基于声纳渗流技术的地铁联络通道涌水探测应用研究*

胡盛斌，杜国平，徐国元，钟有信，杜广林

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641；2.南宁轨道交通集团有限责任公司，广西 南宁 530029；3.南京帝坝工程科技有限公司，江苏 南京 213661；4.广西帝坝科技有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

对于地铁而言，从使用性能、防灾救援及隧道排水等方面考虑，大多数2条单线区间隧道需要设置联络通道和废水泵房[1]。在富水地层地铁隧道区间联络通道施工中，不仅要考虑自身结构和地面建筑物的安全，又要确保成型隧道的稳定，施工难度和风险大。特别是由于地层的富水性以及粉(细)砂层的强渗透性，在施工经验和地质勘察不足的条件下，施工时往往易引发涌水涌砂事故。最为典型的联络通道事故是上海轨道交通4号线越江隧道联络通道施工因冷冻法失效导致涌水涌砂的重大事故，不仅造成隧道受损和周边区域地面沉降，还造成3幢建筑物严重倾斜，以及防汛墙出现裂缝和沉陷[2]。

针对隧道及地下工程建设中地下水探测问题，目前国内外工程界已广泛应用一些物探方法，特别是在隧道超前地质预报方面取得了显著的成果[3]，如地质分析法、超前钻探法、电法、电磁法、反射地震法等。钟世航[4]等指出探查地下水不是弹性波法的强项；邱道宏[5]等强调陆地声纳法对水的预报仅是起辅助作用，不能具体查明出水点的位置和水量大小；刘静[6]等验证了一次场电流的电极对渗流通道的位置有指示作用；安辉[7]采用红外探测法探测含水体位置，但无法准确预报地下水发育情况和水量；任志平[8]等分析了含水体参数变化对三维核磁共振响应的影响；薛国强[9]等指出瞬变电磁法对含水体的预测和定位有一定的效果；H.Hotzl[10]、杜国平[11]、叶合欣[12]等利用同位素示踪法测定含水层渗透流速、流向，但由于放射性同位素对环境和人体的影响而无法推广应用；M. W.Becker[13]利用温度梯度法、水流温度和水流调查相结合的热平衡方法，获得更准确的河流流量估计；董海洲[14]等采用温度示踪方法探测基坑的渗漏通道、补给关系，但前提条件是要形成较强渗流才有效果；杜国平[15]等运用声纳渗流技术定量测定基坑渗漏水的流速、流向、流量等量化指标，准确查明渗漏点、渗漏通道以及补给来源，但在地铁联络通道涌水探测中尚未运用。因此，采用声纳渗流技术提前准确探明联络通道涌水区域内的地下水渗流路径、补给来源、流速、流量、流向、渗透系数等水文地质参数，对于指导制定有针对性的涌水处理方案和提前防控涌水风险显得尤为重要。

本文以某地铁盾构隧道区间联络通道涌水探测与处理为例，采用“三维流速矢量声纳测量仪”测定渗漏路径、补给来源以及渗透流速、流量、流向等量化指标，为复杂水文地质条件的联络通道施工涌水渗漏处理提供技术支持和决策依据。

1 声纳渗流技术基本原理

声纳渗流探测技术是以伯努利能量方程和连续性方程为基础，融合了矢量声纳技术[16]、航空定向技术[17]、压力传导技术等多种技术于一体的用于水流质点运动速度和矢量的地下水探测新技术。依据渗流场与水声学测量原理，能够对渗流发出的声波进行直接与间接的定量测量，主要包括水下、井下和地下空间工程的渗漏点、渗漏路径、补给来源以及地下水渗透流速、流向、流量、含水层渗透系数，可提供地下水渗流定位与渗流云图的技术支持。

三维流速矢量声纳测量仪是声纳渗流探测技术的专利产品，该仪器主要由探头、主机、数据采集器及电缆组成，如图1所示。该仪器可以在水工标准水流试验槽进行标定，流速测量精度可达到1×10-6cm/s，流向测量误差为±0.4°[18]。

