城市电缆工程勘察新型物探方法的应用

(福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350108)

1 工程概况

福州某220 kV线路工程为新建双回220 kV和多回110 kV地下电缆线路，线路长度约6.5 km，全线采用非开挖顶管隧道方案，钢筋混凝土顶管外径3.8 m。

本工程路径沿市政主干道的机动车道、非机动车道及绿化带等布置。沿线布置工井19个，副井8个，工井平面形状采用矩形(8 m×7 m)、方形(6 m×6 m)、圆形(直径6 ～8 m)，井底埋深约13 ～22 m，工井和副井均采用沉井法施工，沉井周围采用两排高压旋喷桩帷幕，沉井底部采用满堂高压旋喷桩进行固砂止水。该工程于2016年5月竣工投产。

2015年4月－5月，在本工程G10工井附近，通过对邻近市政污水管网5#井路面开挖，揭示其井顶平面位置和尺寸，但无法核实其下部结构形状和尺寸。该5#井底与本段设计顶管安全距离不足，另外，在本工程G13－G14之间的污水管网YG20工井与本工程顶管也较近，存在安全距离不足风险。由于无法搜集到已有污水管工井准确资料，为确保两处顶管方案可行性和施工安全，采用无损探测方法查明污水井的底部结构尺寸和标高等。

2015年6月，本工程G10－G11段原直线顶管设计方案在顶管施工前更改为曲线顶管方案(长约250 m)，由于该线段路径位于主干道的机动车道及十字路口，难以采用钻探方法进行补充勘察，采用了近年来在地铁勘察中应用效果较好的微动探测方法，同时辅以少量钻探工作。

2015年8月，本工程穿越光明港的G7－G8段顶管施工前，施工单位在河岸两侧工井(G7－G8段)施工过程中发现填土含碎块石，担心可能遇到光明港河岸抛石等障碍物，为确保施工安全和进度，需提前详细探明光明港河道内及驳岸处地下障碍物的分布情况，采用非开挖定向钻拉管进行初步探测，拉管成孔后，在管间进行地震波层析成像探测工作。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

沿线工程场地位于福州盆地东南部，属于海陆交互相沉积盆地地貌，沿线地形较平坦，路径南段(鳌峰路、排尾路)距离闽江较近。

沿线地下市政管线较多、较复杂，地下管线的埋深一般在2 ～5 m，雨水管、污水管埋深稍大，管底埋深一般4 ～7 m，采用拉管敷设段埋深5 ～10 m，局部采用拉管敷设的煤气管道埋深较大，弧线最低点深度约12 m，沿线穿越光明港等内河5条，地表和地下环境条件较复杂。

2.2 沿线场地土层分布

(1)人工填土：灰－灰黄色，松散，稍湿，多为老填土，一般厚度3 ～6 m，局部厚约10 m，地表多为混凝土或沥青路面，下部为碎石、砂及粘性土等，局部地下1 m残留有旧水泥路面。

