磁梯度法在城市軌道交通工程建筑物基礎(chǔ)調(diào)查中的應(yīng)用

蒲 勇

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510010)

城市軌道交通工程主要以地下敷設(shè)方式建設(shè)在城市繁華地段,地鐵沿線(xiàn)往往分布著眾多地下管線(xiàn)和建筑群。在地鐵工程建設(shè)前期均須對(duì)設(shè)計(jì)線(xiàn)路沿線(xiàn)周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查,主要包括地下管線(xiàn)和建筑物基礎(chǔ)調(diào)查。調(diào)查成果的準(zhǔn)確性直接影響到地鐵線(xiàn)路的設(shè)計(jì)和施工,一旦調(diào)查成果有遺漏或與實(shí)際存在較大差異,很可能會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)方案的重大變更,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失,甚至?xí)霈F(xiàn)工程施工直接損壞地下管線(xiàn)或建筑物,直接威脅到居民的財(cái)產(chǎn)和生命安全。

對(duì)于建筑的基礎(chǔ)資料仍是以收集資料為主,當(dāng)遇到年代已久的建(構(gòu))筑或城鄉(xiāng)結(jié)合部的村民自建房等,則常出現(xiàn)收集不到既有的基礎(chǔ)資料。在此情況下,為保障地鐵工程設(shè)計(jì)、施工的順利實(shí)施,就需采用物探等其他手段來(lái)獲取建物樁基礎(chǔ)等資料。受城區(qū)復(fù)雜場(chǎng)地條件及物探方法的局限性,適用于探測(cè)既有建筑物樁基礎(chǔ)的方法不多。磁梯度法常用于檢測(cè)樁基礎(chǔ)的鋼筋籠長(zhǎng)度,在調(diào)查既有建筑物樁基礎(chǔ)時(shí)也常被采用。

1 基本原理

磁梯度法屬磁法勘探方法之一,起初多用于研究大地構(gòu)造和磁性礦體,隨著探測(cè)儀器電子元件等的快速發(fā)展,探測(cè)精度越來(lái)越高,近年來(lái)也逐漸應(yīng)用于地下管道、地下電纜等工程方面。

地球本具磁場(chǎng),即地磁場(chǎng),地磁場(chǎng)在地球表面的分布是有規(guī)律的,它相當(dāng)于一個(gè)位于地心的磁偶極子的磁場(chǎng)。S極位于地理北極附近,N極位于地理南極附近。按研究地磁場(chǎng)的目的不同,可將實(shí)測(cè)磁場(chǎng)分為正常地磁場(chǎng)和磁異常兩部分。正常場(chǎng)主要是指地球自身的地磁場(chǎng),而磁異常則是指有被探測(cè)磁性目標(biāo)體所地磁場(chǎng)磁化后在其周?chē)a(chǎn)生的次生磁場(chǎng)[1-2]。

假設(shè)被探測(cè)樁基礎(chǔ)為預(yù)制管樁,其整樁均內(nèi)置有鋼筋,即鋼筋即為探測(cè)目標(biāo)磁性體。磁梯度探測(cè)內(nèi)置鋼筋籠長(zhǎng)度就是利用鋼筋所產(chǎn)生的磁異常與正常場(chǎng)的差異,使用磁梯度儀的探頭在樁側(cè)附近的鉆孔中測(cè)出隨深度變化的磁梯度值(ΔZ),然后繪制成曲線(xiàn),依據(jù)曲線(xiàn)的變化特征確定鋼筋長(zhǎng)度,從而判斷樁基長(zhǎng)度。

設(shè)內(nèi)置鋼筋樁基磁度量為m,埋設(shè)深度為L(zhǎng),則在探測(cè)孔旁側(cè)距離為d處沿深度(z)方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度(Z)及磁梯度(ΔZ)的計(jì)算公式如下:

由此可計(jì)算出測(cè)孔內(nèi)梯度ΔZ隨深度(z)的理論變化曲線(xiàn)。其形態(tài)見(jiàn)圖1。

2 方法技術(shù)

測(cè)試前需在擬探測(cè)樁基礎(chǔ)旁選擇合適位置采用工程鉆機(jī)鉆一探測(cè)孔,鉆孔距離擬探測(cè)樁距離約近越好,且不宜>1.5 m,孔徑可選擇Φ108 mm或Φ75 mm,孔深須比預(yù)估樁長(zhǎng)深5 m以上。為防止鉆孔塌孔而阻礙探頭孔內(nèi)移動(dòng),需在孔內(nèi)下放合適大小的PVC管,如Φ70 mm或Φ50 mm。

圖1 磁梯度探測(cè)內(nèi)置鋼筋樁基長(zhǎng)度示意圖Fig.1 Sketch map of magnetic gradient detection of length of reinforced pile foundation

