跨孔CT法在地鐵工程樁基間距探測中的應用

周 坤， 王 華

(1. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055； 2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院， 廣東 廣州 511455)

0 引言

地鐵是我國大城市公共交通重要的組成部分。隨著國民經濟的不斷發展，科學技術的不斷提高，我國城市地鐵工程建設迎來了快速發展時期。截至2016年年底，我國共有30個城市開通城市軌道交通并投入運營，共計133條線路，運營線路總長度達4 152.8 km。截至2016年年底，共有58個城市的城軌線網規劃獲批(含地方政府批復的14個城市)，規劃線路總長達7 305.3 km。2017年新增福州、石家莊、貴陽和廈門4個城市開通地鐵運營。截至2017年12月31日，全國開通地鐵運營城市已達34個。

隨著地鐵工程建設市場的不斷擴大，地鐵施工面臨的地形、地質條件和監測環境愈加復雜,施工過程中經常遇到地下樁基、孤石等障礙物，準確探查掘進區域內障礙物的大小和分布是地下工程施工中迫切需要解決的難題。很多特殊位置因為空間狹小或臨近建筑物而不能采用大面積物探和地質鉆孔進行勘察，且地下障礙物和周圍巖土體的物理性質存在明顯差異，這為地球物理勘探方法探測地下障礙物提供了前提條件。近年來，工程勘察地球物理技術得到迅猛的發展，已經證明，跨孔CT法是地球物理技術中最可靠且精度最高的方法之一。跨孔CT法具有施作空間小、探測點更接近勘探目標體、傳輸路徑簡單、信號保真度大以及數據精確度高等特點，目前已廣泛應用于鐵路工程地質勘查和市政地鐵工程的地下障礙物探測等領域，并取得相關的研究成果。朱元武等[1]將跨孔電阻率CT法應用于市政工程巖溶探測，降低了勘探成本，應用效果顯著。文獻[2-4]將跨孔電磁波CT法應用于水電、鐵路工程巖溶勘查中，取得了良好的應用效果。孔得天等[5]將彈性波CT技術應用于大足石刻巖體破碎帶探測中，成功探測出了破碎帶的規模及產狀，驗證了該探測技術的可靠性。錢勝[6]將跨孔電阻率CT法應用于深圳地鐵區間地質補勘，有效解決了復雜條件下不良地質的探測問題。李術才等[7]采用跨孔電阻率CT法對地鐵盾構區間的孤石進行探測，從施加先驗信息約束和提高反演精度2個方面共同改善了電阻率CT 反演的多解性與成像效果。以往針對探測體的跨孔CT法探測，主要側重于單一物探方法的應用[8-13]，采用多種跨孔CT法相結合的探測研究相對較少。本文結合某地鐵隧道橋臺樁基探測對跨孔CT法(跨孔電阻率CT、彈性波CT、電磁波CT)工作原理、現場探測實施方案以及探測成果解譯進行分析探討，以期為今后類似隧道及地下工程地下樁基或者障礙物的精確探測提供借鑒和參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

某城市地鐵廣石路站—青石路站區間為盾構區間，整體呈南北走向。區間全長約2 107 m，平面線間距為13～31 m，為左右隧道，盾構直徑為6.2 m。

探測區位于某市梁溪區鳳賓路與西汀河交匯處，即西汀橋處，周圍有行車道、人行道以及高架橋等，施工環境較為復雜。

西汀橋為2005年道路改造橋，由于江海路高架橋的修建,現已拆除,橋臺設計樁基左右各2排，樁基為圓形挖孔樁，樁徑為1 000 mm，排間距為2.7 m(中心間距)，樁間距為3.2 m(中心間距)，共12根，設計長度為28 m，兩側樁基的外側與區間隧道開挖廓線設計距離為0.9 m。探測區平面位置如圖1所示。

圖1 探測區平面位置示意圖(單位: m)

1.2 工程地質情況

根據探測區西汀橋地質鉆孔資料，鉆孔地面標高為+4.00 m，由上到下土層分布為： +4.00～+0.30 m為②1雜填土，+0.30～-2.30 m為③1黏土，-2.30～-4.00 m為③2粉黏夾黏質粉土，-4.00～-7.00 m為④1黏質粉土，-7.00～-12.40 m為④2-2黏質粉土夾粉砂，-12.40～-16.00 m為⑤1粉質黏土，-16.00～-21.60 m為⑤2黏質粉土，-21.60～-23.50 m為⑤3粉質黏土。工程地質剖面圖如圖2所示。

