基于地质雷达检测的深基坑隐患风险评价

赵 强，孙 鹏，杨学嘉，张雪峰

(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124;2.中铁十九局 第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

随着城市建设的不断发展，地下空间的利用得到极大重视，深基坑大量涌现。基坑围护质量的优良与否直接关系到整个工程的成败。由于地质条件的复杂性及施工质量的影响，使得选用的基坑支护及止水结构在某些部位会产生缺陷，危及基坑安全。目前国内常用地质雷达检测基坑围护与止水帷幕之间的隐患或异常点，很少对其进行评价。本文结合长春某轻轨车站基坑工程，利用地质雷达查找围护结构的隐患，然后对隐患作出风险评价，以便提前处理隐患，降低或杜绝开挖过程中或运营过程中因地下水带来的不利影响［1～4］。

1 工程概况

该基坑拟建场地地势西高东低。场地地貌类型为松辽波状平原东缘与吉东山地接址带，地貌单元为长春波状台地，勘察高程测量采用长春市城市高程。沿线地面高程为208.114～204.50 m，最大高差3.614 m。勘察揭露最大深度40.0 m。勘察结果表明，场地地层主要由三部分组成:地表一般分布有道路结构层和人工堆积杂填土层、第四系冲积黏性土和冲洪积砂土，下伏白垩系泥岩。

实测地下水位埋深2.90～5.50 m。拟建场地地下水赋存于第四系黏性土和砂土层中，含水层的厚度在10.0～15.0 m。其下部的泥岩为不透水层。拟建场地地下水类型属第四系孔隙潜水，由于含水岩组透水性及富水性的差异，在一定条件下砂土层中的孔隙水可表现出一定的微承压性。由于基坑侧壁附近分布有砂土层，出水量可能较大，在水压力作用下，易形成泥砂突涌现象。各土层在地下水的作用下，坑壁容易坍塌，加剧坑壁的不稳定性，直接影响地下工程的施工。施工及使用中，必须重视地下水的影响，采取必要的防治措施。地下水动态及抗浮设计水位根据当地地下水动态长期观测资料，地下水随季节性变化，年变化幅度1.5～2.0 m。

填土、黏土层较厚，黏土层与全风化泥岩之间为砂层，基坑第一至第三道支撑范围内周围地层为软土，并且车站地下水位较高。车站主体及站台区间结构采用明挖顺做法施工。围护结构采用钻孔灌注桩结合钢支撑的形式，桩间土挂网喷混凝土保护。

2 检测方法与结果分析

2.1 检测方法及原理

当基坑开挖至第三道围檩处，出现渗水及围护桩之间土体流失等异常现象，结合现场开挖情况发现渗水现象出现在砂土层内，且地下水位较高，如图1、图2。同时，相应部位的桩身水平变形较大，初步判定基坑围护桩及止水帷幕存在安全隐患，利用瑞典MALA公司生产的RAMAC/GPR探地雷达对存在隐患的部位进行无损检测。

地质雷达(简称 GPR)，是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。其工作原理是:高频电磁以宽带脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标反射后返回地面，由接收天线接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。故通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。其工作原理如图3。

图1 桩间土体流失

图2 基坑砂土层

图3 地质雷达工作原理

利用一个天线(Tx)对地发射高频宽带电磁波，用另外一个天线(Rx)接收来自地下的反射，折射电磁波和地表的直达波以及干扰电磁波。由于地下介质的导电性、介电性存在差异，根据电磁波在传播过程中会产生能量衰减、频散、频移等变化，接收天线接收到的电磁波信号包含了地下介质信息，通过对接收信号的回放处理就可以反映地下介质分布情况。

基坑围护桩为钻孔灌注桩，桩径1 000 mm，间距1 200 mm，外有2排600 mm旋喷桩作为止水帷幕，如图4。结合现场情况，选用500M屏蔽天线，对砂土层的基坑侧壁进行地质雷达探测，探测深度2.8 m。

图4 围护结构示意(单位:mm)

