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地铁盾构区间孤石与基岩凸起等不良地质体探测新方法

林朝旭
（福建省建筑设计研究院）

１引言
我国已进入地铁时代，然而在花岗岩地区进行城市地铁盾构掘进过程中，经常遇到花岗岩球状风化体（孤石）与基岩凸起等不良地质体。孤石常发育在残积土、全风等化花岗岩、强风化花岗岩，其分布无明显规律，随机性强。孤石与溶洞是城市地铁盾构机地下掘进施工的“拦路虎”，他们分布具有离散性与区域性。孤石后期处理比溶洞处理难度大、工期长、风险高。一般大于０．５ｍ的孤石就会对盾构刀具或刀盘产生损伤。较大规模（线路长大于１０ｍ）的基岩凸起一般通过先期钻探就能揭示，然而小规模（小于１０ｍ）的基岩凸起就不易被揭示，后者犹如在隧道洞身底部存在一个巨型孤石。盾构机在掘进过程中碰到孤石或基岩凸起时，易造成机身姿态难以控制，刀具磨损严重，刀座和刀盘易变形；盾构在掘进孤石时震动很大，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。然而城市地铁盾构隧道常处于公路或建筑物下方，浅部管线分布密集，特别在隧道上覆巨厚层软土、砂层时，开仓换刀困难，从而造成工期拖延，极大地增加了施工成本。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个月先后气压换刀１５次，更换各类道具２５１把。２００５年３月掘进至ＺＤＫ２＋３８１．８６球状风化区段历时７３天，更换了滚刀４０把。２０１４年１２月厦门地铁１号线集诚区间掘至ＺＤＫ２４＋１８１遇一个Φ３．５ｍ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。类似的工程为此付出巨大代价的例子举不胜举。既然孤石会对城市地铁盾构掘进施工造成如此重大的影响，那么在具备孤石发育地质条件路段，盾构施工前开展孤石专项勘探就十分必要。目前行业内有两个观点：一是直接采用钻探法探明孤石；二是物探与钻探联合勘探。
２探测方法选择
２．１钻探法
钻探法技术成熟、成果直观，结果准确，但具有“一孔之见”的局限性，只能大致推断相邻两孔间的地层分布情况，无法推断两孔间孤石的分布情况，通过钻孔直接揭示的孤石十分有限。假设盾构隧道宽为６．２８ｍ，钻孔直径９０ｍｍ，５ｍ间距钻孔所涵盖隧道面积为３１．４ｍ２，那么单个钻孔能揭示直径０．５ｍ、１．０ｍ、１．５ｍ、２．０ｍ及３．０ｍ孤石的概率分别为１．２％、３．１％、７．１％、１１．０％及２４．０％，详见图１。不同孔间距条件下，单个钻孔揭示不同尺寸大小孤石的概率分析
如表１所示。从表１可看出，通过钻孔揭示孤石的概率较低，孤石尺寸越小，概率越低。随着孔间距的增加，孤石被遗漏的概率增大。对于小于２ｍ的孤石，即使按孔间距２．５ｍ布置钻孔也非常容易遗漏。当然，若按孔间距２ｍ沿隧道线路分３列布置钻孔，那么基本能查清隧道洞身范围内尺寸大于１ｍ的孤石。但是钻孔成本、管线拆移、道路恢复、占道安置等将是一笔难以承受的费用。

２．２物探与钻探联合勘探
既然钻孔法具有“一孔之见”的局限性，易造成孤石遗漏，从而蕴含着巨大的潜在风险。那么能否像找水探矿那样先采用物探进行普查，然后根据物探异常位置有针对性进行钻孔验证的方式呢？广州地铁建设中，先后在３号线与６号线二期多次开展孤石物探方法试验和专题研究。由于城市地铁工程沿线管线密集、交通与电磁干扰大、地质条件复杂，瞬变电磁法、地质雷达法、地震映像法等地面物探方法均达不到理想效果］。跨孔超高密度电法ＣＴ探测判定孤石位置误差较大，跨孔地震ＣＴ和跨孔电磁波ＣＴ能给出孤石在横向和纵向上孤石的空间分布，当孔深与孔距比大于１．５倍，异常体位于勘探孔中部时探测效果较佳。但是想对孤石平面定位所要求的工作量大，费用高，且孤石成群发育时，无法分辨个体。无论是跨孔电磁波ＣＴ与跨孔地震ＣＴ，还是跨孔超高密度电法ＣＴ均需借助钻孔进行探测，都不是严格意义上的无损探测。而城市地铁沿线地下管线密集，地面交通流量大，钻孔施工风险大、费用高，所以采用一种真正意义上的无损探测方法就显得非常有意义。微动探测孤石技术就是在这样的生产环境下应运而生，国内中国科学院徐佩芬和福建省建筑设计研究院刘宏岳等学术带头人在这方面做了深入的研究与实践。２０１３年该方法在福州地铁一号线孤石探测试验中取得重大的技术突破，目前已推广到福州、厦门、深圳、广州地铁项目，探测效果优良，逐渐获得施工单位的肯定，并在行业内相互推荐。钻探与微动联合勘探思路是根据微动探测成果，圈定出在隧道洞身范围内的疑似孤石位置，然后有针对性地布置少量钻孔，验证并揭示孤石的大小与具体分布位置。
３微动探测技术
３．１微动探测原理
微动就是地球表面存在的一种微弱波动，是由体波与面波组成的复杂震动，主要能量为面波，它源于人类活动与自然界。微动探测是一种基于微动台阵探测的地球物理探测方法，观测台阵类型主要有圆形、三角形、Ｔ字形、Ｌ字形、十字形等。微动探测工作原理可用图２所示流程图表示，通过布置在观测台阵上的三分量拾振器采集微动信号，运用频率波数算法（ＦＫ法）或空间自相关法（ＳＰＡＣ法）从微动信号中提取瑞雷波频散曲线，可根据同一测线上各微动台阵的平面相对位置直接绘制面波相速度等值线图；或利用各微动台阵频散曲线计算出视剪切波（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波速度剖面能直观并客观地反映地下地层岩性的纵横向变化情况，是物探成果地质解释的基本依据。Ｈ／Ｖ曲线是各分量微动信号进行傅里叶变换得到频谱，通过水平分量和垂直分量的频谱量值的比值得到，工作原理如图３流程图所示，它反映的是地层的波阻抗界面，也是寻找土石的分界面的依据之一。