(2)粘土：灰黄色，可塑，零星分布，厚度0.40 ～ 1.60 m。

(3)淤泥：深灰－灰黑色，流塑－软塑，沿线从北往南分布由厚变薄(厚度0.7 ～16.9 m)，局部地段夹粉细砂层。

(4)中细砂：浅灰－灰黄色，饱和，松散－稍密，局部夹薄层淤泥，个别地段夹少量碎块石。分布于路径南段，往南厚度渐变大，厚度最大约14 m。

(5)粉质粘土：浅灰－灰黄色，可塑，分布于路径北段，厚2.5 ～5.4 m。

(6)淤泥、淤泥质粘土：深灰色，软塑，局部夹薄层粉砂，厚度1 ～8 m，路径北段厚度较大。

(7)含泥中细砂：灰色，稍密－中密，饱和，局部夹淤泥质土透镜体，分布于路径南段，厚度一般大于5 m。

(8)粉质粘土夹砂：灰黄－灰白色，可塑，夹薄层中砂，局部分布，厚度约5 m。

(9)淤泥质粘土：深灰色，软塑，局部分布，厚度约5 m。

(10)中砂：冲洪积，灰色，中密，饱和，埋深超过30 m。

2.3 地下水

沿线各砂层含水量较丰富，局部地表填土中的上层滞水水量不大，沿线地下水埋深较浅(1.0 ～2.5 m)，地下水对建筑材料腐蚀性微弱。

3 微动探测

3.1 适用条件与探测目的

本工程G10－G11改线段位于交通主干道，沿线地下市政管线较多，无法采用较大密度的钻探补勘。微动探测可在交通主道上利用夜间作业，且作业时间短、不涉及破土开挖等影响，可以避免对交通的影响和路面破坏。利用微动探测技术可查明沿线地下一定深度范围内较大或分布较广泛的不良地质体分布情况，找出障碍物的大致位置，进行先期处理，或者排除障碍物存在的可能性，提供顶管施工的安全区，为顶管施工提供预警信息。

地下障碍物与周围的包裹土体有如下差别：密度差别；S波速度差别；S波波阻抗差别。障碍物具有致密、坚硬的物理特性，相对于周围第四系土层而言均为高速体。

3.2 微动探测原理与方法

微动探测是一种基于微动台阵探测的地球物理探测方法，采用类空间自相关法—SPAC 法从微动台阵记录中提取瑞雷波频散曲线，计算视S波速度Vx，再经插值光滑计算获得二维视S波速度剖面，视S波速度剖面反映地层波阻抗界面，进而反映地层岩性变化或土石分界面。

观测系统一般采用正五边形圆形阵列，每个圆形阵列由放置于正五边形顶点和中心点的6个摆和数据采集系统组成，正五边形顶点到中心点的距离称为观测半径R。

3.3 工程应用简介

根据现场场地条件的不同，本次探测使用SWS－6工程地震仪系统，传感器采用三分量检波器，采用2.0 m半径的台阵进行观测，按5 m测点间距逐点进行，以形成二维剖面观测，共完成47个圆形台阵、282个检波点的H/V曲线，在各测点独立进行微动数据采集。

通过类空间自相关法从微动记录中提取瑞雷波频散曲线，由相速度频散曲线计算获得视S波速度剖面。从探测区段H/V等值线图(见图1)、面波相速度等值线图(见图2)和S 波视层速度剖面图(见图3)综合分析评价，探测区段除表层反映为局部不均匀体外，其余频率范围、波速变化较为平缓、自然，未见明显波阻抗异常、较大高速异常体，G10－G11线段评价为顶管顶进施工安全区。

图1 探测区段H/V等值线图

图2 探测区段面波相速度等值线图

图3 探测区段S波视层速度剖面图

4 地震波层析成像

4.1 适用条件

污水管网5#工井与YG20标段工井段，由于被探测目标体底部混凝土构筑物与周边介质存在显著的波速差异，满足地震波跨孔扫描探测工作必要的地球物理勘探条件；探测区域地下主要地层为杂填土和中细砂层，具备较好的地震波传播条件，当发射孔与接收孔间距小于20 m时，人工激发地震波传播到接收孔时能量较强，满足跨孔探测的数据采集条件；现场工作前向探测钻孔中灌满清水，使得激发探头和检波器串分别与地下介质较好的耦合，为地震波跨孔扫描探测创造良好的工作条件。

图4 污水管网5#工井探测点平面位置图

4.2 工程应用简介

通过在预探测工井两侧布设2个钻孔(见图4、图5)，钻孔间距分别为10.3 m、12.4 m，进行地震波跨孔扫描探测，数据采集时地震波激发点和检波点间距均为0.5 m。原始数据经数据合并、建立坐标、初至时间拾取、层析反演成像及surfer 软件图像处理等，生成跨孔CT层析成像剖面图(见图6、图7)。

