盾构地铁隧道孤石探测方法及研究展望

蔡洪美

(福建省建设工程物探试验检测中心，福建 福州 350011)

1 引 言

近年来，我国地铁建设飞速发展。然而在东南沿海花岗岩地区，由于风化差异导致孤石与基岩凸起等不良地质体频现。这些孤石可出现在残积土、全风化和强风化的花岗岩体内，其尺寸大小、分布无规律性。孤石形状各异，大小从几十厘米到几米，埋深10m～30m，强度可达200MPa以上[1]。孤石给隧道掘进过程中的盾构机造成严重威胁，轻则造成盾构机刀盘损伤，重则造成刀头偏移、盾构机移位等。另外，盾构机在掘进孤石时振动很大，刀盘压力较难控制，经常出现刀盘被卡、喷涌、坍塌，诱发地面不均匀沉降，引起周边构筑物开裂、管线损坏，对保护地面环境极为不利[2]。

在深圳、广州、厦门和福州等地的地铁盾构施工过程中，因孤石存在造成了巨大损失。2004年2月，广州地铁3号线某盾构区间掘进至614环进入全长348m孤石地层，历时8个月先后换刀15次，更换各类刀具251把；2005年3月，掘进至ZDK2+381.86球状风化区段，历时73天，更换滚刀40把[3]。2014年12月，厦门地铁1号线集诚区间掘至ZDK24+181遇一个直径3.5m的孤石，刀盘被卡住，后来采用旋挖处理，造成盾构掘进中断约3个月[4]。厦门地铁2号线在穿越海底时突遇直径几十厘米的孤石群，不得不对泥水平衡的盾构机进行开仓，采用人工破石、取石的方法进行处理。因此，在花岗岩地区盾构隧道施工中，预先对孤石进行探测，并采取适当措施进行处理十分必要。然而，由于城市环境的复杂性，各种探测方法均有其适用性和优缺点。本文在总结国内若干城市地铁隧道孤石探测成果的基础上，结合厦门地铁隧道孤石探测的结果，总结其中经验，为今后孤石探测提供参考。

2 孤石探测方法

2.1 加密钻孔法

加密钻孔法是目前孤石探测中最为常用和可靠的方法，这种方法钻孔间距通常控制在2.5m～20m之间，沿隧道轴线方向布设一排或两排钻孔，采用该法钻取的孤石样品直观、可靠，不受孤石深度的限制，但该法对孤石有无的判断具有“一孔之见”的局限性，无法判断孔间孤石的分布情况，即存在较大的孤石盲区。

以盾构隧道直径为6.28m、钻探直径90mm的孤石探测为例，单个钻孔能够揭示各个直径孤石的概率如图1所示。可以看出，以常规5.0m钻探间距为例，对于直径3.0m大的孤石，其揭示概率仅为25%；随着钻孔间距的扩大和孤石直径的减小，孤石揭示概率越来越低。另外，在城市环境内进行钻探，地下管线等构筑物的存在使钻探风险加大，遇到房屋时，加密钻孔有时难以开展。另外，加密钻孔法具有花费较大和耗时较长的缺点。

图1 不同孤石直径下钻孔揭示的概率

2.2 地质雷达法

地质雷达法是各种探测方法中精度和效率最高的方法之一，有时探测效果较好。孤石和周围介质的介电常数存在一定的差异，这为地质雷达探测提供了可行性。影响地质雷达探测结果的主要因素有多种，包括孤石埋深、大小，孤石形状和孤石周围岩土体介质等[5]。孤石在雷达图上呈现典型的抛物线，孤石越接近于球形，抛物线越规则、对称，可以根据抛物线形进行孤石判别。

刘成禹等对埋深0.5m的几种不同大小的孤石进行了探测试验研究，发现雷达波在孤石处出现了明显的弧形反射，反射弧的张开宽度随孤石直径的增大而增大，孤石位置处的反射波振幅明显比其它位置大，反射弧弧顶对应的深度即为孤石的实际埋深[6]，如图2所示(左侧为雷达反射波形图，右侧为孤石中间、左侧的单道波形图)。

图2 地质雷达孤石探测试验(孤石直径15cm)[6]

采用地质雷达法探测孤石时要排除地面干扰的影响，如地面电线、广告牌、桥梁等，其干扰信号也呈现明显的弧形，但张开宽度一般较大，弧形规则，一般无振荡。盾构隧道埋深一般较大，选择低频天线(如100MHz及以下)探测时，有时弧形并不明显，此时应从反射波能量、振幅或同相轴错段等情况进行判别。

曹权结合深圳地铁11号线对某区间孤石进行了探测，孤石深度位于16.0m～20.0m处。该孤石处于花岗岩全风化层中，如图3所示。进行的钻孔验证结果表明，探测效果较为理想[7]。

图3 孤石地质雷达图[7]

图4是厦门某孤石集中发育地区的孤石探测结果，地面为沥青混凝土道路，探测采用100MHz低频天线，在35m长度上存在3块孤石，埋深约为3.0m，孤石直径处于1.0m～1.5m之间。图中右侧反射波杂乱，此处原为冲沟，为块石回填区。