本次微动探测的观测系统采用五边形阵列，如图３所示，每个圆形阵列由放置于五角形顶点和中心点的６个摆和数据采集系统组成，五角形顶点到中心点的距离称为观测半径Ｒ。根据现场场地条件及探测目标体的深度不同，台阵半径可以在２～３ｍ范围内调整。以５ｍ点距逐点进行，以形成二维剖面。
３．２微动探测步骤
本次微动探测采用图４所示五边形阵列观测系统，每个圆形阵列由放置于五角星顶点和中心点的６个摆及一套记录仪组成。数据正式采集之前，对记录仪进行采集参数设置。在仪器放置到位、确保进入正常工作状态后，尽量保持周围环境相对安静，以利有效记录数据。实际施工时按照设计的观测系统沿测线逐点进行观测，单点每次观测时间为１０～２０ｍｉｎ，观测结束后将整个台阵移动到下一个勘探点观测。
３．３微动探测解释原则
孤石与周围的包裹花岗岩风化土体有如下差异：密度差异、Ｓ波速度差异及Ｓ波波阻抗差异。无论基岩凸起还是孤石，因为其致密、坚硬的物理特性，相对于围岩而言均为高速体，微动成果剖面解释时需重点关注洞身范围内的高速异常体，孤石速度异常特征一般呈封闭或半封闭高速异常存在，如图５黑色圈定范围所示。从微动探测方法上看，Ｓ波速度差异可以由计算的视Ｓ波速度剖面反映。波阻抗差异可以由测点的Ｈ／Ｖ曲线定性反映出来，最大峰值频率越高，基岩埋深越大，反之则埋深浅；当微动测点Ｈ／Ｖ曲线呈多峰、双峰或前台阶形态特征时，存在孤石或不均匀风化体的可能性较大。由于孤石的大小不等，单一的速度参数推断孤石会有一定的误判，验证钻孔表明强风化土层常常会与孤石混淆；增加Ｈ／Ｖ参数可以提高孤石判别的准确度。具体推断解释时，仍需结合地质资料与隧道洞身具体位置对微动成果进行进一步综合分析判释，以免造成错判。

