基岩爆破和注浆处理效果的物探检验技术研究

党如姣

(中铁隧道集团技术中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

随着城市地下轨道交通的快速发展，地铁建设过程中遇到了许多新的挑战，目前对爆破效果和注浆效果检验较好的方法为钻孔法，但是该方法具有很大的局限性，而且效率较低，成本高，周期长［1］。物探法是利用所探测目标体和周围介质之间的物性差异，探测出目标体的形态特征，然后对其进行预处理，以保证盾构机的顺利推进［2］。文献［3］结合广州地铁三号线某盾构区间工程的施工实例，探讨花岗岩球形风化体地层条件下的盾构施工方案。文献［4］在广州地铁3号线(机场线)和6号线二期工程多次开展孤石地球物理勘探方法试验和专题研究，选用了多达10余种物探方法。文献［5］将地震CT成像技术用于浅层勘探中，并且尝试在地表面进行地震CT探测。文献［6］在台山核电引水隧洞海域段利用地震反射波CDP(共反射点)叠加技术在海面上对花岗岩孤石进行了探测。文献［7］在深圳地铁7号线利用二维微动剖面技术探测“孤石”。文献［8］在MATLAB平台上实现了可控源音频大地电磁反演数据三维可视化显示，大大提高了物探工作者对成果解释的工作效率，但是这仅仅是将物探效果图进行三维显示，同时为其与实际三维空间建立联系。文献［9］对矿床(体)三维空间定位预测的物探技术进行研究，将空间三维定位技术与物探技术相结合，并在呷村矿床示范区得到了应用，效果良好。

综上所述，物探技术对于地下目标体的探测大多是定性评价，很难达到定量评价，主要原因是在实际工程施工中经常受到外界干扰因素的影响，所得的判断和解析往往较为粗略，难以满足地铁施工的要求。本文物探探测结合钻孔资料综合分析，在一定程度上实现了定量分析。

1 工程概况

深圳某地铁区间为双向单线隧道，左、右线分修，线路呈东西走向，采用盾构施工。区间下穿人工湖及别墅。人工湖区段基岩侵入隧道范围内，影响盾构顺利推进，在盾构施工前必须对基岩进行爆破处理，再对地层进行封闭注浆，保证地层的气密性。

区间下穿人工湖及二期在建别墅。一期物业为7层钢筋混凝土结构，外装修面全部为玻璃幕墙，距离工区最近约193 m，人工湖宽约30 m，深约3 m;二期别墅为在建工程，人工湖西侧目前为施工工地。施工工地周边环境如图1所示。

工程地质由上到下为素填土、填石层、淤泥层、黏土层、全风化粗粒花岗岩、强风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩。因施工工地在人工湖附近，地下水较丰富。施工工地区域地下水水位为－1.4 m，地下水与地表海水具有较强的水力联系。

图1 施工工地周边环境示意图Fig.1 Surrounding environment of job site

2 探测方法及原理

2.1 探测方法的选择

结合工区的地质特点和施工环境(地表条件恶劣且多变，周围是正在施工的建筑工地，工区内硬岩处理影响等)，表1列出了各种方法的适用性评价，并最终确定采用高密度电阻率法和面波地震法进行工程检测。

表1 不同物探方法对比Table 1 Comparison and contrast between different geophysical prospecting methods

在地铁区间基岩爆破注浆工程中将采用高密度电阻率法对爆破和注浆施工全过程进行连续监测，在施工结束之后结合面波地震法，对整个工区进行探测，最终给出综合评价。该项目需检验隧道范围内的基岩爆破和注浆处理效果，对于爆破效果的检验主要是检验爆破后基岩的块径大小，对于注浆效果的检验主要是检验浆液分布范围以及地层密实度。

2.2 探测原理

2.2.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法在我国工程勘查中已经广泛应用，并取得了较好的探测效果［10］。它是以地下介质导电性差异为基础的直流电阻率勘探方法，通过研究外电场作用下地下半空间中传导电流的分布规律，来获得地下介质的视电阻率信息。在采集数据时，通过程序控制，每次选择电极阵中4个电极作为A、B供电电极和M、N测量电极，仪器自动测量AB间供电电流和MN间测量电位，再利用相关公式计算能反映地下介质真实电阻率信息的视电阻率值［11－12］。

