地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價

陳 寧，柳 超

(1.中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 100125；2.北京同度工程物探技術有限公司，北京 102209)

地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價

陳 寧1，柳 超2

(1.中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 100125；2.北京同度工程物探技術有限公司，北京 102209)

地鐵施工引起土體疏松、松散和空洞，進而影響地鐵運營和地鐵周邊建筑物的安全。為探索地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價的有效手段，介紹了SSP技術的原理和特點，并結合SSP技術在北京地鐵14號線甜水園中街區段的應用實例，說明了該技術在地鐵施工引起的土體擾動探測及注漿效果評價中的應用效果。結果表明：注漿區在SSP的波速圖像中表現為高速異常，擾動區表現為低速異常，根據SSP波速圖像中高、低波速異常的分布可判定注漿區與地鐵施工擾動區的位置與形態。該技術還具有抗干擾能力強、探測深度大和分辨率高等特點，是城市地鐵施工與環境影響探測與評價的有效手段。

地鐵；施工擾動區；注漿加固；SSP地震散射技術

0 引言

地鐵施工會引起土體疏松、松散和空洞[1](這類地鐵施工引起的土體缺陷行業內并無統一學名，本文將這3種缺陷統稱為地鐵施工擾動區)，這些擾動缺陷進一步發展可能會導致路面塌陷和建筑物開裂等后果[2]。為消除隱患，常對上覆地層注漿加固處理[3]，處理后需檢測、評估處理效果，以防有遺漏的擾動區。近年來，眾多城市修建地鐵，由于地鐵施工造成的路面塌陷增多，地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價變得越來越重要。

地鐵施工形成的擾動區及注漿區深度大且分散孤立，單個擾動區和注漿區大小有限且其地質情況復雜，因而地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價是一個疑難問題。地質雷達常用于探測與地鐵施工擾動區類似的路面脫空以及淺埋管道引起的土體擾動，并用于評價注漿效果。文獻[4-5]研究了地質雷達在路面脫空探測及其注漿效果評價方面的應用，王德詠等[6]對地質雷達探測頂管施工所引起的土層擾動做了研究。然而地質雷達探測深度有限，即使使用100 MHz天線，在城市電磁干擾背景下，其探測深度亦不超過5 m。地質雷達只能探測深度較小范圍內的土體脫空，然而從地表到隧道頂面的整個范圍內都可能存在土體擾動，且由于新修建地鐵埋深越來越大，大量地鐵施工擾動區與注漿區埋深大于10 m，地質雷達無法有效探測。而反射地震、面波、瞬變電磁和高密度電法等物探方法[7]，由于城市環境、硬質路面等因素影響，使得這些方法難以應用。總的來說，目前未見到地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價的適當解決方法，需要探索新的探測技術。

SSP地震散射技術是一種地震勘探新方法，該技術以速度分析的方式獲得地層地震波速分布并以此為依據進行地質解釋。不同于傳統地震勘探方法的理論基礎、地質模型、數據處理方式和硬件設備，使得SSP補充了其他方法在地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價方面的不足，具有對注漿體和擾動區反映直觀、分辨率高、探測深度大、不損壞路面和工作效率高等優點。

文章在分析介紹SSP原理和特點的基礎上，詳細介紹了SSP技術在北京地鐵14號線甜水園中街區段地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價中的應用實例，證明了SSP技術是城市干擾環境下道路隱患探測的有效手段。

1 SSP地震散射技術簡介

SSP地震散射技術(Seismic Scattering Profile)是一種基于地震散射理論的地震勘探新技術[8]，激發地震波在地下傳播，地震波在傳播過程中如遇到空洞、松散之類的波阻抗變化界面會發生散射和反射，通過接收到的反射和散射波，對地下結構成像[9](如圖1所示)。

圖1 SSP技術原理示意

SSP技術是在對地震反射方法改進的基礎上發展起來的。反射地震方法是基于分層均勻的地質模型[10]，對于層狀結構勘探效果很好，但對縱向和橫向均劇烈變化的非層狀結構勘探效果不佳。SSP技術基于非均勻地質模型，適應地質結構劇烈變化的場合。地鐵施工擾動區、注漿體等都屬于地質結構劇烈變化的地質體，從地質模型角度考慮，SSP更適合探測地鐵施工擾動區及其注漿效果。反射地震勘探主要提供時域偏移剖面，而SSP技術同時提供空間域地質結構偏移圖像和縱波波速分布圖像。波速能清晰、直接地反映巖土介質的力學性狀，更符合巖土工程的需要。依據低速與高速異常的分布，可對地鐵施工擾動區、注漿區可靠地解釋。

