基于旁孔弹性波反射法的盾构隧道邻近基桩水平变位试验

卢佳玉，王 纲 ，王 睿，毛柏杨，郭宏杰，郑晓雯，张学文

(1.上海市建筑科学研究院有限公司 上海市工程结构安全重点实验室,上海 201108;2.上海东华地方铁路开发有限公司,上海 200071)

1 引言

随着社会与经济的不断发展和进步,城市基础设施工程项目建设日益增多,新建项目与既有项目之间相互友好协调,是城市更新低碳经济建设必须重点面对的问题之一。既有建(构)筑物多有桩基础,基桩属于地下隐蔽工程,无法采用简单、直观的方法对其长度及位置进行测量,而工程上常要求在不损坏桩体及上部结构的情况下,对既有建(构)筑物基桩的位置进行探测,以满足后续基础设施项目建设的需求。上海机场联络线盾构施工涉及既有高架道路安全等问题,为防止既有高架道路基桩被距离较近的盾构施工所破坏,需要加强盾构施工前的探测工作,查明基桩实际桩侧位置。旁孔弹性波反射法优势众多,不损坏桩体及上部结构,从而保障盾构施工、高架道路及建筑的安全性。因此,旁孔反射波探测在基桩检测工作中的应用研究具有非常重要的意义[1,2]。

暗埋式轨道交通建设通常采用盾构机在地下进行掘进施工,盾构机掘进施工除了需要解决掘进本身所遇到的复杂的岩土工程外,还需要兼顾掘进过程中的环境保护问题。在上海等超大城市进行盾构掘进施工,新建盾构隧道线路与既有建(构)筑设施、各类管线的空间位置关系需要事先调查、探测清楚,以便对既有的管线、建(构)筑物等基础设施进行搬迁、预加固或制定有针对性的保护方案[3,4]。本文涉及的工程问题是一条埋深约23 m的新建盾构隧道穿越城市交通主干线高速公路高架桥及城市高架路下匝道,由于盾构机切削的外轮廓线与高架桥、城市高架路下匝道承台桥桩边桩的理论净间距非常近,为了避免盾构机掘进过程中切削到桥梁桩基础,需对桥梁边桩在地下的空间位置情况进行探测,查明新建盾构隧道与既有桥桩边桩在埋深约23 m地下的交汇关系,为后续施工方案的制定提供决策依据。本文尝试采用一种新方法,即旁孔弹性波反射法,探测桥梁承台边桩在与盾构交汇处的外侧壁的空间位置,探测结果对后续工程决策意义重大。

2 工程背景

2.1 工程概况

上海机场联络线新建盾构隧道在埋深约23 m的地下,穿越城市交通主干线高速公路高架桥及城市高架路下匝道,由于设计盾构路由与高架桥、城市高架路下匝道承台桥桩边桩间的最小间距不足1 m,为避免盾构机掘进过程中盾构机刀盘切削到桥梁基础桩,保证盾构施工安全和G60高架基础安全,需以距离盾构路由最近的两个既有桥桩边桩作为本次的被测桩,查明桩实际的桩侧位置及形态,为盾构设计和施工提供基础资料。盾构机刀盘与被测桩桩体位置示意图如图1所示。

图1 盾构刀盘与桩体位置示意图Fig.1 Schematic diagram of shield cutter head and pile position

本项目被测桩设计桩体均为钻孔灌注桩,分别命名为1#桩和2#桩,被测桩平面位置见图2。

图2 被测灌注桩(1#、2#)平面位置Fig.2 Location plan of measured cast-in-place piles (1# and 2#)

1#桩位于嘉闵高架北向东转G60高架匝道高架桥墩下方,4桩承台支持单柱桥墩,承台出露,承台顶高程为+5.427 m,桩径1.00 m,桩长约50 m,桩侧距上海机场联络线设计盾构路由西侧约为0.70 m。

2#桩位于G60跨沪杭高铁高架桥墩下方,9桩承台支持双联桥墩,承台未出露,桩径1.20 m,桩长约50 m,桩侧距上海机场联络线设计盾构路由东侧约为1.20 m。

2.2 区域地质背景

探测场地位于上海市中西部,属滨海平原地貌类型,场地周围地形较为平坦,无影响路线稳定性的大型活动性断裂、显著的地面沉降等不良地质作用。

探测场地周围最大钻探深度为84 m,为正常沉积区,在勘探深度范围内,根据地层的形成年代、成因类型及工程性质特征,自上至下可划分为9个大层和若干亚层,其中第①1层为填土,第②～⑤层为全新世Q4沉积层,第⑥1～⑨1层为晚更新世Q3沉积层[5,6]。