图1 三维流速矢量声纳测量仪Fig.1 3D flow velocity vector sonar detecting instrument

借助于矢量声纳技术，利用声波在水中的优异传播特性，实现对水流速度场的测量。如果被测水体存在流动，则必然在测点产生渗流场，矢量传感器阵列能够精准地捕捉到声波在流体中能量传递的大小与分布，同时利用渗流声源方向上的矢量传感器阵列(1～6)与矢量传感器(B)的距离和相位之差，建立连续渗流场的水流质点流速方程，就可以计算得出探测部位的渗透流速矢量，如图2所示。

图2 矢量传感器测量示意Fig.2 Sketch map of vector sensor measure

假设声波在静止水体中的传播速度为常数C，那么从矢量传感器B传送到矢量传感器1的声波逆流传播速度被流体流速减慢，其流速方程式如式(1)所示：

(1)

反之，从矢量传感器1传送到矢量传感器B的声波顺流传播速度则被流体流速加快，则有式(2)：

(2)

2式相减，整理得式(3)：

(3)

式(1)～(3)中：L为声波在矢量传感器之间传播路径的长度；X为传播路径的水平方向分量；Y为传播路径的垂直方向分量；TB1为声波从矢量传感器B到矢量传感器1的传播时间；T1B为声波从矢量传感器1到矢量传感器B的传播时间；U为流体通过矢量传感器之间声道上平均流速。

依据矢量传感器阵列测量数据的时空分布，可以得到水流声源发出的方向，并将不同方向测量到的水流流速投影到笛卡尔坐标系中，可测算渗流主方向。

2 工程案例

2.1 工程概况

某地铁盾构隧道区间左线设计长度为749.772 m，区间右线设计长度为732.584 m。该区间线路最大坡度为10.782‰，线间距12.4～33.2 m，隧道埋深16～51 m，盾构隧道管片环外径为6.0 m，内径为5.4 m，壁厚为0.3 m，管片环宽度为1.5 m，管片混凝土强度为C50。该区间设置1处26 m长的联络通道，为复合式衬砌结构，采用矿山法施工。

2.2 工程与水文地质

根据钻孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，联络通道拱顶覆土厚度约33 m，联络通道主要位于粉砂岩、泥质粉砂岩⑦2-3、粉(细)砂岩⑦3-3、钙质泥岩⑦3-5。地层从上至下分布依次为：填土、粉质黏土、泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉(细)砂岩、钙质泥岩等，且有互层现象。

地下水主要分为3种类型：第1类为上层滞水；第2类为第四系松散岩类孔隙水；第3类为碎屑岩类孔隙裂隙水。其中裂隙水主要赋存于下伏古近系半成岩(粉砂岩、泥质粉砂岩)的层间裂隙和构造裂隙中，受上覆土层中地下水的垂直向入渗补给，具有承压性，富水性弱，属弱～中透水层。粉砂岩、泥质粉砂岩⑦2-3的渗透系数为0.8 m/d(即9.26×10-4cm/s)，粉(细)砂岩⑦3-3的渗透系数为1.0 m/d(即1.16×10-3cm/s)。联络通道的地下水位为地面以下2～3 m，联络通道地面距离水库约110 m，水库水位高出联络通道拱顶15～16 m。

2.3 施工前期准备工作

为保证施工期间土体稳定和施工安全，事先准备对通道周围土体进行加固和降水。通过管片预留的注浆孔进行二次注浆，同时在联络通道2侧距结构边墙4 m处共设置6口降水井(见图3)，深度约42 m，要求水位降深在联络通道结构底下0.5 m。在钢管片洞门拆除前，在左线隧道注浆加固区域的钻孔时有小股水流喷涌，水质清澈无砂，初期涌水量达650 cm3/s，稳定涌水量保持在350 cm3/s左右；第2次在左线隧道钢管片环拱腰(联络通道拱顶)钻孔，孔深10 m，Φ110 mm，水流清澈无砂；第3次在左线隧道管片预留注浆孔处钻孔取芯，孔深45 cm，Φ46 mm，芯样基本完整。

图3 联络通道平面布置Fig.3 Plane layout of connecting passage

由于左、右线隧道的二次注浆难以注入，地表降水水抽排水量小，靠近联络通道拱顶位置的左线隧道管片泄水孔涌水量较大，水量不大但持续不变，水源来路不明。为进一步查明地下水的补给来源、渗流通道等情况，采用声纳渗流技术测量该区域内水文地质参数，为后续施工处理提供决策依据。