SSP的數據處理包含如下3項核心技術：

1)波場分離與方向濾波。由于城市交通及環境干擾嚴重，地震記錄中面波和聲波等干擾成分的能量強，而地鐵施工擾動區、注漿體等產生的散射波和反射波能量較弱。為獲得地下結構圖像，必須濾除各種干擾，提取出地下異常體的散射信號。SSP通過基于F-K、τ-P變換的技術實現波場分離，根據視速度的差異，濾除地表傳播的視速度大的直達波、面波、聲波以及行人、車輛振動干擾，提取來自地下的散射波。經過濾波處理后大大提高了散射波的信噪比。

2)巖土介質的速度分析。波速是反映巖土介質力學性狀的定量指標，也是將地震散射波走時轉換為界面深度的重要依據。波速是隨水平位置與深度變化的分布函數，是注漿效果評估以及尋找隱伏擾動區的重要指標。SSP技術采用雙曲Radon積分變換來實現速度分析[11]，獲得地下介質縱波速的分布。雙曲Radon積分變換是對共炮點記錄沿雙曲線路徑進行積分變換，如積分路徑與反射波的走時曲線一致，積分取得極大值。通過Radon變換將時間域地震信號轉換到深度(雙程時)—速度域，其能量極值點直觀反映了炮點位置界面的深度和平均波速。聯合所有炮點得到地下二維或三維地震波速結構。

3)合成孔徑偏移成像。SSP技術采用幾何偏移成像技術中的合成孔徑成像技術重建地質結構，獲取界面形態和位置信息，以及界面兩側波阻抗變化的定性信息。合成孔徑技術與反射地震的CMP疊加相比，可以使用更多的地震數據，以獲得空間域的更高分辨和更高信噪比的地質圖像。

SSP技術主頻比傳統地震勘探方法高，SSP所使用檢波器拖纜的頻帶為0～16 000 Hz，信號主頻為1 000～4 000 Hz，儀器采樣率最高可達1.25 MHz/道，可采用錘擊震源或電磁震源作為震源，探測深度超過30 m。若接收檢波器道間距0.25 m，激發間距0.5 m，探測的垂直和水平分辨率可達30 cm。

從理論基礎、地質模型、數據處理及硬件角度考慮，SSP技術具有分辨率高、探測深度大和圖像直觀等特點，適合城市道路工程的勘察與隱患探測。

2 工程與地質概況

北京地鐵14號線18標經過甜水園中街，全長2 007.750 m。標內由1站(朝陽公園站)2區間(紅廟站—甜水園站區間和甜水園站—朝陽公園站區間)組成。該區段內地鐵14號線為單洞雙線隧道，跨徑10.22 m，采用PBA法施工[12](如圖2所示)。標內地鐵6號線聯絡線與其并行，隧道跨徑6 m。

圖2 地鐵14號線斷面圖[12]

根據工程地質勘查報告，測區內地層從上至下分為人工堆積層、全新世沖洪積層和晚更新世沖洪積層。地鐵埋深14～21 m，位于第四系沖洪積層之內，黏性土、粉土、砂類土、卵石組成沖洪擊層交互沉積。土質松散，遇水不穩定，成拱條件差。地下水位較高，透鏡體發育，透水性不均。總體來說，工程地質與水文地質條件較差，隧道跨徑大，施工難度大。為減小地鐵對地下管網、地面沉降及建筑物的影響，施工中從隧道內外對土層注漿加固。為了解注漿加固的效果，尋找遺漏的地鐵施工擾動區以進行進一步的治理，采用SSP技術進行探測。

3 探測工程布置與儀器設備

沿甜水園中街布置左、右2條測線，左線沿14號線隧道軸線布置，右線沿6號線聯絡線隧道軸線布置，分別探測14號線和6號線聯絡線的施工擾動區及其注漿效果。2測線長度均為670 m，左線和右線各分6個剖面(分別為L-1～L-6和R-1～R-6)。測線布置如圖3所示。左線中部200 m的范圍內建筑比較集中，定為重點探測區域。探測中在重點探測區域，檢波器間距為0.25 m，敲擊點間距0.5 m。其他區域檢波器間距0.5 m，敲擊點間距1.0 m。

圖3 測線和剖面布置示意

工作中使用16通道儀器主機記錄，錘擊震源激發。使用檢波拖纜接收，施工高效，不損壞路面，不中斷交通。儀器如圖4和圖5所示。

圖4 SSP高分辨率地震儀

圖5 地震接收拖纜

4 解釋原理與探測結果

4.1 解釋原理

地下工程施工擾動引起土體疏松，導致土體波速降低[13]。注漿可使土體密實性提高，彈性模量增高，導致波速提高。波速提高幅度越大，注漿加固效果越明顯。因而，低波速異常是判定擾動區的依據，高速異常是識別注漿區的依據。

