盾顶地层探测汇报材料(第二次)

成都地铁1号线盾构施工对地层扰动范围（松动范围和空洞）无损探测地质雷达探测汇报材料成都畅达通地下工程科技发展有限公司二○○九年八月目录1前言............................................................................................................................12探测范围....................................................................................................................13探测目的....................................................................................................................24工程概况....................................................................................................................24.1地质及地球物理条件......................................................................................24.2环境条件..........................................................................................................25探测方案....................................................................................................................35.1塌陷形成机理分析..........................................................................................35.2目标体可探性分析..........................................................................................45.3探测设备..........................................................................................................45.4探测原理..........................................................................................................45.5探测参数..........................................................................................................55.6现场工作方法..................................................................................................65.7数据处理及解释...............................................................................................76探测工作概述..........................................................................................................127探测结果..................................................................................................................128结论..........................................................................................................................1311前言成都地铁1号线盾构埋深较浅，一般在8.0～17.0m，地下水位高，砂卵石层中进行盾构施工经验少。在盾构施工过程中，发生了盾顶地面塌陷。为保障成都市主干道人民北路、人民中路、人民南路的交通安全，需要查明盾顶地层受扰后是否存在空洞或不密实区，进而有针对性地进行地层加固。探测方法要求具有精度高、速度快、非开挖、无损特点，而地质雷达能够满足上述要求。受成都地铁公司委托，我公司采用地质雷达对盾顶地层空洞和不密实区进行探测。鉴于目前地质雷达在路基病害中的探测，在对较大规模的裂隙及洞穴的位置和规模确定，在对浅层地基及地基注浆质量探测方面取得的成功经验。我们综合分析认为通过选用合适探测参数，优化测线布置，采用先进分析处理软件进行数据信号处理，采用地质雷达对地面下一定深度范围内的地层空洞及不密实区的探测是可行的（当然基于一定天线频率下，深部信号太弱时可考虑由洞内向地面发射电磁波）。但由于电磁波在地下介质中的高衰减性，加之地质介质的离散型，环境干扰，获得高水位下盾顶地层高质量信号难度是很大的。由于此探测项目在国内以往类似工程探测经验很少，也缺乏直接的验证方法，异常分析时也有一定不确定性，仅能根据设计地质资料常规理论分析方法进行解释，工作具科研性质。