盾顶地层探测汇报材料第二次.docx
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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1
2探测范围1
3探测目的2
4工程概况2
4.1地质及地球物理条件2
4.2环境条件2
5探测方案3
5.1塌陷形成机理分析3
5.2目标体可探性分析4
5.3探测设备4
5.4探测原理4
5.5探测参数5
5.6现场工作方法6
5.7数据处理及解释7
6探测工作概述12
7探测结果12
8结论13
1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)。
3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。
5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。
5.2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:
R12=(
)/(
)
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。
通过对时域波形的采集、处理和分析,可确定地下界面或目标体的空间位置或结构形态。
根据测得的雷达波走时,自动求出反射物的深度z和范围。
依据反射波的波形与强度特征,通过同相轴的追踪,就可研究探测前方地质体空间位置和地质结构。
地质雷达主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体。
由公式
雷达根据测得的雷达波走时,自动求出反射物的深度z和范围。
图5.1地质雷达的测试原理及其探测方法
5.5探测参数
探测参数选择:
天线频率、时窗、采样率、样点数等。
1)天线频率选择需要兼顾目标体深度、目标体最小尺寸是否符合场地需要。
探测深度和分辨率是两个相互矛盾问题,满足一定探测深度,需要采用低频天线,而低频信号分辨率低,探测对象最小尺寸有限。
一般在满足分辨率且场地条件又许可时,尽量采用频率低的天线。
可根据式f=150/(xε1/2)选取,x表示目标体要求的空间分辨率。
也可根据经验规则选取,如下表:
天线频率选择表表5-1
天线频率(MHz)
合适的探测目标尺寸(m)
大约探测深度(m)
大约最大探测深度(m)
50
≥0.5
5~20
20~30
100
0.1~1.0
2~15
15~25
200
0.05~0.5
1~10
5~15
据此,我们选择50MHz~150MHz屏蔽天线。
2)时间窗选择
主要取决于最大探测深度D与地层中电磁波速v(m/ns),据公式W=1.3(2D/v),据此,我们选择200ns~450ns。
3)采样率
记录反射波采样点之间的时间间隔,由尼奎斯特定律控制,即采样率至少应达到记录中反射波最高频率的2倍。
此处按照天线频率10倍左右倍数选取,记录道样点数为1024点。
上述探测参数选择中,需要用到一些常见介质电磁波传播速度和相对介电常数如表5-2:
常见介质电磁波传播速度和相对介电常数表表5-2
介质
相对介电常数εr
速度v(m/us)
备注
空气
1
300
淡水
81
33
混凝土
4~10
95~150
粘土
4~16
74~150
粉沙
9~23
63~100
砂
4~30
55~150
5.6现场工作方法
探测从地面向下探测,采用剖面法。
鉴于缺乏目标体标定条件,雷达探测解释推断主要采用土层中常见的雷达波速。
(取0.1m/ns,利用地层参数估算,所以在异常深度上会有少许偏差,但能满足地层空洞或严重松散区探测精度要求。
)
鉴于探测空洞位置大小、形状未知,现场布置方格探测网。
在布网时候更注重施工薄弱地段(盾顶部分、换刀和车站端头位置)的测线布置。
沿盾构纵向,左右线分别布设一条测线;换刀位置一般从中心至两边布设3条横向测线,间距5.0m;车站端头布置4条测线,间距5.0m;在不良地质段、监测异常段、出渣量超常段亦应进行测线布置。
纵横向测线布置图(图5.2)如下:
图5.2测线布置图
5.7数据处理及解释
1)数据处理
数据处理目的是压制随机和规则的干扰,以最大可能的分辨率在图像剖面上显示反射波,提取反射波的各种有用参数,包括振幅、波形、频率以帮助解释探测成果。
数据处理使用中国矿业大学(北京)研发的《GR雷达处理分析系统》和Reflexw软件进行数据处理。
对探测原始数据文件进行预处理、振幅谱分析、零线设定、背景去噪、增益、垂直带通滤波处理,最终得到各测线的成果图。
2)解释推断
盾构推进对地层扰动主要是指地层中出现强扰动、空洞、坍塌疏松等。
盾构对地层土体造成的扰动,表现为顶部层位的下塌、位移与疏松,在雷达图像上反映为雷达波同相轴的强弱变化或错动等。
依据雷达波的相位、频率与幅值及图像形态进行综合分析判别,从所发现的异常中剔除人为操作和近地表干扰物的影响,从而识别出地层的扰动。
地层扰动区出现的空洞与松散区域介电常数较大,与周围介质的介电常数存在差异,这种差异在雷达图像上有清楚的显示。
