跨孔CT法在地铁工程桩基间距探测中的应用

周 坤， 王 华

(1. 中铁工程设计咨询集团有限公司， 北京 100055； 2. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511455)

0 引言

地铁是我国大城市公共交通重要的组成部分。随着国民经济的不断发展，科学技术的不断提高，我国城市地铁工程建设迎来了快速发展时期。截至2016年年底，我国共有30个城市开通城市轨道交通并投入运营，共计133条线路，运营线路总长度达4 152.8 km。截至2016年年底，共有58个城市的城轨线网规划获批(含地方政府批复的14个城市)，规划线路总长达7 305.3 km。2017年新增福州、石家庄、贵阳和厦门4个城市开通地铁运营。截至2017年12月31日，全国开通地铁运营城市已达34个。

随着地铁工程建设市场的不断扩大，地铁施工面临的地形、地质条件和监测环境愈加复杂,施工过程中经常遇到地下桩基、孤石等障碍物，准确探查掘进区域内障碍物的大小和分布是地下工程施工中迫切需要解决的难题。很多特殊位置因为空间狭小或临近建筑物而不能采用大面积物探和地质钻孔进行勘察，且地下障碍物和周围岩土体的物理性质存在明显差异，这为地球物理勘探方法探测地下障碍物提供了前提条件。近年来，工程勘察地球物理技术得到迅猛的发展，已经证明，跨孔CT法是地球物理技术中最可靠且精度最高的方法之一。跨孔CT法具有施作空间小、探测点更接近勘探目标体、传输路径简单、信号保真度大以及数据精确度高等特点，目前已广泛应用于铁路工程地质勘查和市政地铁工程的地下障碍物探测等领域，并取得相关的研究成果。朱元武等[1]将跨孔电阻率CT法应用于市政工程岩溶探测，降低了勘探成本，应用效果显著。文献[2-4]将跨孔电磁波CT法应用于水电、铁路工程岩溶勘查中，取得了良好的应用效果。孔得天等[5]将弹性波CT技术应用于大足石刻岩体破碎带探测中，成功探测出了破碎带的规模及产状，验证了该探测技术的可靠性。钱胜[6]将跨孔电阻率CT法应用于深圳地铁区间地质补勘，有效解决了复杂条件下不良地质的探测问题。李术才等[7]采用跨孔电阻率CT法对地铁盾构区间的孤石进行探测，从施加先验信息约束和提高反演精度2个方面共同改善了电阻率CT 反演的多解性与成像效果。以往针对探测体的跨孔CT法探测，主要侧重于单一物探方法的应用[8-13]，采用多种跨孔CT法相结合的探测研究相对较少。本文结合某地铁隧道桥台桩基探测对跨孔CT法(跨孔电阻率CT、弹性波CT、电磁波CT)工作原理、现场探测实施方案以及探测成果解译进行分析探讨，以期为今后类似隧道及地下工程地下桩基或者障碍物的精确探测提供借鉴和参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

某城市地铁广石路站—青石路站区间为盾构区间，整体呈南北走向。区间全长约2 107 m，平面线间距为13～31 m，为左右隧道，盾构直径为6.2 m。

探测区位于某市梁溪区凤宾路与西汀河交汇处，即西汀桥处，周围有行车道、人行道以及高架桥等，施工环境较为复杂。

西汀桥为2005年道路改造桥，由于江海路高架桥的修建,现已拆除,桥台设计桩基左右各2排，桩基为圆形挖孔桩，桩径为1 000 mm，排间距为2.7 m(中心间距)，桩间距为3.2 m(中心间距)，共12根，设计长度为28 m，两侧桩基的外侧与区间隧道开挖廓线设计距离为0.9 m。探测区平面位置如图1所示。

图1 探测区平面位置示意图(单位: m)

