深埋基桩准确定位探测技术应用研究

吴丰收 崔 然

（中船勘察设计研究院有限公司, 上海 200063）

0 引言

中国经济快速发展，国家在地下空间建设方面的投入越来越多。近年多个城市地铁以及高层建筑等项目都得到了实施。项目的实施过程中，有时会遇到在用或已废弃的地下障碍物，给施工带来了严重影响，造成经济损失甚至引发安全事故。如深圳地铁7 号线施工期间，盾构诱发地层局部沉降导致隧道上部给水管道破裂，致使隧道坍塌[1]；武汉地铁7 号线工程盾构施工，盾构机下穿建筑物造成建筑物基础发生沉降、开裂，最终导致房屋倒塌事故[2]。

为减少或排除地下建设过程中存在的潜在风险，多年来，中国的学者、专家致力于城市地下障碍物的探测工作，并取得了显著成果。游敬密等通过地震波层析成像技术解决了顶管施工中遇到的抛石等地下障碍物问题[3]；夏 昌等采用跨孔CT 结合水平定向钻技术解决了单一方法探测地下障碍物精度低、准确性差的问题[4]；潘瑞林、徐 良等采用地质雷达法、高密度电法和地震映像法相结合的综合物探方法对城市轨道交通中一些典型障碍物进行探测[5]；葛双成等采用地质雷达法和瑞雷波法对引水工程中顶管线路中抛石层分布范围、埋深探测，有效指导顶管施工[6]；周正东等采用面波法，通过对面波频散曲线的波动特征的分析有效确定地下障碍物的位置以及大小[7]，为城市地下障碍物探测开拓新领域，打开新局面。但是，由于城市空间结构的独特性，干扰源丰富、作业空间小以及物探探测分辨率低等问题一直困扰着障碍物准确探测，特别是对于体积小、埋藏深的障碍物，如基桩的准确探测。钻探技术方法直接、成果直观、准确率高，可对地下障碍物进行探测，但存在一孔之见、成本高等弊端。本文根据工程项目实际情况，采用综合物探方法结合钻探技术对深埋基桩进行探测，针对基桩不同埋深，结合不同探测方法的特点，选择有针对性的综合探测方法对不同埋深基桩进行探测，可以对典型障碍物基桩进行准确探测。深埋基桩探测方法经验可为城市深埋障碍物探测提供参考。

1 基桩探测方法研究

1.1 高密度电法

高密度电法是一种阵列式电阻率测量方法，是集电测深法和点剖面法于一体的高密度测试方法。通过一次性高密度布点，通过计算机数字操控技术进行二维地电断面测量，从而达到对地下不同深度介质水平变化和纵向变化的电性变化探测。

工作原理见图1，在实际生产应用中，地表非水平，地下介质非均匀、非各向同性，因此求得的电阻率并非介质真实的电阻率，实际上是测试时电场有效范围内各层地质体及地形的综合响应，即为视电阻率[8-10]。通过对视电阻率剖面中高、低阻反映情况及特征分析，可达到对地表以下电性目标体的探测。

图1 高密度测试系统示意图

1.2 磁梯度法

地磁场在地球的表面有规律的分布，它相当于位于地心的磁偶极子产生磁场，N 极位于南极附近，S 极位于北极附近。

对于磁导率强的目标体，在地磁场的磁化作用下，在其所在地周围产生了次生磁场，与地磁场叠加形成新的磁场。磁场分量在垂直方向产生的磁梯度最大，变化最敏感，易于探测[11-12]。