以波速高低判定土體疏松程度和注漿密實性是一個新課題，目前還沒有形成可遵循的統一標準。根據波速與動彈性模量的關系，同場地原位正常波速比較，土體波速降低小于10%，其動彈性模量降低幅度小于20%，劃為Ⅰ類土體；波速降低10%～20%，動彈性模量降低20%～40%，劃為Ⅱ類土體；波速降低20%～40%，動彈性模量降低40%～60%，劃為Ⅲ類土體；波速降低超過40%的劃為Ⅳ類土體，其動彈性模量降低超過60%。若波速降低超過30%，動彈性模量降低超過50%，對此類缺陷應加固處理。而若波速增高20%以上，動彈性模量升高幅度超過40%，可以判定注漿加固效果較好。

甜水園中街地層的正常波速分布特征為：表層(路基層)的波速為900～1 000 m/s，其下20 m深度內沖洪積層的波速為800～900 m/s，20 m以下波速增至900～1 100 m/s。對于深度14 m以內的區域，根據各類土體的的速度指標可知：波速高于750 m/s的區域為Ⅰ類土體；在650 m/s

4.2 探測結果

本次探測深度超過30 m，根據探測需要，選取深度15 m以內的資料進行成圖。由于篇幅的限制，本文僅對L-2和R-6 2條剖面的探測結果進行介紹。

4.2.1 L-2剖面探測結果

L-2 剖面的地層波速見圖6。圖中紅、黃2種顏色表示高波速區，淺藍、深藍2種顏色表示低波速區，綠色表示中等波速區，為原位地層背景。圖中顯示地層背景波速在900 m/s左右，地層較密實。剖面內波速大小變化劇烈，說明地鐵施工對土層的擾動大、注漿效果明顯。

圖6 L-2剖面地層波速與擾動區、注漿區分布

地層波速圖 (見圖6)中標注了高速異常區和低速異常區。其中柱狀的紅色高速異常區為注漿形成的加固體，剖面中發現4處柱狀高速異常體，土體波速越高，注漿效果越好，注漿體的位置規模見表1。藍色的低速異常體為地鐵施工擾動區，剖面內共發現7處擾動區，這些擾動區的尺度不大，但是松散程度高，特別是在注漿高速體附近出現的擾動區，很可能包含空洞，建議對這些低速區逐個進行注漿處理，以消除隱患。地鐵施工擾動區的位置、規模見表2。

表1 L-2剖面注漿加固區位置Table 1 Locations of grouting reinforcement zones in Profile L-2

表2 L-2剖面地鐵施工擾動區位置Table 2 Locations of disturbed zones in Profile L-2

低速異常區發育的部位與形態表明，低速區的成因可分為2類。一類靠近隧道頂部發育，形態圓潤，這是由于隧道超挖引起的；另一類分布在注漿孔周圍，形態孤立、呈雞窩狀，它們伴隨注漿體產生，這是由于注漿引起的土體液化形成的，如V-5。

4.2.2 R-6剖面探測結果

R-6剖面的地層波速和地鐵施工擾動區分布見圖7。圖中顯示地層正常波速在900 m/s左右，地層密實、穩定。剖面內淺部波速較高，地層穩定，未見注漿加固痕跡，此段內沒有注漿處理。深度大于7 m的范圍內擾動區較發育。這些擾動區靠近隧道發育，形態圓潤，是由于超挖引起的。剖面中低速區尺度不大，長度多在5 m左右，其位置、規模見表3。

探測完成后，通過對比發現探測得到的注漿加固體位置與注漿孔位置一致。對各剖面規模較大的地鐵施工擾動區注漿加固，注漿的結果表明注漿位置和注漿量與SSP探測得到的擾動區位置和規模基本對應。

圖7 R-6剖面地層波速與地鐵施工擾動區分布

表3 R-6剖面擾動區位置Table 3 Locations of disturbed zones in Profile R-6

5 結論和建議

SSP地震散射技術探測得到的速度圖像對地鐵施工擾動區和注漿體反映直觀，且該方法具有分辨率高、探測深度大、不損壞路面和工作效率高等優點，能適應城市交通干擾，是地鐵施工擾動區探測及注漿效果評價的有效手段。實際應用中，SSP技術能評估注漿加固的效果，確定注漿加固體以及隱伏擾動區的位置和規模，為進一步加固處理提供建議。