1.2 工程地质情况

根据探测区西汀桥地质钻孔资料，钻孔地面标高为+4.00 m，由上到下土层分布为： +4.00～+0.30 m为②1杂填土，+0.30～-2.30 m为③1黏土，-2.30～-4.00 m为③2粉黏夹黏质粉土，-4.00～-7.00 m为④1黏质粉土，-7.00～-12.40 m为④2-2黏质粉土夹粉砂，-12.40～-16.00 m为⑤1粉质黏土，-16.00～-21.60 m为⑤2黏质粉土，-21.60～-23.50 m为⑤3粉质黏土。工程地质剖面图如图2所示。

图2 工程地质剖面图(单位： m)

由地质资料可知，桥承台桩之间主要为黏质粉土和粉质黏土，桩基为钢筋混凝土结构，桩、土之间存在明显的物理性质差异，为地球物理探测提供了条件。区间隧道穿越西汀河桥承台两侧的桩基，桩基外侧离盾构隧道开挖轮廓线仅为0.9 m，将会对盾构掘进施工造成重大影响，因此在盾构施工前采用物探方法对西汀桥桩基之间的距离进行探测，进而明确桩基与广青区间隧道的相对位置关系，为盾构顺利通过西汀桥承台桩提供指导和依据。

2 探测原理及方法

2.1 探测方法选择

由于西汀桥桥台两端地面交通繁忙、车流量大以及高架桥梁闸道施工影响等情况，导致探测区域空间狭小，不适合采用空间要求较大的地球物理勘探方法。经比选，跨孔CT法适用于探测区域的场地条件。广青区间西汀桥承台桩之间充填地层主要为粉质黏土和黏质粉土，桥承台桩基为钢筋混凝土挖孔桩，桩、土的物理性质差别较大。土层(含水)相对电阻率偏低，由于土层含有碎石等，整体的电性分布不均匀；桥承台桩基为钢筋混凝土桩，电阻率相对较高，桥承台桩基材料比较单一均匀，整体电性分布均匀，这为该区域进行跨孔电阻率法探测提供了良好的地球物理条件。同时，桩基和土层地震波波速差别较大，对电磁波的吸收程度也相差很大，为开展弹性波CT和电磁波CT探测提供了地球物理前提条件。物探方法是一种间接的探测方法，探测成果受到地质条件和反演边界条件的影响，采用多种物探方法相结合才能取得较理想的结果。综上所述，在探测区采用跨孔电阻率CT、弹性波CT和电磁波CT 3种方法进行探测，3种方法相互验证，联合解译，可提高盾构区间左右两侧西汀桥承台桩间距探测的准确性。

2.2 探测原理

本次探测采用的物理地球方法为跨孔电阻率CT、弹性波CT以及电磁波CT法。不同探测方法的应用条件、工作原理、探测仪器、数据处理和优缺点对比见表1。

表1 不同物探方法对比

2.3 探测孔设置

根据设计资料，本次探测深度约为18.0 m，探测孔设计深度一般为探测深度的1.5倍，即为27.0 m。

钻探成孔时应尽可能保持钻孔的垂直度，终孔后宜进行测斜校正。相邻钻孔孔底高差宜小于5.0 m，钻孔终孔后应进行清渣，保证有效探测深度；最后应放入PVC胶管护孔，需在钻孔完毕后5 h内开展探测，防止泥浆沉积无法放入探头。

在探测中需在钻孔成孔之后下入直径大于75 mm的PVC套管，以防止塌孔；同时，在PVC孔上打一些密集小孔，PVC套管上每隔100 mm用电钻打4个小孔，且小孔应呈梅花形布设，不要位于同一剖面上；然后，在PVC管上缠上纱网，防止泥浆进入PVC管中，保证信号的顺利传输。PVC管加工示意图如图3所示。

图3 PVC管加工示意图

本次探测共布设6个探测钻孔，左右各3个，分别为ZK1—ZK6。根据现场6个钻孔的分布情况布置了3条物探测线WT1(ZK1—ZK4)、WT2(ZK2—ZK5)和WT3(ZK3—ZK6)，探测孔ZK1与ZK4、ZK2与ZK5、ZK3与ZK6的间距分别为12.8、10.9、11.0 m。探测孔位置分布如图4所示。