４工程实例
深圳地铁７号线工程珠光站—龙井站区间（简称珠龙区间）位于深圳市南山区。珠龙区间自珠光站东端头出，行进于龙珠大道下，下穿平南铁路桥、南坪快速路龙珠大道跨线桥、９．２ＭＰａ超高压燃气、１１０ＫＶ高压电力，止于龙井站西端。区间左、右线起终点里程为：ＹＫ４＋３６４．８～ＹＫ５＋６７０．５，双线线路总长２６２１ｍｉｎ（含长链）。拟采用盾构法施工，直径为６．２ｍ。珠龙区间周边环境复杂、地质条件极其复杂，钻孔施工风险极大；根据详勘资料，该区间地下孤石发育，且存在多处基岩凸起侵入洞身。下面介绍右线（ＹＫ４＋７６０～ＹＫ４＋９６０）里程段的微动探测成果。右线（ＹＫ４＋７６０～ＹＫ４＋９６０）的Ｈ／Ｖ等值线图、相速度等值线图及视Ｓ波速度剖面图分别见图６～图８，图中灰色粗竖线为建议验证钻孔位置，图７中红色近平行线与图８中的蓝色平行虚线为隧道设计边线。隧道底板埋深１４．１～１６．６ｍ，顶板埋深７．９～１０．４ｍ。详勘钻孔揭露：洞身顶板上覆土层主要为杂填土、粉质黏土、粗砂、砾质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩等，洞身范围内土层主要为砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中（微）风化花岗岩。隧道洞身外的不良地质体并不影响隧道盾构施工，因此本次微动探测只关注隧道洞身范围内的异常体，洞身外的异常不予解释。下面就右线ＹＫ４＋７６０～ＹＫ４＋９６０段进行分段解释说明。
①ＹＫ４＋７６０～ＹＫ４＋８２５段洞身范围多处存在小高速异常，Ｈ／Ｖ曲线多呈单峰形态，局部呈小双峰形态，峰值频率较低。推断该段基岩埋深较大，基岩位于隧道底板以下，ＹＫ４＋７６５处隧道洞身范围内可能存在孤石。建议在Ｙ４２处布置验证钻孔，ＹＫ４＋７６０～ＹＫ４＋７６８段与ＹＫ４＋７６８～ＹＫ４＋８２５段盾构安全评价分别为警示区与安全区。
②ＹＫ４＋８２５～ＹＫ４＋９２５段洞身范围存在明显高速异常，Ｈ／Ｖ曲线多以多峰或双峰形态呈现，峰值频率均分布在４．５～８Ｈｚ，频率大。推断该段基岩凸起，侵入洞身厚度大，ＹＫ４＋８２５～ＹＫ４＋８４５与ＹＫ４＋８８０～ＹＫ４＋９１０两段隧道洞身范围内可能存在孤石或孤石群，建议Ｙ５５、Ｙ５８、Ｙ６３、Ｙ６７与Ｙ７０处布置验证钻孔，钻孔深度１８ｍ。该段盾构安全评价为危险区。
③ＹＫ４＋９２５～ＹＫ４＋９６０段洞身范围岩土层速度偏大，Ｈ／Ｖ曲线基本呈后台阶形态，峰值频率较低。推断该段基岩埋深较大，基岩位于洞身底板下部，洞身范围内存在孤石可能性小，该段盾构安全评价为安全区。综上所述，珠龙区间右线（ＹＫ４＋７６０～ＹＫ４＋９６０）微动探测分析推断成果见表２，该段建议验证点共６个。通过钻孔验证揭示，除Ｙ４２外，Ｙ５５、Ｙ５８、Ｙ６３、Ｙ６７、Ｙ７０五个验证点均存在基岩凸起，其中Ｙ５５与Ｙ５８遇两处孤石，Ｙ６７与Ｙ７０遇一处孤石，具体详见验证点钻孔验证情况一览表（表３），部分验证点钻孔岩芯照片详见插图９。
根据微动探测成果，珠龙区间左、右线共布置６５个验证点，其中左线３１个，右线３５个。通过钻孔验证，在隧道洞身范围内共揭示２６处孤石与８段基岩凸起（总长８３５ｍ），其中左线１２处孤石与４段基岩凸起，右线１４处孤石与４段基岩凸起。探测结果揭示，本区间基岩凸起段较长，基岩凸起位置上部往往伴生孤石，孤石基本发育在全—强风化花岗岩中。钻孔验证后，施工单位针对验证孔揭示的孤石与基岩凸起路段进行钻孔爆破处理，部分孤石位置离高压燃气管近，禁止爆破处理，只好采用钻探手段把孤石钻成蜂窝状，以便盾构掘进时用砍刀击碎孤石。除局部无法爆破处理路段外，该区间其它路段后期盾构掘进施工均较顺利，未遇到未探明的孤石或基岩凸起，并按期掘进贯通。

５结论与问题
５．１结论
工程实践表明，微动与钻探联合勘探能有效地探明盾构区间洞身范围内孤石与基岩凸起的分布位置，为后期孤石或基岩凸起排除方案设计与处理提供依据，是地铁盾构场地探测孤石或基岩凸起的首选方法。该方法具有以下特点：
１）微动探测方法无需震源，它具备无损、场地条件要求低、不受电磁干扰等特点，适合城市复杂的地质环境条件。
２）微动方法的小半径台阵一般能达到３０～５０ｍ的探测深度，能很好地满足城市地铁的探测深度要求。
３）与单用钻探法相比，微动与钻探联合勘探具有更高的精确度，施工风险小，交通布控要求低，周期短，费用低。
５．２问题
虽然微动探测孤石或基岩凸起取得技术性的突破，也在福州地铁、厦门地铁、深圳地铁及广州地铁等工程实践中逐步积累了宝贵经验，但它与其他物探手段一样，也存在多解性等问题。笔者认为微动探测孤石还存在以下问题：
１）揭示孤石准确率有待提高，当面波速度与Ｈ／Ｖ曲线均有异常时，准确率高；当两者中只有一者有异常时，准确率会降低。
２）孤石尺寸只能定性解释，定量精度有待突破。
３）孤石定位问题，深度误差基本可控，平面定位精度有待提升，对大于１．５ｍ的孤石单个验证钻孔基本能揭示，小于１ｍ的孤石有时需要加密钻孔才能揭示。
参考文献：中国知网

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