对于钢筋基桩，磁场强度m，埋深为L，在其测距为d处钻孔探测研深度z方向的磁梯度的变化为：

式中

从而得出孔内磁梯度 ΔZ随深度变化的磁梯度曲线，见图2。

图2 磁梯度探测基桩示意图

2 工程地质环境

项目场地浅层土层主要为全新世（Q4）土层和上更新世（Q3）土层。表面层主要为早期施工遗留下来的道路路面及以砖块、碎砖石、混凝土等为主的杂填土，下方土层从上向下依次为厚度不均的吹填土、淤泥质粉质黏土、砂质粉土、砂质粉土与淤泥质粉质黏土互层、黏土等。地下水类型属第四纪松散层中孔隙潜水，主要补给来源为大气降水及地表径流，埋深一般为地表以下0.3～1.5 m，水位受降雨、潮汛、地表水的影响而变化。项目范围内遗留φ600PHC 桩，分布不均，桩头埋深约为3～5 m 和13～16 m 两种类型，由于是烂尾工程，早期施工记录不全、部分图纸丢失，多方资料相互矛盾，造成区域内基桩位置、埋深、分布等情况掌握不足，为工程设计、基础施工，特别是基桩施工、基坑开挖带来一定难度，存在不确定性，需准确探明区域内基桩分部、埋深及准确位置。由于区域内地层相对均匀、松散、地下水丰富，混凝土桩相对于土层，电阻率、密度等物性参数存在明显差异，为基桩的准确探测提供了物理基础。区域内物性特征参数见表1。

表1 测区土层物性参数表

3 埋深5 m 内基桩定位探测

测区场地平整，浅表层为碎砖石、混凝土碎块等杂填土，周围电磁干扰弱，基桩与地层土存在明显的电磁性差异，利于电磁波法和电法探测。针对埋深5 m 以内的基桩，首先采用100 MHz 的雷达天线进行探测，采用连测法，地质雷达探测成果图见图3。从图可知，1 m 深范围内的雷达反射波强烈，反射波振幅强、相位错乱，分析认为是表层建筑垃圾造成的电磁波反射、绕射和散射叠加的结果。下方反射波衰减迅速，深度2 m 以下主要为干扰波，已不能有效分辨出地层变化情况，判定有效探测深度小于2 m，无法对深埋2 m 以下的基桩有效探测。采用高密度电法对深埋基桩进行探测并采用不同电极距方法探测，通过比较分析和相互验证，获得最佳的测试效果。电极距1.0 m 温纳法测试成果见图4。据图可知浅层电阻率高且较集中，分析得该区域是建筑垃圾分布范围和厚度，其下方电阻率随着深度的增加明显减小。在高阻的区域下方，存在多个相对高阻异常区，电阻率等值线相对集中、密集，呈凸起状，如图4中椭圆圈定范围。分析认为混凝土桩相对饱水土层为高阻，引起区域性电阻率增高并相对集中，判定存在基桩，见图4中圈定的位置。

图3 地质雷达探测成果图

图4 电极距1.0 m 高密度电法成果图

电极距0.5 m 温纳法测试成果见图5。据图可知高阻的区域集中在表层，随着深度增加，电阻率明显降低。同图4相比，高阻和低阻的分布及轮廓基本相同，相互验证了测试的有效性和趋同性。对比发现，0.5 m 电极距测试的精度明显比1.0 m 电极距更高，表现为异常区轮廓更精细，基桩引起的异常变化规律更明显，表现的电阻率更高、等值线更密集、轮廓更规则和突出，更利于对基桩的判断和定位。

图5 电极距0.5 m 高密度电法成果图

为了验证高密度电法测试的准确性，分别取4 m 和24 m 位置，采用钻孔、磁梯度法相结合的综合方法对基桩的存在进行验证。图6为桩1 的磁梯度成果图，磁梯度在4.5 m 位置突然增大，并达到最大值，磁梯度波形不完整。并行钻探过程中在同一深度钻头碰到硬物，无法钻进，分析认为钻孔直接落到桩壁上，与磁梯度异常相吻合。图7为桩5 磁梯度成果图，据图可知深2.6 m 附近出现强磁梯度异常，磁梯度突然增至750 mGass。分析可知，由于基桩内部存在钢筋，特别是在桩头存在铁法兰，造成了磁梯度异常、集中，充分表明该位置为基桩的顶部埋深。两个孔的磁梯度成果图充分证明了高密度电法探测的准确性，可对深埋基桩进行有效探测，水平位置定位准确，但准确的埋深还需进一步探测校正。