按扰动程度、影响深度划分为:
轻度扰动、中度扰动、空洞坍塌强扰动型三类。
a.轻度扰动型:
对应地层较不密实区,雷达剖面图像反射界面多而乱,能量强弱变化,同相轴出现扭曲变形、不连续,但疏松的土体反射回波能量较低、幅度较小,地层连续性较好,范围小,示例图8.1。
b.中度扰动型:
对应地层很不密实区,雷达图像上反射波强度变化、同相轴扭曲错动、不连续,围土层位未形成大的变化,因扰动而致松动,示例图8.2。
c.重度扰动型:
对应地层空洞或层位下陷(潜在坍塌),雷达图像上反射波同相轴呈弧形或同相轴扭曲错断,围土层位变化,且反射杂乱,示例图8.3。
图8.1
图8.2
图8.3
6探测工作概述
按照《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)无损检测技术服务合同》和委托方要求,我们先后对地铁1号线盾构1~4标(不包括火车南北站站场)区间共进行了9次探测,也包括对污水管段的探测,其中第7、8、9次探测为重点区间段复探。
这些重点段包括:
盾构Ⅰ标火车北站~人民北路站部分区间、盾构Ⅱ标人民北路站~万福桥部分区间、盾构Ⅲ标南渡线~锦江宾馆部分区间、盾构Ⅳ标省体馆~倪家桥部分区间及盾构IV标文武路~骡马市。
除盾构3标锦江宾馆~天府广场区间进行了盾前、盾后探测外,其余区间均为盾后探测。
首次探测工作从2008.9.20开始,终次探测于2009年8月1日结束,期间共提交探测初步报告8期(第9期为文武路站至骡马市站区间复探,刚完成数据采集和处理,报告未提交)。
并对盾构Ⅳ标盾构机过污水管段管顶地层进行了探测,其目的是评价管周地层密实程度,便于加固处理。
这些污水管段包括:
DK12+070~YDK12+240段污水管(盾前、盾后);YDK11+630~YDK11+863段污水管(盾后);YDK12+590~YDK12+680段污水管(盾前、盾后),发现异常10处。
探测测线355条,测线长27897.5m,初探主要采用的是瑞典MALA公司RAMAC雷达,配备100MHz屏蔽天线;复探是拉脱维亚Zond-12e型探地雷达及150MHz非屏蔽天线。
7探测结果
截止第8次探测(2009年7月底),发现较不密实区323处,很不密实区163处,空洞区13处,如表7-1、7-2所示。
复探结果显示,浅表地层中度、重度扰动较初探数量有所增加,反映地层后期沉降向浅表发展。
根据探测雷达图像特征,以下盾构区间受扰程度相对较重,火车北站~人民北路区间、人民北路~文武路区间、锦江宾馆~天府广场区间(ZK9+050~+160/ZK9+305~+390)、小天竺~锦江宾馆区间(ZK10+070~+120/YK10+220~+265)、体育馆~小天竺区间(YK11+518~+598)、倪家桥~桐梓林区间(ZK13+405~ZK13+155、YK6+190~YK6+705)、桐梓林~火车南站区间(YK13+565~YK13+965)。
希望相关施工单位根据各期探测报告和总报告对报告提及异常区予以加固处理。
各标段初探异常统计表表7-1
标段
区间
异常类型及数量
空洞
很不密实
较不密实
1标
火车北站站~人民北路站
2
25
40
2标
人民北路站~文武路站
4
27
41
文武路站~骡马市站
0
1
15
骡马市站~天府广场站
0
1
7
3标
省体育馆站~小天竺站
0
16
40
小天竺站~锦江宾馆站
0
16
44
锦江宾馆站~天府广场站
2
2
19
4标
省体育馆站~倪家桥站
0
1
14
倪家桥站~桐梓林站
1
6
17
桐梓林站~火车南站站
1
3
19
1~4标
合计
10
98
256
各标段复探异常统计表表7-2
标段
区间
异常类型及数量
空洞
很不密实
较不密实
1标
火车北站站~人民北路站
0
20
34
2标
人民北路站~万福桥
0
5
11
3标
锦江宾馆站~南渡线
3
6
15
4标
省体育馆站~倪家桥站
0
34
7
1~4标
合计
3
65
67
8结论
1)通过对盾后一段时间盾顶地层地质雷达探测,我们认为地质雷达探测地层浅部(地面下8.0m)效果较好,发现ZK6+430~448等多处地层下陷异常,其中一部分被证明实际存在(如图8.1)。
从雷达图像质量上看,MALA-RAMAC型地质雷达配备100MHz屏蔽天线效果要优于Zond-12e型地质雷达配备150MHz非屏蔽天线。
图8.1文武路~人民北路区间ZK6+430~448段塌陷
2)对盾顶地层空洞或松散区探测应分期,即盾构推进同步探测和盾后探测,从防控角度考虑,同步探测结果对地层加固更有意义。
3)孔内雷达基本不受地表干扰物影响,雷达信号散射控制更好,在地层深部探测比表面雷达更有优势,但测区需要钻孔,导致使用成本偏高。
另成都地层地下水位高,探测效果将受到一定影响。
4)盾顶地层中空洞和松散区与背景地层弹性和密度存在差异,瑞雷波传播速度(Vr)在目标体与各层围土存在明显差异,且有较强的抗干扰能力,理论上瑞雷波探测可行,尚需验证效果。
5)不同地球物理方法都有其优缺点,两种或多种方法组合对盾顶地层空洞和松散区探测效果会更好。
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