圖2 工程地質剖面圖(單位： m)

由地質資料可知，橋承臺樁之間主要為黏質粉土和粉質黏土，樁基為鋼筋混凝土結構，樁、土之間存在明顯的物理性質差異，為地球物理探測提供了條件。區間隧道穿越西汀河橋承臺兩側的樁基，樁基外側離盾構隧道開挖輪廓線僅為0.9 m，將會對盾構掘進施工造成重大影響，因此在盾構施工前采用物探方法對西汀橋樁基之間的距離進行探測，進而明確樁基與廣青區間隧道的相對位置關系，為盾構順利通過西汀橋承臺樁提供指導和依據。

2 探測原理及方法

2.1 探測方法選擇

由于西汀橋橋臺兩端地面交通繁忙、車流量大以及高架橋梁閘道施工影響等情況，導致探測區域空間狹小，不適合采用空間要求較大的地球物理勘探方法。經比選，跨孔CT法適用于探測區域的場地條件。廣青區間西汀橋承臺樁之間充填地層主要為粉質黏土和黏質粉土，橋承臺樁基為鋼筋混凝土挖孔樁，樁、土的物理性質差別較大。土層(含水)相對電阻率偏低，由于土層含有碎石等，整體的電性分布不均勻；橋承臺樁基為鋼筋混凝土樁，電阻率相對較高，橋承臺樁基材料比較單一均勻，整體電性分布均勻，這為該區域進行跨孔電阻率法探測提供了良好的地球物理條件。同時，樁基和土層地震波波速差別較大，對電磁波的吸收程度也相差很大，為開展彈性波CT和電磁波CT探測提供了地球物理前提條件。物探方法是一種間接的探測方法，探測成果受到地質條件和反演邊界條件的影響，采用多種物探方法相結合才能取得較理想的結果。綜上所述，在探測區采用跨孔電阻率CT、彈性波CT和電磁波CT 3種方法進行探測，3種方法相互驗證，聯合解譯，可提高盾構區間左右兩側西汀橋承臺樁間距探測的準確性。

2.2 探測原理

本次探測采用的物理地球方法為跨孔電阻率CT、彈性波CT以及電磁波CT法。不同探測方法的應用條件、工作原理、探測儀器、數據處理和優缺點對比見表1。

表1 不同物探方法對比

2.3 探測孔設置

根據設計資料，本次探測深度約為18.0 m，探測孔設計深度一般為探測深度的1.5倍，即為27.0 m。

鉆探成孔時應盡可能保持鉆孔的垂直度，終孔后宜進行測斜校正。相鄰鉆孔孔底高差宜小于5.0 m，鉆孔終孔后應進行清渣，保證有效探測深度；最后應放入PVC膠管護孔，需在鉆孔完畢后5 h內開展探測，防止泥漿沉積無法放入探頭。

在探測中需在鉆孔成孔之后下入直徑大于75 mm的PVC套管，以防止塌孔；同時，在PVC孔上打一些密集小孔，PVC套管上每隔100 mm用電鉆打4個小孔，且小孔應呈梅花形布設，不要位于同一剖面上；然后，在PVC管上纏上紗網，防止泥漿進入PVC管中，保證信號的順利傳輸。PVC管加工示意圖如圖3所示。

圖3 PVC管加工示意圖

本次探測共布設6個探測鉆孔，左右各3個，分別為ZK1—ZK6。根據現場6個鉆孔的分布情況布置了3條物探測線WT1(ZK1—ZK4)、WT2(ZK2—ZK5)和WT3(ZK3—ZK6)，探測孔ZK1與ZK4、ZK2與ZK5、ZK3與ZK6的間距分別為12.8、10.9、11.0 m。探測孔位置分布如圖4所示。