场地周围有两个勘探孔(Jz-Ⅳ19-9850、Jz-Ⅳ19-9900),地质剖面见图3。

图3 被测灌注桩附近地质剖面Fig.3 Geological profile near the measured cast-in-place pile

3 试验原理

3.1 跨孔透射波法

跨孔透射波法一般是在两孔间发射-接收地震波,通过计算机重建技术处理接收到的携带地下介质各种特征的地震波信号,重现地下介质结构。层析成像技术能够通过接收炮点与检波点之间的地震波旅行时,利用计算机技术反演得到勘探区域的速度结构,从而为解决此问题提供了一个切实可行的方法[7]。

可以通过沿波射线传播路径对地下介质慢度函数的线性积分来表示透射波旅行时:

(1)

式(1)中,S(x,z)是指地下介质的慢度函数;dl是指波的射线路径的微分;T是指波从震源s到检波点r的走时。波的传播射线路径与地下介质的慢度函数S(x,z)以及波的类型有关系。

把式(1)离散后,可以将其写成如下所示的代数方程组,矩阵形式为:

简写为:

T=AS

(2)

式(2)中,T表示为所有炮点到检波点的旅行时矩阵;S是指地下介质的慢度矩阵;A表示为与波传播射线路径有关的距离矩阵。在慢度函数S(x,z)已知的情况下,可以选择多种方法求解出给定类型波的旅行时矩阵T和距离矩阵A[8]。

反演则是指在已知波的旅行时矩阵T的条件下反推出慢度函数S(x,z)。由于距离矩阵A也是未知的,直接从上式求出S是不可能实现的。因此,必须先要对S做出假设,再利用正演方法求出射线路径A和走时T,最后,通过比较实际走时和正演计算得到走时,求出走时差矩阵ΔT,慢度矩阵S的修正量为ΔS,用ΔS对原S进行修正得到新的慢度场S,然后再利用正演计算得到新的射线路径A和旅行时差ΔT,从而求得对S的新的修正量ΔS,并对慢度场加以修正。如此反复迭代计算,直到ΔT满足一定的精度要求为止[9,10]。

3.2 旁孔弹性波反射法

旁孔弹性波反射法是利用弹性波在介质波阻抗(即介质的速度与密度的乘积)差异界面产生反射波的原理进行界面探测。本方法利用的是弹性波的纵波反射,众所周知,桩体混凝土的波阻抗一般可达7×106～12×106kg/(m2·s),一般土层的波阻抗为2×106～4×106kg/(m2·s),两者波阻抗差异显著,弹性波由桩侧土层到达桩体表面时反射系数可达0.4～0.7。因此,在桩体旁侧钻孔进行反射波探测,通过接收反射波回程时间,结合场地土层速度对桩体位置进行计算,可以较好地查明孔旁一定范围内桩体的侧壁位置及形态。

旁孔弹性波反射法能够在不损坏桩体及上部结构的情况下,通过桩侧钻孔发射并接收记录桩侧反射波旅行时,利用计算机技术计算反演得到桩体与钻孔间的距离[11],从而得到桩体侧壁的准确位置及其水平变位,其原理图如图4所示。测试孔成型后,对测试孔进行水平位移测量,保证孔内激发、接收超声波传播时间的误差最小。

图4 旁孔弹性波反射法工作示意图Fig.4 Schematic diagram of side hole elastic wave reflection method

首先利用跨孔透射波法对桩体附近的土层波速进行测定,并探查两孔之间是否有其他障碍物,或者桩体是否由于垂直度控制较差等原因倾入到承台与盾构红线之间的区间。

跨孔透射波法土层波速测定,是利用两个相距较近的测试孔,分别发射-接收地震波,发射-接收在孔中等高同步移动探测,仪器记录并分析、处理、读取跨孔探测各深度首波到达时间,结合各对孔测斜计算相应深度的孔间距,计算该高程土层速度(图4)。

土层速度计算公式如下:

(3)

式中:vpi为测试孔间岩土层纵波速度(m/s);di为发射-接收间距(m);Δti为跨孔接收首波走时(s)。

旁孔弹性波反射法通过已知的地下岩土层速度模型来约束弹性波反演,以跨孔透射波法测定的各深度的速度值vpi近似作为近桩测试孔至桩侧土层速度值,利用检测数据分析处理系统读取近桩测试孔反射波旅行时Δt′i,结合跨孔探测得到的土层速度,计算该反射波反射界面与测试孔间距。通常情况下,可以认为该测试孔周边除附近桩土间可以构成强波阻抗界面外,无其它反射界面。因此,该计算界面即推断为桩侧边界。