图4 探测孔位置分布图

3 探测成果分析

采用跨孔电阻率CT法、跨孔弹性波CT法以及跨孔电磁波CT法分别探测3条测线。

跨孔电阻率CT法视电阻率分布成果图如图5所示。根据2个测孔之间地下土体与桩基的相对位置可知，相对土体而言，桩基表现为视电阻率较高，且电性相对较均匀。

跨孔弹性波CT法的地震波波速分布图如图6所示。图6中桩基表现为相对的高速体，而桩基之间充填的土体表现为低速体。

跨孔电磁波CT法视吸收系数分布图如图7所示。当电磁波通过不同的地下介质(如岩石、土体、采空区、溶洞、破碎带等)传播时，具有不同的传播速度和衰减特性。由于不同介质对电磁波的吸收存在差异，测区内桩基的视吸收系数βs较大，而土体的视吸收系数βs相对较小。

根据以上3种方法的解译原则进行分析，桩基间距探测结果如表2所示。

图5 跨孔电阻率CT法视电阻率分布成果图

Fig. 5 Apparent resistivity distribution of cross-hole resistivity CT method

图6 跨孔弹性波CT法地震波波速分布图

Fig. 6 Wave velocity distribution of cross-hole elastic wave CT method

图7 跨孔电磁波CT法视吸收系数分布图

Fig. 7 Apparent absorption coefficient distribution of cross-hole electromagnetic wave CT method

表2跨孔CT法桩基间距探测结果

Table 2 Detection results of pile foundation spacing by cross-hole CT method

测线跨孔电阻率CT法跨孔弹性波CT法跨孔电磁波CT法WT1(ZK1—ZK4) 桩基内侧边缘之间的距离为8.2 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为1.0 m 桩基内侧边缘之间的距离为8.0 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为0.9 m 桩基内侧边缘之间的距离为8.2 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为1.0 mWT2(ZK2—ZK5) 桩基内侧边缘之间的距离为8.0 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为0.9 m 桩基内侧边缘之间的距离为7.9 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为0.85 m 桩基内侧边缘之间的距离为7.9 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为0.85 mWT3(ZK3—ZK6) 桩基内侧边缘之间的距离为8.0 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为0.95 m 桩基内侧边缘之间的距离为8.2 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为1.0 m 桩基内侧边缘之间的距离为8.0 m。根据盾构隧道设计资料计算可得,内侧桩基边缘与盾构隧道边线的距离为0.9 m

4 钻孔验证

对跨孔CT法结果进行综合解译，最终确定3条测线桩基之间距离的平均值分别为8.1、7.9、8.0 m。现场布置钻孔对桩基间距进行验证。现场测量结果与探测结果基本一致，说明本次物探探测结果是准确可靠的。现场钻孔照片如图8所示。

图8 现场钻孔

5 结论与讨论

本文根据西汀桥桥台桩基与周围土体的物理特性，通过物探方法的比选，最终采用跨孔CT法对桩基间距进行了探测。通过现场钻孔验证，实际测量结果与探测结果相符，表明选用的物探方法合理可靠，对类似工程具有一定的指导和借鉴意义。得到的主要结论与讨论如下：

1)通过跨孔CT法对桥台桩基间距进行探测，探测结果与实际基本一致，3种方法可相互验证，有效提高了探测结果的准确性和精确度。

2)从本次探测分析结果来看，探测结果的精确度与探测孔的布置、探测孔之间的地质条件有关，另外，跨孔电阻率CT法和跨孔电磁波CT法受探测区金属物体(桩体内钢筋等)的影响较大。

3)随着地铁工程建设的规模和数量迅速发展，地质条件和施工环境越来越复杂，跨孔CT法具有施工空间小、精度高的特点，因此，应用前景广阔。

4)在本次物探探测工作中，采用多种物探方法联合反演解译达到了较好的应用效果，如何进一步提高物探方法的探测精度，以满足地铁工程中地下障碍物更精细化探测的要求是未来的研究方向。

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