圖4 探測孔位置分布圖

3 探測成果分析

采用跨孔電阻率CT法、跨孔彈性波CT法以及跨孔電磁波CT法分別探測3條測線。

跨孔電阻率CT法視電阻率分布成果圖如圖5所示。根據2個測孔之間地下土體與樁基的相對位置可知，相對土體而言，樁基表現為視電阻率較高，且電性相對較均勻。

跨孔彈性波CT法的地震波波速分布圖如圖6所示。圖6中樁基表現為相對的高速體，而樁基之間充填的土體表現為低速體。

跨孔電磁波CT法視吸收系數分布圖如圖7所示。當電磁波通過不同的地下介質(如巖石、土體、采空區、溶洞、破碎帶等)傳播時，具有不同的傳播速度和衰減特性。由于不同介質對電磁波的吸收存在差異，測區內樁基的視吸收系數βs較大，而土體的視吸收系數βs相對較小。

根據以上3種方法的解譯原則進行分析，樁基間距探測結果如表2所示。

圖5 跨孔電阻率CT法視電阻率分布成果圖

Fig. 5 Apparent resistivity distribution of cross-hole resistivity CT method

圖6 跨孔彈性波CT法地震波波速分布圖

Fig. 6 Wave velocity distribution of cross-hole elastic wave CT method

圖7 跨孔電磁波CT法視吸收系數分布圖

Fig. 7 Apparent absorption coefficient distribution of cross-hole electromagnetic wave CT method

表2跨孔CT法樁基間距探測結果

Table 2 Detection results of pile foundation spacing by cross-hole CT method

測線跨孔電阻率CT法跨孔彈性波CT法跨孔電磁波CT法WT1(ZK1—ZK4) 樁基內側邊緣之間的距離為8.2 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為1.0 m 樁基內側邊緣之間的距離為8.0 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為0.9 m 樁基內側邊緣之間的距離為8.2 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為1.0 mWT2(ZK2—ZK5) 樁基內側邊緣之間的距離為8.0 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為0.9 m 樁基內側邊緣之間的距離為7.9 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為0.85 m 樁基內側邊緣之間的距離為7.9 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為0.85 mWT3(ZK3—ZK6) 樁基內側邊緣之間的距離為8.0 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為0.95 m 樁基內側邊緣之間的距離為8.2 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為1.0 m 樁基內側邊緣之間的距離為8.0 m。根據盾構隧道設計資料計算可得,內側樁基邊緣與盾構隧道邊線的距離為0.9 m

4 鉆孔驗證

對跨孔CT法結果進行綜合解譯，最終確定3條測線樁基之間距離的平均值分別為8.1、7.9、8.0 m。現場布置鉆孔對樁基間距進行驗證。現場測量結果與探測結果基本一致，說明本次物探探測結果是準確可靠的。現場鉆孔照片如圖8所示。

圖8 現場鉆孔

5 結論與討論

本文根據西汀橋橋臺樁基與周圍土體的物理特性，通過物探方法的比選，最終采用跨孔CT法對樁基間距進行了探測。通過現場鉆孔驗證，實際測量結果與探測結果相符，表明選用的物探方法合理可靠，對類似工程具有一定的指導和借鑒意義。得到的主要結論與討論如下：

1)通過跨孔CT法對橋臺樁基間距進行探測，探測結果與實際基本一致，3種方法可相互驗證，有效提高了探測結果的準確性和精確度。

2)從本次探測分析結果來看，探測結果的精確度與探測孔的布置、探測孔之間的地質條件有關，另外，跨孔電阻率CT法和跨孔電磁波CT法受探測區金屬物體(樁體內鋼筋等)的影響較大。

3)隨著地鐵工程建設的規模和數量迅速發展，地質條件和施工環境越來越復雜，跨孔CT法具有施工空間小、精度高的特點，因此，應用前景廣闊。

4)在本次物探探測工作中，采用多種物探方法聯合反演解譯達到了較好的應用效果，如何進一步提高物探方法的探測精度，以滿足地鐵工程中地下障礙物更精細化探測的要求是未來的研究方向。

參考文獻(References)：

[1] 朱元武, 劉春香, 于淑雯. 跨孔電阻率CT 在巖溶地基勘察中的應用[J]. 勘察科學技術, 2016(5): 59.

ZHU Yuanwu, LIU Chunxiang, YU Shuwen. Application of cross-hole resistivity CT technology in karst foundation prospection[J]. Site Investigation Science and Technology, 2016(5): 59.

[2] 黃飄, 張曉峰, 黃毓銘. 跨孔電磁波CT 成像技術在巖溶勘查中的應用[J]. 科技廣場, 2015(10): 121.