桩体侧壁与测试孔间的距离计算公式如下:

(4)

式中:d′i为桩体侧壁与测试孔间距(m);vpi为测试孔间岩土层纵波速度(m/s);Δti为反射波双程走时(s)。

4 现场测试及分析

4.1 成孔检测与反射波法前期试验

在试验灌注桩成孔施工完成后,采用超声波成孔检测仪对孔壁形态进行检测,作为旁孔弹性波反射法探测对比验证的依据。现场探测时,在桩孔中心下放超声波成孔检测探头,检测仪发射-接收方向应对准后续旁孔弹性波反射法探测测试孔位置;检测时,采用自激自收模式接收桩孔内壁的超声反射波,对超声波信号进行处理解释,可以得到整个钻孔的孔壁曲线以及钻孔直径、扩孔缩径现象、垂直度等基本参数,从而进一步得到桩孔内壁的具体形态。

待试验桩成桩完成后,选取该钻孔灌注桩为前期试验桩,进行旁孔弹性波反射法探测,并对两种方法探测试验桩桩侧位置的成果记录进行对比研究,验证旁孔弹性波反射法的可行性。

前期试验桩超声波成孔检测与旁孔弹性波反射法成果对比见图5。

图5 前期试验桩超声波成孔检测与旁孔弹性波反射法成果对比Fig.5 Comparison of results of ultrasonic hole forming inspection and side hole elastic wave reflection method for early test piles

图5中,白色虚线为前期试验桩超声波成孔检测曲线,青色实线为旁孔弹性波反射法探测桩侧曲线,设计孔深为68 m。对比两条曲线并进行相关计算,经前期试验验证,旁孔弹性波反射法探测到的试验桩桩侧水平位置与该桩超声波成果检测成果误差不大于10 cm。因此,利用旁孔弹性波反射法探测基桩桩侧水平变位具有可行性,可以应用工程实例进行进一步的验证。

4.2 测试孔布置

每根桩分别各布置6个测试孔。1#桩、2#桩测试孔类型及布置分别如表1和图6所示。

表1 测试孔类型布置Table 1 Type and arrangement of test holes

图6 1#桩、2#桩测试孔布置Fig.6 Layout of test holes for pile 1 and pile 2

4.3 测试孔自身空间定位测量

测试孔不同深度相对孔口水平位移测量是用测斜仪每隔0.5 m长度逐段测量钻孔的斜率,从而获得钻孔水平位移随深度变化量,确定钻孔自身空间定位。其基本原理是根据摆捶受重力影响,测定以垂线为基准的弧角变化。为保证桩侧位置探测精度,必须对测试孔孔口位置、高程及各深度点位置进行准确测量[11]。

本次测试孔测斜资料以所测桩中心为原点(0,0,0),对所测数据进行整理,计算各测试孔的空间位置及与探测桩的空间关系,计算孔-孔、孔-桩间距。本次测试孔孔口位置和高程采用全站仪测定。各深度点位置以孔口位置为基准,利用测斜仪对测斜管十字槽两方向进行高精度测斜,计算得到每个测试孔北向(北南向各测两次,取均值)和东向(东西向各测两次,取均值)倾斜情况。

以孔口为起算点,测量时,将测斜仪插入测斜管内,将测斜探头滑轮沿测斜导槽逐渐下放至管底,自上而下每隔0.5 m测定该点的偏移角(A0j),然后将探头旋转180°(A180j),在同一导槽内再测量一次,合起来为一个测回。通过各测段水平位移的叠加推算总位移量。按下式计算为:

(5)

式中:Xi为i深度的本次坐标(mm);XQSi为i深度的初始间距(mm);L为探头的长度(mm);θj为倾角;A0j为仪器在0°方向的读数;A180j为仪器在180°方向的读数;C为探头的标定系数。

按上述同样方式,将测斜探头沿A0方向分别旋转90°和270°,进行测斜管十字槽另一方向的测斜工作,并计算自孔口向下各高程点探测孔累计偏移。由探测孔各高程点测斜管十字槽两方向的累计偏移,以孔口坐标为基准,计算出探测孔各高程实际空间位置坐标[12,13]。

4.4 跨孔透射波法测土层波速

跨孔透射波法测土层波速时采用平测法,发射-接收在测试孔中等高同步移动探测,测点间距0.25 m,仪器记录地震波在两孔间的传播时间。利用检测数据分析处理系统读取跨孔探测各深度首波到达时间,结合各对孔测斜计算相应深度的孔间距,计算该高程土层速度。以该跨孔测试速度值近似作为近桩探测孔至桩侧土层速度值[14-19]。