測(cè)試前,先將磁梯度傳感器放置在磁場(chǎng)干擾很小的地方進(jìn)行儀器調(diào)零和現(xiàn)場(chǎng)背景磁場(chǎng)調(diào)試。測(cè)試時(shí),以孔口地面為起始 0.00 m,每孔分別按下放、上拉探頭測(cè)試兩次,以0.2 m點(diǎn)距進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)有數(shù)值變化較大部位,則加密測(cè)讀,以此可以提高探測(cè)精度。

3 工程實(shí)例

廣州地鐵十八號(hào)工程線(xiàn)路經(jīng)過(guò)一某商貿(mào)城,該商貿(mào)城分為南、北兩區(qū),因兩區(qū)建設(shè)年份及施工設(shè)計(jì)單位不一樣,前期房屋基礎(chǔ)調(diào)查時(shí)僅收集到北區(qū)建筑基礎(chǔ)資料,南區(qū)未收集到相關(guān)基礎(chǔ)資料。北區(qū)收集資料顯示,該區(qū)建筑采用Φ300 mm的預(yù)制管樁,樁長(zhǎng)介于15～18 m,樁尖持力層為堅(jiān)硬土層,通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)了解到南區(qū)的建筑商鋪采用的也是預(yù)制管樁,樁長(zhǎng)可能達(dá)到30 m,按此訪(fǎng)問(wèn)信息,南區(qū)既有建筑基礎(chǔ)已侵入到設(shè)計(jì)地鐵隧道內(nèi)。為了能較準(zhǔn)確地了解該處建筑樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度,選擇采用磁梯度法進(jìn)行探測(cè),為地鐵設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

地鐵線(xiàn)路呈近南北向下穿商貿(mào)城南區(qū),本次選擇在地鐵線(xiàn)路下穿商貿(mào)城南區(qū)建筑物的南北兩側(cè)分別探測(cè)一孔,南側(cè)鉆孔為WT1,北側(cè)利用勘察鉆孔ZK46。探測(cè)成果圖如圖2。

本次測(cè)試鉆孔附近淺部具消防水管及電力線(xiàn)，對(duì)上部磁場(chǎng)測(cè)試具一定干擾，雖然取得的測(cè)試曲線(xiàn)形態(tài)較理論計(jì)算曲線(xiàn)有所區(qū)別，但結(jié)合鉆孔揭露地層及采用樁型等先驗(yàn)信息，仍可分析探測(cè)樁長(zhǎng)等信息，達(dá)到預(yù)期效果。

從WT1號(hào)孔中發(fā)現(xiàn)的ΔZ異常來(lái)看,位于15 m深處存在明顯的Z分量異常,15 m之下的磁場(chǎng)變化平穩(wěn),推斷WT1號(hào)孔附近管制樁的底部埋深大致在15.0±0.5 m。WT1成孔地質(zhì)情況為:0.0～3.0 m為填砂;3.0～13.6 m為淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂;13.6～23.0 m為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,其中13.6～13.9 m為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。據(jù)此,測(cè)試樁樁端位于強(qiáng)風(fēng)化巖巖面附近。

圖2 WT1、ZK46孔磁梯度探測(cè)成果圖Fig.2 Maps of magnetic gradient detection results in WT1 and ZK46 boreholes

根據(jù)ZK46孔探測(cè)ΔZ曲線(xiàn)來(lái)看,在孔深14 m附近存在一個(gè)明顯的磁異常,14 m之下磁場(chǎng)趨于穩(wěn)定,由此推斷ZK46孔附近管制樁的底部埋深大致在14.5±0.5 m。從成孔鉆探情況看,該孔地層0.0～3.1 m為填土;3.1～11.9 m為淤泥質(zhì)土;11.9～19.8 m為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,下伏依次為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。測(cè)試樁樁端位于全風(fēng)化巖層中。

根據(jù)前期調(diào)訪(fǎng),該處建筑可能采用的是Φ300 mm的預(yù)制管樁,從探測(cè)樁長(zhǎng)對(duì)應(yīng)樁端地層情況看,處于全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化上段,基本符合管樁成樁可能。根據(jù)鉆孔揭露地層情況,原訪(fǎng)問(wèn)的信息樁長(zhǎng)達(dá)30 m也基本可排除。

4 結(jié)論與建議

地鐵工程多下穿城市主要城區(qū),常會(huì)因收集不到沿線(xiàn)建筑基礎(chǔ)資料而影響設(shè)計(jì)方案或工程進(jìn)度。本文基于磁梯度法探測(cè)原理結(jié)合樁基成樁工藝等,較好的探測(cè)出了既有建筑物的樁長(zhǎng),為工程設(shè)計(jì)施工提供了科學(xué)的參考資料。該方法具操作方便、處理資料簡(jiǎn)單、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn),較適合在類(lèi)似工程中應(yīng)用。