2探测范围我们对成都地铁1号线火车北站～火车南站盾构段共10个区间进行了地质雷达探测。测区全部位于成都市主干道人民北路～人民中路～人民南路上，这些区间包括盾构Ⅰ标火车北站～人民北路站区间，盾构Ⅱ标人民北路站～文武路站～骡马市站～天府广场站，盾构Ⅲ标天府广场站～锦江宾馆站～小天竺站～体育馆站，盾构Ⅳ标体育馆站～倪家桥站～桐梓林站～火车南站，探测线路长度9775m（K4+460～K14+235）。23探测目的探测主要目的是探测盾顶地层是否存在空洞和很不密实区，为地层加固提供信息依据。4工程概况4.1地质及地球物理条件根据设计钻探资料，探测区段隧道埋深8.0～17.0m，洞顶以上地层自下而上依次为：Q4卵石层（偶夹砂层透镜体）、（部分段有粉质粘土、粉土、砂层）、粘土层、人工填筑土层、混凝土路面层，地层分层性好，层面清晰，便与同向轴追踪。人工填筑土层局部稍密，潮湿，均一性差，多为欠压密土，强度低、压缩性高、荷重易变形特点。粘性土层也具有含水率高、强度低、压缩性高、荷重及失水地层变形大性质。隧道主体结构位于卵石层中。地下水主要为第四系砂卵石孔隙水，地下水流自北西流向南东，具有侧向补给好，水流交替循环强烈、水位恢复迅速特点。实测地下水静止水位埋深约6.0m。测区总体地形平坦，但局部有路缘台阶。各层及混凝土路面层介电常数ε等物性参数均不同，有较大差异。4.2环境条件测区位于城市主干道，天线经过的地表相对平缓，障碍少；地下管线、管道、检查井、检查孔全线均有分布；路面上有一定的输电、路灯线杆，防撞钢护栏等设施等信号干扰源；路面下不存在高电导屏蔽层。35探测方案5.1塌陷形成机理分析在盾构施工过程中，发生过两类地面塌陷，一类发生在盾尾刚脱出后，与开挖同步的坍陷；另一类是盾构过后一段时间，发生的滞后性塌陷。两类坍陷均具有突发性特点，第一类坍陷一般对应地面监测沉降量大，往往超出预警值和控制值（预警值20mm，超限值30mm）；第二类坍陷发生时间具有不确定性。要对目标体进行探测，首先要了解目标体的形成机理。以下为盾构通过后，地层空洞或不密实区形成机理的浅析：通常认为盾构推进中，盾顶部分、换刀和车站端头位置，地层受扰程度大。盾构刀盘切削可能带走盾顶较多的土体，尤其是分布于卵石层中小粒径的粉细砂颗粒，造成土体变松，力学性质降低，反映到施工中就是出渣量加大。卵石土的内聚力是很小的，砂土中C=0，但由于土体颗粒间存在的内摩擦，卵石大颗粒起到骨架作用，在盾顶及两腰位置形成承载拱，这种整体性和抗剪强度都差的承载拱只能是临时性的，如果管片壁后空隙未能注浆及时充填，那么在路面上振动荷载和地下水渗流作用下，可能发生突发性解体，反映到路面上即发生与盾进同步的塌陷。产生这种地面坍陷本质是拱部管片壁后地层产生空洞，空洞未及时充填造成。由于地层空洞或松散区处于盾构隧道管片拱顶背后，处于早期还未向上发展，地质雷达探测时可选择频率相对较低的天线（50MHz以下）进行地面探测或进行洞内管片拱部探测（此时选择较高频率天线200MHz左右）。发生地面坍陷另一种机理是，盾构推进刀盘带走较多土体颗粒，洞顶砂卵石层变得松散，地层土体位移，尤其是地层中存在粉土、砂层、砂层透镜体时，这些土体颗粒在地下水及路面振动荷载作用下不断充填盾顶孔隙，在路面下粉土层(或粉质土层)中形成空隙并不断扩大，在盾后一段时间（时间长短取决卵石层中孔隙率大小以及路面振动情况和地下动水力大小），路面下形成空洞，进而路面在车辆荷载频繁作用下，发生滞后性塌陷。此时地层空洞或松散区已向上发展，地质雷达探测时可选择频率相对较低天线（150MHz～50MHz）从地面向下探测。45.2目标体可探性分析地球物理探测是利用目的物与周边介质的物理性质差异，运用适当的地球物理原理和相应的仪器设备，通过分析研究探测到的物理场，探测地质界限、地质构造及其他目的物或目标的勘探方法。基于地质条件变化、城市活动引起的电场、地震波场、磁场、重力场等物理场的变化，电法、地震法、磁法、重力等各种方法可在实际中应用。通过对测区地球物理特征的分析，盾顶地层介电常数皆有较大差异，同时地层中若出现空洞或松散区，空洞或空隙处电性（介电系数）与围土地层存在差异，但电性相对不稳定，可通过波形同相性、相似性，反射面能量强弱予以判别。对比盾构通过前后波形同相轴变化以判别地层变形对于判断潜在空洞形成和评价盾构对地层扰动情况很有意义。因此我们认为采用地质雷达实施探测是可行的。探测重在检查地层空洞（最小几何尺寸在0.5m以上），同时考虑卵石骨架间范围存在较大孔隙的不密实区也应该是探测的重点。5.3探测设备探测使用瑞典RAMAC/GPR型地质雷达及100MHz屏蔽天线与拉脱维亚Zond－12e型探地雷达及150MHz非屏蔽天线。仪器信号增益、A/D转换、扫描速率等性能满足相关规范及现场要求。5.4探测原理电磁波传播和衰减的两个主要电性物理量是电导率和介电常数。对于地质雷达来说，其发射电磁波的频率范围、被测目的体的电导率和介电常数均影响着电磁波的传播。在导电介质中传播的电磁波，在传播方向上的振幅按指数规律衰减。在良导内由于其电导率很大，场矢量衰减更快，产生趋肤效应。地质雷达利用高频广谱电磁脉冲波的反射原理探测目的体，其反射脉冲信号强度不仅与传播介质的波吸收程度有关，而且也与被穿透介质界面的波反射系数有关。两边介质的电磁参数（导磁系数μ，相对介电常数ε，电导率σ）差别越大，反射系数也越大，同样反射波能量亦大。地质雷达波的反射系数可简写为：5R12＝（21）/（21）式中：ε1、ε2分别为第一层、第二层相对介电常数。由上式可知：反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质的相对介质常数的差异，差异越大，反射系数越高，获得的异常越明显。地质雷达利用一个天线以宽带脉冲的形式，向探测前方发射106~109Hz高频电磁波，另一个天线接收探测前方介质界面的反射电磁波。如图1所示。通过