2.2.2 面波地震法(多道面波分析技术)

面波地震法勘探的直接成果是瑞雷波频散曲线。为获取可靠的频散信息，面波地震法需要一条不少于12道的记录剖面，再通过带阻尼的广义线性迭代反演方法结合最少的假设可求得一维近地表横波速度剖面。其中横波速度与地下介质的刚度系数直接相关，故可以利用多道面波分析技术来获得工区内注浆后的强度信息［13－14］。

3 解译方法标准

本次物探成果的解译采用与相应检测条件下的标准探测值(电阻率法及面波法探测指标)进行作差、对比的方法，根据差值的大小进行定性的质量判断。施工工况分为未爆破、爆破和注浆3种。

1)高密度电阻率法解译评价标准如表2所示。

表2 电阻率法解译方法标准Table 2 Interpretation standard of resistivity method

2)横波速度高低的变化，可基本反映注浆的效果。从整体上说，随着深度的增加，介质的横波速度一般也会变大。对注浆效果的判断，更多的是同深度介质的对比。从理论上讲，物质的刚度系数越大，其横波速度就越大。因此，探测所得的数据中，横波速度大的地方认为其注浆效果好。面波地震法解译评价标准如表3所示。

表3 面波地震法解译方法标准Table 3 Interpretation methods of Rayleigh wave method

3)2种物探方法可以互相对比验证，以克服物探解译的多解性;同时，上述物探探测结果还需结合现场钻孔资料对探测结果进行验证，以提高解译准确度。

4 探测结果解译与分析

4.1 高密度电阻率法对隧道中轴线的监测

利用高密度电阻率法对工区隧道左线的硬岩处理质量进行监测(小里程端有人工湖阻挡，无法布置测线，故小里程段测线较短)。图2为相应的测线布置示意图。

图2 左线中轴线地面高密度电阻率法测线布置示意图Fig.2 Layout of prospecting lines of high density resistivity method along axis line of left tunnel tube

1)未爆破区域。图3为左线的高密度电阻率法探测结果。在探测之前基岩爆破工作已基本完成，只剩下很少一部分未爆破，图中左边红框所在位置(ZCK7+760～+766)，表现为浅蓝色的相对高阻特征，这是未爆破基岩所导致。由图可知剩余未爆破区域范围很小，且受周围爆破区域的影响，在反演结果图中，其差别与周边不显著。

在图3(b)视电阻率剖面结果中15～24 m深度内，其视电阻率值与周围介质有所差异，数值上表现为比上部的淤泥土和黏土的视电阻率值大，又比下部基岩小;同时结果表现为数值上不均匀，推断为爆破所致。从图3(b)中还可以看出爆破完的区域视电阻率值(1～4.5 Ω·m)较底部基岩(大于4.5 Ω·m)明显降低。

2)爆破未注浆区域。图4为爆破后未注浆的探测结果，与爆破前相比，工作区已全部爆破完毕。如图4(b)和图4(c)所示，在该区域(图中红圈位置)视电阻率值与周围介质的差异变小，表明随着时间的推移地下水逐渐渗流至该区域，地下水含量变大，爆破效果良好。

图4 左线爆破后注浆前探测结果Fig.4 Prospecting results of left tunnel tube after blasting，but before grouting

3)注浆后区域。图5为注浆后左线中轴线的探测结果，此时探测目标区内已全部注浆完毕，故此次探测的目的在于监测注浆效果。在图5(c)的反演剖面中红圈所画位置(里程约ZCK7+710～+750)的视电阻率值(大于2Ω·m)比同深度其他位置的视电阻率值(大多小于2Ω·m)要大，这应是注浆所导致的。里程ZCK7+710～ +736的视电阻率值基本大于2.5Ω·m，说明这一部分的注浆效果较好。ZCK7+736～ +750注浆效果一般。ZCK7+690～+710及ZCK7+750～+760在隧道深度范围内注浆效果较差。