地鐵施工擾動區是引起路面坍塌和地面沉降的隱患，其情況復雜、隱藏較深，需要細致勘查、認真處理。目前SSP技術在地鐵施工擾動區探測及其注漿效果評價中取得了好的應用效果，然而波速與土體強度(結構)間的定量對應關系還不清楚，今后應在這方面做深入研究。可選取地鐵工程重點區段，在施工前后、注漿處理前后使用SSP技術探測，對比探測結果、鉆芯驗證并測量芯樣波速。

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淤泥快速固結技術填補世界空白

在船閘工程建設中，確保灘涂淤泥基坑開挖10 m深時，邊坡不坍塌、不進水是一項世界性技術難題。目前，淤泥快速固結新技術破解了這項難題，填補了國內乃至國際技術領域的空白。

位于浙江象山港北側的奉化陽光海灣正加緊建設打造寧波的“濱海客廳”。建成后，這片區域將成為市民濱海觀光的樂園。陽光海灣船閘項目地處海灣灘涂上，淤泥深、強度低，同時，深港段風浪大、水流急。船閘的基礎座落在海平面以下近10 m處，解決船閘基坑近10 m厚灘涂淤泥的開挖而使邊坡不坍塌、不進水，是船閘施工的關鍵所在。而用傳統的攪拌樁、灌注樁處理造價高且無法在灘涂上施工。

淤泥快速固結技術是以原位淤泥為主體，加入少量的催化劑，使淤泥快速固結，固結強度由原來的1～2 t快速提升至7～8 t。目前，這項技術已成功地應用到了江蘇和浙江的多個項目上。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=0428e12d-7f61-4a7e-b792-14b73f6c1ea3&CtgId=d0faad2d-fcf1-435f-ace9-358da57ba4b1 2014-11-12)

飛島建設研發出利用盾構泥水填充地下空洞技術

2014年10月28日，飛島建設向媒體公開了利用盾構泥水填充地下空洞技術的驗證試驗裝置。該試驗裝置寬60 cm、高30 cm、長10 m，位于千葉縣野田市的飛島建設技術研究所。這項新技術既能降低盾構工程廢棄污泥的處理費用，又能削減空洞填充工程的成本。

日本全國約有1萬處褐炭廢洞、采石場、防空洞等無用的地下空洞，其中下沉危險性高的有1 200處，長期松軟的地層造成下沉事故不斷發生。飛島建設研發出了地下空洞填充工法，以實現地層穩定為目的，通過從地表鉆孔注入填充材料填充地下空洞。該公司的施工業績在過去20年間約達到了35萬m3。褐炭廢洞在東海地區分布較多，目前飛島建設正在推動其中5處的填充工程。

原來的填充材料主要使用采石場的副產物——脫水泥餅。飛島建設通過本次試驗對比了原來的填充材料和以盾構泥水為主的填充材料的性能，結果表明二者在流動距離、抗壓強度等方面幾乎相同，證明了可以把盾構泥水作為填充材料加以利用。

(摘自 中鐵工程裝備集團有限公司網站 http://www.crectbm.com/tabid/1918/InfoID/56555/frtid/1918/Default.aspx 2014-10-31)

ExplorationofZonesDisturbedbyMetroConstructionandEstimationofGroutingReinforcementEffect

CHEN Ning1,LIU Chao2

(1.TrackTrafficEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway19thBureauGroup,Beijing100125,China; 2.BeijingTongduEngineeringGeophysicsLtd.,Corp.,Beijing102209,China)

Zones disturbed by Metro construction may affect the safety of Metro operation and surrounding buildings.In the paper,the principle and characteristics of SSP seismic scattering technology are presented,so as to find an effective method to explore the zones disturbed by Metro construction and to estimate the effect of grouting reinforcement.The application of SSP technology in Tianshuiyuan Middle Street Section of Line 14 of Beijing Metro is illustrated,which verifies the effectiveness of SSP technology in the exploration of zones disturbed by Metro construction and in the estimation of the effect of grouting reinforcement.Conclusions drawn are as follows: 1)The grouting zones in the SSP image take the form of high velocity anomalies,while the disturbed zones in the SSP image take the form of low velocity anomalies; 2)The locations and patterns of the disturbed zones and grouting reinforcement zones can be determined on basis of the distribution of the high velocity anomalies and low velocity anomalies in the SSP image; 3)SSP technology,which has such advantages as strong interference resistance,deep exploration depth and high resolution,is suitable for exploring disturbed zones and estimating grouting reinforcing effect.

Metro; zone disturbed by Metro construction; grouting reinforcement; SSP(seismic scattering profile)

2014-05-09;

2014-10-21

陳寧(1985—)，男，遼寧遼陽人，2008年畢業于東北財經大學，土木工程專業，本科，助理工程師，目前主要從事地鐵施工技術管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.006

U 455.46

A

1672-741X(2014)11-1049-06