1#桩旁孔A2-B2、2#桩旁孔C2-D2跨孔波速测试声时曲线和波速曲线见图7。

4.5 旁孔弹性波反射法探测

4.5.1 旁孔弹性波反射法探测

图7 A2-B2和C2-D2跨孔波速测试声时和波速曲线Fig.7 Acoustic time wave velocity curves for A2-B2 and C2-D2 cross hole wave velocity tests

旁孔弹性波反射法选取B2、D2测试孔分别对1#桩和2#桩桩侧地下的空间位置情况进行探测。在测试孔中,将发射换能器下至孔底,探测点距0.25 m,自下而上逐点进行,利用多通道超声测桩仪记录地震波,记录被测桩桩侧反射波旅行时,探测成果反射波波列图如图8所示。

图8 1#桩和2#桩旁孔弹性波反射法波列Fig.8 Wave chart of elastic wave reflection method for side-holes of pile 1# and pile 2#

4.5.2 桩侧边界及与设计盾构外侧间距的计算

4.5.2.1 桩侧边界计算

利用检测数据分析处理系统读取近探测桩孔反射波到达时间,结合跨孔探测得到的土层速度,计算该反射波反射界面与探测孔间距。通常情况下,可以认为该探测孔周边除附近桩土间可以构成强波阻抗界面外,无其它反射界面。因此,该计算界面即推断为桩侧边界。

4.5.2.2 桩侧-盾构外侧间距计算

上海机场联络线设计盾构路由在该段穿越标高约为-23～-36 m,将足够短的一段盾构外侧壁在某一高程上认为是直线,选取过该高程侧壁直线上的两个坐标点,即可利用过两点的直线方程公式表示该直线。

1#、2#桩侧不同高程的点Pi(xi,yi)到盾构外侧壁的距离(di)即可用点到直线间距离公式计算。

其中,1#桩距离di的计算公式为

其中,2#桩距离dj的计算公式为

所测两桩桩侧边界及与设计盾构外侧间距的计算结果(盾构穿越段)分别如表2和表3所示。

表3 2#桩旁孔弹性波反射法探测成果Table 3 Side-hole elastic wave reflection method detection results of pile 2#

4.5.3 探测成果

本次桩旁孔弹性波反射法探明了1#桩东北侧(B2孔方向)侧壁位置,查明了该桩在有效探测段(标高1.00～-40.00 m),桩侧向B2孔方向外扩33～142 mm之间,其中机场联络线设计隧道深度(-23～-36 m)段,桩侧外扩48～121 mm之间,至设计盾构路由间距为0.58～0.60 m。

探明了2#桩西侧侧壁位置,查明了该桩在有效探测段(标高-4.10～-39.10 m),桩侧向D2孔方向外扩82～-108 mm(注:外扩为“负”值,表示为向桩内缩径)之间,其中机场联络线设计隧道深度(-23～-36 m)段,桩侧外扩-38～-108 mm之间,至设计盾构路由间距为1.21～1.31 m。

5 结论

本文基于旁孔弹性波反射理论,采用测试孔自身空间定位测量、跨孔透射波法和旁孔弹性波反射法等相结合的技术方法,对基桩邻近盾构隧道一侧的桩侧表面位置进行试验研究,分析解释了旁孔弹性波反射法对于基桩桩侧表面位置的探测成果、精度和定量误差,获得如下结论:

1)该方法首先选取该钻孔灌注桩为前期试验桩,进行旁孔弹性波反射法探测,探测基桩的桩侧位置,通过与超声波成孔检测成果的对比研究,验证了旁孔弹性波反射法在基桩水平变位探测中具有一定的可行性。

2)运用旁孔弹性波反射法较为准确地得到了所测钻孔灌注桩在地下一定深度范围内桩侧的空间位置,通过对成果数据进行分析,进一步计算得到桩侧边界在一定深度处与设计盾构外侧间距的距离。本次试验探明了隧道盾构到1#桩桩侧的距离为0.58～0.60 m,到2#桩桩侧的距离为1.21～1.31 m,可以作为参考资料来保障盾构设计施工及高架道路的安全。

3)试验研究过程中,由前期试验可知,虽然测斜测量计算、反射波走时读取及超声波成孔检测具有一定的不准确性,会使得旁孔弹性波反射法探测桩侧壁位置存在一定的误差,但旁孔弹性波反射法误差在10 cm范围内。

4)本文方法对于桩基探测具有重要的意义。可以进一步进行钻孔精确测斜、旁孔弹性波反射法专用仪器及软件的开发研究,使得探测结果更加精确,为城市基础设施建设提供服务。