3 测量结果与分析

3.1 洞内无损检测

本次洞内无损检测共选取28个断面336个测点。以洞门钢管片环位置为中心，每环混凝土管片作为1个测量断面，沿钢管片环的上行和下行方向各测量7个断面，左右线隧道的钢管片前后区域共测量14个断面，每环管片内壁中间均匀布设12个测点，即沿管片环内壁中间每30°布置1个测点，左右线隧道选取位置及数量均相同。

图4为左线隧道盾构管片无损检测渗透流速展开图。相对较大流速测点集中在A3环至B1环管片壁后的10点钟到1点钟(上半圆)区域，其中A3环9点位置出现渗透流速最大值，为2.30×10-3cm/s，其次为A1环11点位置，渗透流速最大值为2.05×10-3cm/s；靠近联络通道附近区域的渗透流速平均值变化较大，其他位置渗透流速相对稳定，其中A1环管片渗透流速平均值最大，为8.70×10-4cm/s，对应的渗流量为196 cm3/s；A4环管片渗透流速平均值最小，为5.03×10-4cm/s，对应的渗流量为112.71 cm3/s；测量区域内总渗流量为1 978 cm3/s(即7.12 m3/h)。

图4 左线隧道测量点渗透流速展开图Fig.4 The flow velocity expansion map of measuring points in the left line tunnel

相比左线隧道而言，右线隧道相对较大流速测点集中在A5环到B1环管片壁后的9点到3点钟方位(上半圆)区域，A2环12点位置出现渗透流速最大值，为1.27×10-4cm/s，其余位置渗透流速最大值相对较小；各测量管片截面渗透流速平均值变化不大，其中A2环管片的渗透流速平均值最大，为5.65×10-5cm/s，对应的渗流量为12.68 cm3/s；B4环管片的渗透流速平均值最小，为2.75×10-5cm/s，对应的渗流量为6.16 cm3/s；右线隧道测量区域的总渗流量为123 cm3/s，远小于左线总渗流量。因此，联络通道渗漏水的集中位置分布在左线隧道拱顶位置，是此次测量的主要渗漏区域。

3.2 地表井孔测量

本次地表井孔测量共检测6口降水井。探头放入井孔中，从地下水位以下开始向下测量，沿测深方向每1 m测量1次，直到探头测量到井底为止。由于3#、4#降水井局部堵管无法下放探头，故只能测量部分高程范围的数据。

图5为声纳渗流检测所得的渗流量三维可视化云图。该图是由154组声纳渗流原位测量数据(每组数据是由60万个物理测量数据组成)生成的渗流场(含流速、流向、流量)三维可视化成像，可以360°方向旋转观察任一空间的渗漏流场异常变化与含水地层的对应关系，并由此生成X、Y、Z轴方向的地下水渗流剖面图(见图6)，获取水文地质参数的原位量化数据，以达到对地下水渗流场的预测和预报。

图5 渗流场三维可视化云图Fig.5 3D visualization cloud map of seepage field

表1为各测孔的水文地质参数。该表包括各测孔所对应的单孔渗流量、渗透流速(平均值、最大值及其坐标位置)以及渗透系数(平均值、最大值及其坐标位置)。

图6 沿X、Y、Z轴方向渗透流速任一剖面等值线图Fig.6 Contour map of flow velocity in any section along X, Y and Z axes

孔号单孔渗流量/cm3·s-1渗透流速/cm·s-1渗透系数/cm·s-1平均值最大值平均值最大值备注2#6.67×1023.51×10-42.09×10-3(埋深27 m处)5.62×10-43.35×10-3(埋深27 m处)5#3.50×1022.19×10-45.39×10-4(埋深16 m处)3.50×10-48.63×10-4(埋深16 m处)6#3.34×1022.02×10-41.52×10-3(埋深23 m处)3.24×10-42.44×10-3(埋深23 m处)1#2.33×1021.55×10-42.67×10-4(埋深18 m处)2.48×10-44.26×10-4(埋深18 m处)4#6.35×1011.06×10-41.37×10-4(埋深26 m处)1.69×10-42.19×10-4(埋深26 m处)局部堵管3#4.62×1011.03×10-41.12×10-4(埋深36 m处)1.64×10-41.80×10-4(埋深36 m处)局部堵管