4.2 面波地震法(多道面波分析技术)

由于爆破注浆工区处在正在施工的别墅建筑群工地，施工过程中不可避免地会产生各种振动，这些振动对多道面波测量数据是一种干扰信号，会降低数据的信噪比和影响探测结果的准确度。测线所过位置地表条件不一致(如地表水、地表软泥以及碎石渣等)，这些因素会进一步地降低数据的质量，使探测结果与真实数值有差异。通过数据处理，虽能减小这些因素的影响，但却无法做到完全的消除。

图6为左线中轴线的面波地震法探测结果，此次探测的目的在于监测左线中轴线的注浆效果。测线与工区的位置关系见图6(a)中的黑实线。面波地震法(MASW)所得的二维横波速度剖面见图6(b)，从整体上看横波速度的分布不均匀，数值上有较大的变化(变化范围为50～500 m/s)，说明整体注浆效果也是有所差异的。

在图6(b)黑线所圈的位置(里程ZCK7+684～+765，深度0～20 m)，横波速度大于150 m/s，比周围介质的横波速度大(小于150 m/s)，应为注浆所致。在浅部(深度0～10 m)，里程 ZCK7+692～+695、ZCK7+698 ～ +701、ZCK7+703 ～ +710、ZCK7+715～+720、ZCK7+750～+765比周围区域的注浆效果差，因为面波地震法所得的横波速度实际上还是受地下介质一定范围内的综合影响，故浅部数据受地表条件的影响较大。在中深部(深度10 m以下)，里程ZCK7+692 ～ +705、ZCK7+712 ～ +720、ZCK7+752～+765比周围区域的注浆效果差。在里程ZCK7+736～+755，横波速度数值不均衡，里程ZCK7+737和ZCK7+743的横波速度值比两边的低，尤其是在深度为10 m左右位置出现数值低于150 m/s的低速区，这表明此里程的注浆效果一般。

5 结论与讨论

综合考虑高密度电阻率法和面波地震法的综合结果，主要结论如下:

1)高密度电阻率法与面波地震法所得的结果基本一致，但个别地方有差异。对于高密度电阻率法左线ZCK7+710～+736认为效果好的地方，面波地震法却得出ZCK7+715～+720效果差的结果，分析其原因为:在ZCK7+715～+720区间从小里程端延伸过来的基岩面突然下降，导致面波在这里发生传播方向的转变，其结果的可信度下降。因此，左线ZCK7+710～+736采用高密度电阻率法的探测结果更合理。

2)地面高密度电阻率法探测在该工区复杂施工条件下，其实施难度要小一些，工作量和成本相对也要小一些，作为地球物理重复测量监测技术是一较佳的选择。它可以较好地描述由于爆破和注浆等施工进展导致的地下介质的电阻率变化，从而推测了解其施工质量的状况，实现对爆破和注浆施工质量的监测;但其只能得到中轴线上的情况，无法反映工区地下的全部情况。

3)面波地震法(多道面波技术)在此次探测中由于地表条件较差，导致采集到的数据质量较差，室内数据编辑与处理花费较多精力，处理后的效果基本能达到要求。它能较好地反映所测二维剖面地下介质的横波速度分布情况，从而能推测出施工质量的状况;但其野外观测效率较低，对野外条件要求较高，处理时间较长，故该方法不适用于需要快速得到探测结果的监测工作。

目前在国内物探方法大多被应用于探测和检测工作中，利用物探手段对爆破和注浆全过程进行连续监测的在调研的资料中还没有发现。物探法对于最终结果大多是定性的评价分析，在该项目中一定程度上实现了定量分析，将爆破和注浆施工质量具体地反映在电阻率值和横波速度数值上。实现对爆破和注浆施工质量的连续监测和最终检验评价，对爆破和注浆施工有一定的指导作用。

本文中的定量分析，仍然是将物探探测结果结合实际钻孔验证资料总结出来的，如果从真正意义上实现定量分析，物探法的探测精度还需要进一步提高。

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