图4 孤石探测结果

2.3 高密度电法

如果场地条件开阔，如荒地、道路和绿化用地等，采用高密度电法对盾构孤石进行探测也是一种较好的方法。由于孤石与周围介质的电性存在一定差异，采用程控电极转换器，由微机控制和选择电极，实现数据的高效快速采集。沿隧道纵向轴线布设电极测线，测得地层纵向电性变化情况，同时具备电剖面法和电测深法两种方法的优势。软件对数据处理后，可自动生成各测深点曲线及各剖面层或整体剖面的图像[8]。高密度电法的处理结果可读性强，相对较为容易实现孤石判别。

在操场砂坑里埋设3块孤石，直径20cm～30cm，深度为0.3m，间距为1.5m。图5是采用高密度电法进行孤石探测的试验布置图，电极距为0.3m，采用30道电极。图6和图7是相应的测试结果，可以看出，温纳装置和偶极装置均能探测出孤石的存在，高阻体深度与实际深度基本一致。温纳装置在水平方向上的分辨率略差，不能将3块孤石的水平准确位置反映出来，出现一片高阻体。偶极装置可以将3块孤石的水平位置分辨出来，可见其在水平方向上的分辨率高于温纳装置。

图5 高密度电法探测孤石的试验布置图

图6 温纳装置探测孤石的反演结果

图7 偶极装置探测孤石的反演结果

采用高密度电法进行孤石探测时，应选择合适的电极距和电极排列方式。电极距越小，探测的精度越高，但深度相应地减小。针对20m左右埋深的隧道，电极距可以选择2m～4m，采用60～120道电极。姚金以广州地铁盾构隧道孤石探测为例，分析比较了温纳装置、偶极装置和微分装置3种排列方式的探测结果(如图8所示)，发现在相同电极距情况下，偶极装置较温纳和微分装置的探测精度要高，对高阻异常体及垂向上电性变化反应较灵敏。由于偶极装置对浅表不均匀体的反应也较灵敏，容易导致采集数据质量不高甚至产生假异常，从而增大了解释的难度[9]。

图8 温纳装置测得的孤石反演结果[9]

2.4 跨孔地震CT法

跨孔地震CT法是采用地震波射线穿透地质体，通过对地震波走时和波动能量变化的观测，经过计算机处理反演，重现地质体内部结构图像的一种物探方法[10,11]。该法与高密度电法的图像类似，也具有图像直观和容易判别的优点。为了兼顾探测效果和经济要素，跨孔间距通常以10m～30m为宜。跨孔地震CT法对孤石的划分是依据地质体弹性纵波的波速。在通常情况下，对于新鲜完整-微风化的花岗岩，其弹性纵波的波速大于4000m/s，中风化孤石弹性纵波波速基本位于2500m/s～4000m/s之间，而周围岩土体(包括残积土、全风化层和强风化层)的弹性纵波波速小于1000m/s。因此，依据波速的差异，可以较为容易地对孤石进行识别。

图9和图10为厦门市轨道交通4号线某区间地铁隧道孤石的跨孔地震CT法探测结果，该区间孤石和基岩凸起密集。在Y3～Y4段内，地震波波速变化范围为700m/s～3500m/s，推测波速小于2000m/s的较低速的介质为粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化层、强风化层等。位于剖面桩号0～3m、埋深标高5m～8m范围内分布波速约2100m/s的高速异常，推测为孤石的波速异常反映；位于剖面桩号11m～28.5m、埋深标高-5m～-1m范围内波速大于2200m/s，推测为中风化孤石或基岩隆起(受探测深度限制，未探及高速异常较完整的形态)。在Z7～Z8地震波层析成像剖面图中，位于剖面桩号2m～4m、埋深标高-1m～1m范围内分布波速约2000m/s的高速异常，推测为孤石的波速异常反映；位于剖面桩号8m～12m、埋深标高10m～13m范围内波速大于2200m/s，推测为中风化孤石；位于剖面桩号2m～29.5m、埋深标高-7.4m～-1m范围内波速大于2200m/s，推测为中风化孤石或基岩隆起。

图9 Y3～Y4地震波层析成像剖面图

图10 Z7～Z8地震波层析成像剖面图

2.5 微动法

微动探测方法利用地球本身的微弱振动作为信号源，其是一种由体波(P波和S波)和面波(瑞利波和拉夫波)组成的复杂振动。微动法基于以下基本理论[12]：(1)微动信号数据处理以平稳随机过程理论为依据；(2)信号总能量中，面波信号能量占绝对优势；(3)面波在非均匀介质中的频散特性决定了微动探测的可行性。从微动信号的垂直分量中提取Rayleigh波频散曲线的方法有两种，一是根据空间自相关法(SPAC法)[13]，另一种是频率-波数域法(F-K法)[14]，目前较为常用的是SPAC法。