3.2.1 单孔渗流量

由各单元渗透流速与各单元有效面积可计算单孔渗流量(断面宽度取5 m)。2#孔的单孔渗流量最大，为667 cm3/s；3#孔单孔渗流量最小，为46.2 cm3/s。可见各测孔单孔渗流量都不大。

3.2.2 渗透流速

6个测孔所对应的渗透流速平均值均超过1×10-4cm/s，按大小排序依次为2#、5#、6#、1#、4#、3#，其中2#孔在埋深27 m处的渗透流速最大值为2.09×10-3cm/s，6#孔在埋深23 m处的渗透流速最大值为1.52×10-3cm/s，均具有明显的裂隙渗漏通道特征。

3.2.3 渗透系数

根据渗流方向上的水力梯度与流速等值关系，由达西定律计算得出各测孔沿埋深的含水层渗透系数。2#孔在埋深27 m处的渗透系数最大值为3.35×10-3cm/s，6#孔在埋深23 m处的渗透系数最大值为2.44×10-3cm/s，其余测孔见表1。单孔渗流量、渗透流速和渗透系数较大区域分布在2#、5#孔的高程60～72 m(埋深23～35 m)范围内，结合地质勘察资料，确认该区域正是联络通道拱顶、拱腰部位分布泥质粉砂岩和粉(细)砂岩的裂隙发育带，是联络通道开挖时的主要渗水通道。

3.2.4 渗流方向

图7为测孔区域渗透流速矢量三维分布图。根据声纳传感器阵列测量到的流速大小投影测算，此6口降水井的主渗流方向均为自东北往西南方向(见图3)，且左线隧道的渗透流速平均值和总渗流量均大于右线隧道，联络通道靠近水库一侧的渗透流速平均值和单孔渗流量均大于远离水库的一侧，结合联络通道区域地质勘察情况，判定该区域地下水与水库有直接的水力联系。

图7 渗透流速矢量三维分布图Fig.7 3D distribution map of flow velocity vector

4 验证及处理

经开挖后现场查勘，联络通道洞身部位处于粉砂岩、泥质粉砂岩⑦2-3与粉(细)砂岩⑦3-3的交界面，裂隙水由此涌出，水质清澈无砂，左线隧道实测泄水量为6.5 m3/h，左线隧道声纳渗流检测的总涌水量为7.12 m3/h(含少量管片壁后泄排水)，与现场实际情况相吻合。

结合地质探孔试验结果，判定联络通道涌水量不大，且异常涌水的可能性很小，经设计单位确认，在后续施工时左右线盾构隧道洞门前后的拱腰、拱顶部位各15环管片预留注浆孔打孔作为泄水孔，同时在联络通道初支背后每2榀处的左右2侧及拱顶处布设引流管排水。整个施工过程中暗挖隧道监测和地表沉降监测数据无异常，目前该联络通道已顺利开挖贯通。

5 结论

1)声纳渗流技术可以精准探测渗水通道、补给来源以及流速、流向、流量、渗透系数，并以此建立渗流场三维可视化云图，为定量研究水文地质参数提供了解决途径。

2)声纳渗流技术可利用降水井、水文地质钻孔进行探测，精准测量各测孔的含水层水文地质参数，用于指导降水设计、涌水渗漏处理，并可以通过复测验证堵漏处理效果。

3)声纳渗流技术可根据需要加密探测，定量探查隧道涌水或渗漏特征，结合水文地质勘察、地质探孔以及其他的方法，为隧道涌水处理和安全风险管控提供决策依据。

4)目前声纳渗流技术还在不断发展中，尚存在一些不足，如受施工振动噪音干扰而导致探测误差、井孔测量时需要提前布设井(孔)并保证成井(孔)质量等，但随着仪器设备与方法技术的改进，结合其他的方法相互验证，声纳渗流技术在隧道及地下工程涌水、渗漏安全风险管控方面具有良好的应用前景。