HUANG Piao, ZHANG Xiaofeng, HUANG Yuming. Application of cross-well electromagnetic CT technology in karst exploration[J]. Science Mosaic, 2015(10): 121.

[3] 湯斌峰, 李會強. 跨孔電磁波CT技術在白北城際鐵路巖溶探測中的應用[J]. 科技展望, 2016, 25(12): 132.

TANG Binfeng, LI Huiqiang. Application of cross-hole electromagnetic wave CT technology in karst detection of Baibei Intercity Railway[J]. Technology Outlook, 2016, 25(12): 132.

[4] 楊嘉明, 閆占豹, 楊帆, 等. 電磁波CT 在水電工程巖溶探測中的應用[J]. 東北水利水電, 2018(2): 66.

YANG Jiaming, YAN Zhanbao, YANG Fan, et al. Application of electromagnetic wave CT in karst detection of hydropower engineering[J]. Water Resources & Hydropower of Northeast China, 2018(2): 66.

[5] 孔得天, 李高, 鄭旭輝, 等. 彈性波CT 技術在大足石刻巖體破碎帶探測中的應用[J]. CT 理論與應用研究, 2018, 27(1): 35.

KONG Detian, LI Gao, ZHENG Xuhui, et al. Application of elastic wave CT technique on detection of fracture zone in the rock mass of Dazu Stone Carvings [J]. Computerized Tomography Theory and Applications, 2018, 27(1): 35.

[6] 錢勝. 電阻率跨孔CT法在地鐵施工補勘中的應用[J]. 建設科技, 2017(8): 128.

QIAN Sheng. Application of resistivity cross-hole CT method in metro construction prospecting[J]. Construction Science and Technology, 2017(8): 128.

[7] 李術才, 劉征宇, 劉斌, 等. 基于跨孔電阻率CT 的地鐵盾構區間孤石探測方法及物理模型試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2015, 37(3): 446.

LI Shucai, LIU Zhengyu, LIU Bin, et al. Boulder detection method for metro shield zones based on cross-hole resistivity tomography and its physical model tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(3): 446.

[8] 涂善波, 毋光榮, 裴少英. 彈性波CT在大壩截滲墻檢測中的應用[J]. 工程地球物理學報, 2010, 7(3): 286.

TU Shanbo, WU Guangrong, PEI Shaoying. Application of elastic wave CT to detection of dam cutoff wall[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2010, 7(3): 286.

[9] 顏文雄. 鉆探輔以彈性波CT 法聯合勘察在巖溶勘察中的應用[J]. 世界有色金屬, 2018(1): 278.

YAN Wenxiong. Application of joint exploration with elastic wave CT method in karst exploration[J]. World Nonferrous Metals, 2018(1): 278.

[10] 趙虎, 李瑞, 劉鈺泉, 等. 跨孔彈性波CT成像在路基病害診斷中的應用[J]. 新疆地質, 2007, 25(2): 221.

ZHAO Hu, LI Rui, LIU Yuquan, et al. The application of cross-hole seismic CT method in road-bed disease screening[J]. Xinjiang Geology, 2007, 25(2): 221.

[11] 王樺, 紀洪廣. 跨孔直流電阻率法CT勘探技術研究[J]. 地球物理學進展, 2010, 25(5): 1833.

WANG Hua, JI Hongguang. Study of CT prospecting technology by the pole-pole cross-hole direct-current resistivity method[J]. Progress in Geophysics, 2010, 25(5): 1833.

[12] 李紅立, 張華, 汪傳斌. 跨孔超高密度電阻率法在花崗巖球狀風化體勘探中的試驗研究[J]. 工程勘察, 2010, 38(8): 88.

LI Hongli, ZHANG Hua, WANG Chuanbin. Experimental study of the cross-hole ultra-density resistivity method used in the exploration for the spheric lightly-weathered granite[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2010, 38(8): 88.

[13] 李紅立, 潘冬明, 張華, 等. 基于孤石的彈性波波速和電磁波衰減特性層析成像技術對比研究[J]. 工程勘察, 2016, 44(10): 72.

LI Hongli, PAN Dongming, ZHANG Hua, et al. Comparison study of tomography technique based on elastic wave velocity and electromagnetic wave attenuation properties of spherical weathered granite[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2016, 44(10): 72.