到更好的處理效果，這將是未來發(fā)展的趨勢。

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Technology of Accurate Detecting of Residual Pile Foundation under Busy Traffic Road in Urban Area

JIN Hua1,ZHU Mingming2,HE Hongyuan2,DANG Rujiao3,LI Zhiguo3

(1．ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,Shaanxi,China;2.SanchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Shenzhen518000,Guangdong,China;3.Survey,Design&ResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China)

Some unknown residual pile foundations are encountered during the construction of launching shaft and receiving shaft of pipe-jacking tunnel in urban area.The location and scope of residual pile foundation in the construction area are not clear.As a result,it is necessary to find out whether there is any residual pile foundation in the tunnel area before carrying out construction.Only the geophysical method can be adopted for there is no condition for extensive drilling exploration.The method of residual pile foundation detecting by ground penetrating radar and magnetic method,which can meet the detection requirements,are selected.According to the detection results,the drilling verification in abnormal area is carried out and the countermeasures are taken to guarantee safe construction of pipe-jacking tunnel.

pipe-jacking tunnel; residual pile foundation; ground penetrating radar; magnetic detection; drilling inspection

2016-11-10;

2017-02-21

金花(1981—)，女，甘肅蘭州人，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，碩士，講師，主要從事鐵道工程專業(yè)教學(xué)與施工技術(shù)研究工作。E-mail：jinhua605@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.016

U 452.1

B

1672-741X(2017)06-0753-08