图6 桩1 磁梯度曲线图

图7 桩5 磁梯度曲线图

4 埋深10 m 以下基桩准确定位探测

对于测试区埋深10 m 以下的基桩，分别采用了高密度电法和地震面波法进行探测。由于存在场地限制、基桩断面小、埋深大等影响因素，综合分析，高密度电法电极距分别采用1.0 m 和2.0 m，地震面波法道间距采用0.5 m、1.0 m 和2.0 m，同测线重复进行探测，结果表明无法有效探测基桩。为了准确获得基桩位置，根据部分图纸和试验结果，选择钻孔加磁梯度法进展综合探测，采用测斜法对钻孔偏移进行修正，提高基桩探测精度。

为确定基桩的准确位置，采用图8布孔方式进行磁梯度探测。图中桩1-桩4 为拟定基桩可能存在的位置，根据基桩位置布置孔1-孔6 进行基桩准确定位探测，孔深15 m。钻孔探测步骤如下：

图8 拟桩位及钻孔位置平面图

第一步：钻孔1 并进行磁梯度探测，确定基桩可能存在位置；

第二步：根据第一步结果选择对孔2、孔3 和孔4 钻探，通过磁梯度确定基桩可能存在的位置或方向；

第三步：如以上两步仍不能确定基桩准确位置，再选择对孔5、孔6 或两孔对称方进行钻探测试确定基桩位置。

根据探测方案，先对孔1 进行探测分析，图9和图10 分别为钻孔探测磁场强度和磁梯度的变化曲线图。从孔1 的磁场强度和磁梯度的强度变化曲线可知，基桩距离钻孔1 水平距离大于1 m 以上。补打孔2 和孔4 进行磁梯度探测，从图可知，孔2 磁场强度和磁梯度并没有明显异常变化，孔4 磁场强度和磁梯度在孔深12.5 m 处出现强异常，可推断基桩距离孔4 水平距离在0.5 m 范围内，埋深12.5 m。为进一步确定基桩的具体位置，补打孔6，分析发现，该孔在深12.5 m 附近磁场强度和磁梯度明显变强，但同孔4 的曲线相比，波幅变形小、宽度变大，表明基桩水平距离明显远离孔6，在靠近孔4 侧。

图9 钻孔磁场强度曲线图

图10 钻孔磁梯度曲线图

根据实验表明[12-13]，磁梯度法对距离1 m 内的基桩才有明显磁异常反应。根据孔4 和孔6 测试结果可判断，基桩距离孔4 的水平距离在0.5 m 以内，且靠近孔4 外侧。由于随着深度的增加，钻孔会发生偏移，为了减小钻孔偏移对测试精度的影响，达到对基桩准确定位的目的，对孔1、孔2、孔4、孔6 分别采用测斜仪进行位移偏移测试，为了保证测试准确和数据有效，测试过程始终确保仪器测试方向统一向北不变，每孔采用从上往下和从下往上各测试一次，点距0.25 m。图11 为4 个钻孔深度与偏移位移变化关系曲线，分析可知，随着钻孔深度的增加，偏移明显增大，而且后钻孔受先钻孔的影响极大，累计位移偏差相对值达0.23 m。综合分析，消除钻孔偏移带来的影响，基桩距离孔4 水平距离在0.2 m 内，埋深12.5 m。

图11 钻孔测斜累计位移变化图

5 结论

针对当前工程施工中面临的深埋基桩探测与准确定位难度大问题，系统地分析了高密度电法、磁梯度方法技术理论，结合深埋基桩特性，采用综合探测方法进行探测应用研究。通过工程应用，验证综合物探方法对深埋基桩探测的有效性，并针对深埋基桩准确定位探测进行系统研究，通过钻孔、测斜对孔随深度变化偏移影响精度进行修正，达到对深埋基桩水平位置和埋深准确定位目的。研究表明：

（1）高密度电法对于深埋小截面基桩探测有效，但探测效果受基桩埋深、测试背景影响较大，需根据具体项目特点综合分析确定该方法的探测方式和有效性。

（2）通过钻孔、磁梯度的探测方法可有效探测深埋基桩平面位置、埋深，但既要准确定位又要经济实惠，需通过科学的布孔方式来实现。

（3）深埋超过10 m 的基桩，由于地层的不均、钻孔工艺等问题，造成钻孔过程中发生偏移，且随着孔深增加，偏移增大，需通过测斜等方法对钻孔偏移加以校正，提高对基桩的准确定位。