图5 污水管网YG20工井探测点平面位置图

图6 污水管网YG20工井跨孔CT层析成像剖面图

图7 污水管网5#工井跨孔CT层析成像剖面图

探测结果：污水管网 5#工井位于剖面桩号2.5～8.5 m位置、底部构筑物高程0.25～－2.4 m，底板厚度约2.65 m；污水管网YG20工井位于剖面桩号2.0～10.0 m 位置、底部构筑物高程－0.26～－3.63 m，底板厚度约3.37 m。

5 定向钻拉管结合层析成像探测

本工程G7－G8 段穿越光明港，光明港河床宽约122 m，河床面高程约1.6～2.9 m。采用非开挖定向拉管方法进行初步探测，拉管成孔后进行地震波层析成像(CT)探测。

5.1 定向钻拉管初步探测结果

通过拉管施工设备监测数据分析可知，入钻点至G8工井段钻进过程中较为顺利，施工过程钻头转速、扭力等数据变化较为平稳，故推测河道段高程－6.7～－10.7 m范围内未遇到地下障碍物；另根据定向钻过程中钻头转速及扭力等参数分析，距离入钻点180 m 位置处，高程－1.5～－3.2 m范围内，遇到障碍物，推测为G8工井的围护桩，随后在相应深度水平调整钻进方向，绕过围护桩及G8工井继续钻进至地面。

5.2 地震波层析成像探测及结果

定向拉管沿拟建顶管路径布设4条PE套管，呈矩形对称布置在顶管外围，矩形长边对应两套管间距5 m，矩形短边对应两套管间距2.89 m，拟建顶管与本次套管相对位置及探测范围见图8。

地震波层析成像(CT)数据采集时，在1条PE套管内放置激震源，另1套管内放置检波器接收震动波，沿矩形长边及对角线两个方向探测，共可探测4条剖面，探测区覆盖顶管上下边界及中心区域。

图8 顶管与套管相对位置及探测范围示意图

层析成像探测剖面共8条，其中典型剖面见图9、图10。剖面显示探测区间内存在多处高速异常，综合定向钻初步探测结果、场地附近的工程地质资料以及波速异常的形态和波速变化情况等分析，这些高速异常均为密实砂层的反映，探测区域内未发现明显的地下障碍物异常反映。

图9 地震波层析成像W1-3(N)剖面图

图10 地震波层析成像W1-3(S)剖面图

6 结语

(1)通过具体电缆顶管工程微动探测技术方法的实际应用，查明了该工程局部线段分布有密实砂层，未见明显波阻抗异常、较大高速异常体，排除障碍物存在可能性，评价为顶管顶进施工安全区。微动探测技术可应用于城市电缆隧道工程可研路径选择时，当沿线地质资料欠缺，或局部预选电缆路径可能存在顶管或盾构施工难以实施，需要采用物探技术手段初步查明沿线地下障碍物的分布情况；当详细勘察阶段钻探难以布置，或需要在钻探点之间进行连续性补充勘察时，也可采用。该探测方法是一种有效的面域或线状物探普查手段，也是城市电缆顶管隧道工程施工勘察的有效手段。由于现阶段该方法应用经验还不太丰富，以及成本相对较高，一般工程较少采用。

(2)地震波跨孔层析成像(CT)方法，通常可用于探测规模小、要求精度高的地下介质结构尺寸，可以为设计施工提供较准确的不明地下结构物的空间形状数据信息。

(3)非开挖水平定向钻进拉管方法是城市地下管道工程设计施工中常见的非开挖施工技术，近年来在地下电缆工程施工中也有采用，但是拉管直径一般较小。非开挖水平定向钻进也是电缆顶管或盾构隧道工程施工中有效的超前勘察手段。当采用在拉(套)管中进行地震波层析成像(CT)探测，可进一步详细查明设计施工隧道区段的地下障碍物情况，是大直径电缆隧道补充勘察的有效手段。其主要缺点，一是须先完成拉管施工，成本较高；二是受限于CT设备电缆长度，一次探测长度有限。