SPAC法是从微动信号记录中提取瑞利波，并计算各台阵的瑞利波频散曲线，根据有关公式，将瑞利波相速度频散曲线转换成S波速度随深度的变化关系，再通过插值、光滑计算，最终获得视S波速度剖面[15-18]。微动法是一种基于微动台阵探测的地球物理方法，观测台阵类型有圆形、三角形、T形、L形和十字形等[19]。中国科学院徐佩芬和福建省建筑设计研究院刘宏岳等在这方面进行了深入的研究与实践[20]。该方法在福州地铁1号线孤石探测中取得了重大技术突破，目前已经推广到福州、厦门、深圳、广州的地铁项目，探测效果良好，逐渐获得了施工单位的肯定，并在行业内相互推荐[4]。

3 讨 论

3.1 探测环境复杂

盾构地铁隧道往往位于城市的闹市区或建筑物集中区等环境复杂区域，加上其埋深一般较大，可达30m，这给孤石探测带来了众多不利影响。厦门市轨道交通2号线跨越海域，海床内的孤石探测排除了多种方法(如地质雷达法、高密度电法和微动法等)，只能依靠钻孔法和地震波法。这是因为，在路面上实施钻探往往需要占用车道，会给交通带来影响；存在建筑物时，钻探法、地质雷达法和高密度电法等难以开展；地面上的各种构筑物，如电线、立交桥、广告牌以及马路两侧埋设的电缆等会对地质雷达探测造成干扰；车道上行驶和停留的汽车，导致探测设备无法布展。另外，城市地下的构筑物也对一些探测方法造成较大干扰或使之难以开展。

3.2 探测方法选取

每种探测方法均有其优缺点和适用条件，在进行孤石探测时，需要根据场地条件、探测要求和设备能力等确定出一种或几种探测手段相互结合、相互验证的方法。钻探法虽然真实可靠，但实施起来不能“以点带面”。地质雷达法的探测效率较高，但探测深度相对不大，特别是我国东南沿海花岗岩风化残积土、全风化和强风化地层内土体含水量较高，电磁波信号吸收较强，加上近海受到入侵海水的影响，导致雷达反射波图像模糊，孤石难以判断。在厦门残积土地区，有时有效探测深度基本上位于10m～15m之间(100MHz天线)。高密度电法对布设测线的场地条件要求较高，若需要探测20m～30m深度，测线需要布设150m～200m长度，地面建筑物和构筑物经常导致测线无法布设。跨孔地震CT法需要事先钻孔，只能探测钻孔间的孤石分布，受电火花能量影响较大，探测费用往往较高。微动探测法的效率较低，受地面车辆等影响，探测可靠性有时不高，还需要更多经验积累。

王典在广州地铁3号线(机场线)和6号线二期工程中开展了孤石物探方法试验和专题研究，选用了10余种物探方法，发现瞬变电磁法、地质雷达法和地震映像法等地面物探方法均达不到理想效果；电磁波CT探测具有一定探测效果，但对孤石位置描述存在较大差异；跨孔回声法取得了较好的效果，但对孤石平面位置的定位，其工作量较大[2]。

3.3 发展方向

由于地面物探设备的局限性，一些相对较新的孔中探测设备有时效果较好，如跨孔地震CT法、井间电磁波CT法和井间电阻率CT法等，这些方法大都是借鉴医学CT技术而发展起来的相对较新的探测技术。井间电磁波CT法是基于电磁波在介质中传播时不同介质的吸收程度差异来反演、重建空间各区域吸收系数的分布，确定区域的地质结构信息，具有勘测精度高、轻便、高效和受振动干扰小等优点[21,22]。朱亚军等采用电磁波CT法对某轨道交通1号线特定区域进行了孤石探测，通过ART方法的反演结果与实际钻孔验证信息对比，表明电磁波CT法在孤石大小、空间分布方面基本与验证的钻孔资料一致[23]。曹权等采用超高密度电阻率CT法对深圳地铁11号线某区间孤石进行了探测试验，并通过钻孔数据进行了验证，表明该法能够较好地揭示出孤石的空间分布[24]。

除了孔中探测方法外传统地面物探设备新，数据处理方法的应用也可得到相对较好的探测效果。刘宏岳等对海域地震反射波采用多次覆盖CDP叠加技术，分析了该技术的方法原理、震源选择、观测系统等，能够探测出小尺寸异常体，通过钻探验证了该技术在孤石探测中具有良好的效果[25,26]。

4 结束语

(1)我国在盾构隧道孤石探测方面已经取得了不少成果，有的经过了钻孔验证，证明了这些方法的可行性。不同探测方法具有不同的适用条件和优缺点，在具体应用时，应结合工程条件、探测能力和经济性因素等选择合适的探测方法。

(2)孤石探测方法的精度仍有待提高，如对深度20m～30m处直径0.5m的孤石，目前基本上难以探测出来，或者探测代价较高。对于孤石群探测，各种探测方法几乎不能够将各孤石分离出来。

(3)要想对孤石进行更准确的探测，需要充分了解探测设备能力、围岩介质特性和场地干扰条件等，需要更多的经验累积和模型试验，以提高各种探测方法在孤石探测中的可靠性。

(4)对于目前的各种探测技术，没有一种单独的探测手段能够准确探测出孤石的空间分布。因此，采取钻探和物探相结合的方法或多种物探手段相结合的方法对孤石进行定位非常必要。