2.2 结果分析

选取部分图像进行分析(图5)。从探查图像可明显判别出围护桩位置，围护桩成规律性上凸图像。分析后表明探测区域围护桩与止水帷幕间局部存在疏松现象;个别围护桩成桩质量不良，桩身存在隐患。图5所示疏松区域(7.5～9.0 m，9.5～10.5 m)紧邻围护桩，与周围区域相比电磁波反射强烈，同相轴不平行、不稳定，幅度横向不均匀，波形不一致，明显异于周围介质，但没有明显的多次反射，反射明显，且快速衰减，厚度约0.5 m，判定有疏松现象，出现疏松的原因可能是该位置止水帷幕存在缺陷，止水效果较差，基坑围护外侧的地下水向基坑内渗透，导致土体随渗水流失。围护桩缺陷(14～15 m)位置0.8 m深度处电磁波反射杂乱，图像明显异于正常桩身图像，判定为围护桩不密实，同时紧跟一长带形杂乱反射波，也存在疏松现象［5～7］。围护桩不密实可能是混凝土浇筑过程中砂层塌落造成的桩身缺陷。

3 风险评价及处理措施

3.1 风险评价

基坑开挖过程中，围护桩及止水帷幕的效果直接影响到基坑工程的安全。进入雨季后，基坑止水帷幕的好坏直接关系到基坑的安全。特别是该基坑围护缺陷出现在砂层内，极易产生涌沙事故，危害基坑安全。而目前国内无明确的基坑围护质量评价标准，在阅读大量相关文献后，根据工程经验，提出针对该工程的基坑围护风险评价标准，见表 1［8］。

图5 雷达图像分析

表1 基坑围护风险评价等级

当基坑围护等级为很低时，基坑侧壁存在极少量渗水现象，基坑可正常开挖，不需要采取特殊的处理措施;当基坑围护等级为低时，基坑侧壁存在少量渗水现象，基坑可正常开挖，但应对基坑围护桩缺陷处进行处理，增强围护支撑能力;当基坑围护等级为一般时，基坑侧壁局部存在渗水现象，基坑可正常开挖，在对基坑围护缺陷处进行处理的同时，应对止水帷幕的缺陷进行处理;当基坑围护等级为较高时，基坑侧壁存在大量渗水现象，必须采取处理措施，及时加固围护桩，合理安排开挖工序工法，才可开工;当基坑围护等级为很高时，基坑侧壁渗水现象严重，甚至出现涌水、涌沙，围护桩支护能力严重损失，应禁止施工，同时制订专项处理方案，并会同设计、施工、监理各方意见，商讨解决方法。

本次共探测测线长度160 m(两侧)，存在3处围护桩缺陷，存在14处疏松区域，共计25 m。经分析可以对基坑围护质量做出如下评价:车站围护的整体质量为一般等级，施工过程中需重点关注，应注意防水作业，避免出现涌沙。已进入雨季，降雨导致基坑外水位上升，水压力增大将会加剧渗水;同时车站距离铁路铁轨较近，局部区段不足5 m，一旦出现事故将影响铁路正常运营，后果严重，因此将该处的围护桩及止水帷幕安全等级降低一级，降至较差等级，施工中应着重关注。

3.2 处理措施

基坑东侧紧邻铁路，西侧为一重要文物建筑，不适宜采用基坑外井点降水，故采取以下处理措施:

1)基坑周边地面裂缝均需采用水泥砂浆或细石混凝土及时封堵;暴雨时，用防水材料覆盖基坑东侧裸露地面，减少雨水渗入，进一步做好基坑周边地面的排水。

2)基坑支护内侧壁渗漏水根据不同情况采用防水材料或压密注浆等方法堵漏，一般不宜采用引流的方法。

3)挖土完成后，基坑暴露时间越短越好，在基坑土方开挖的同时，联系好有关单位，待挖土完成后尽快进行基础底板施工，减少雨水浸泡基岩，降低基岩强度，弱化围护桩的支护能力。

4)加强基坑位移监测，关注位移变化。

4 结论

本文通过利用地质雷达对某深基坑围护工程进行无损检测，探明该基坑围护存在的缺陷，并提出了针对该基坑围护质量的风险评价标准，为基坑的安全开挖提供了指导。基坑开挖暴露的围护面积很大，对整个围护工程进行完全、详实的检测并不现实，往往会影响施工进度。只能是伴随着基坑的开挖，结合现场情况，对潜在的危险点进行检测和评价。因此，应同目前常用的基坑安全监测项目(位移和应力)数据进行对比，综合判断基坑工程的安全性，这样才能取得良好工程效益。

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