基于聲納滲流技術的地鐵聯絡通道涌水探測應用研究*

胡盛斌，杜國平，徐國元，鐘有信，杜廣林

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641；2.南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西 南寧 530029；3.南京帝壩工程科技有限公司，江蘇 南京 213661；4.廣西帝壩科技有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

對于地鐵而言，從使用性能、防災救援及隧道排水等方面考慮，大多數2條單線區間隧道需要設置聯絡通道和廢水泵房[1]。在富水地層地鐵隧道區間聯絡通道施工中，不僅要考慮自身結構和地面建筑物的安全，又要確保成型隧道的穩定，施工難度和風險大。特別是由于地層的富水性以及粉(細)砂層的強滲透性，在施工經驗和地質勘察不足的條件下，施工時往往易引發涌水涌砂事故。最為典型的聯絡通道事故是上海軌道交通4號線越江隧道聯絡通道施工因冷凍法失效導致涌水涌砂的重大事故，不僅造成隧道受損和周邊區域地面沉降，還造成3幢建筑物嚴重傾斜，以及防汛墻出現裂縫和沉陷[2]。

針對隧道及地下工程建設中地下水探測問題，目前國內外工程界已廣泛應用一些物探方法，特別是在隧道超前地質預報方面取得了顯著的成果[3]，如地質分析法、超前鉆探法、電法、電磁法、反射地震法等。鐘世航[4]等指出探查地下水不是彈性波法的強項；邱道宏[5]等強調陸地聲納法對水的預報僅是起輔助作用，不能具體查明出水點的位置和水量大小；劉靜[6]等驗證了一次場電流的電極對滲流通道的位置有指示作用；安輝[7]采用紅外探測法探測含水體位置，但無法準確預報地下水發育情況和水量；任志平[8]等分析了含水體參數變化對三維核磁共振響應的影響；薛國強[9]等指出瞬變電磁法對含水體的預測和定位有一定的效果；H.Hotzl[10]、杜國平[11]、葉合欣[12]等利用同位素示蹤法測定含水層滲透流速、流向，但由于放射性同位素對環境和人體的影響而無法推廣應用；M. W.Becker[13]利用溫度梯度法、水流溫度和水流調查相結合的熱平衡方法，獲得更準確的河流流量估計；董海洲[14]等采用溫度示蹤方法探測基坑的滲漏通道、補給關系，但前提條件是要形成較強滲流才有效果；杜國平[15]等運用聲納滲流技術定量測定基坑滲漏水的流速、流向、流量等量化指標，準確查明滲漏點、滲漏通道以及補給來源，但在地鐵聯絡通道涌水探測中尚未運用。因此，采用聲納滲流技術提前準確探明聯絡通道涌水區域內的地下水滲流路徑、補給來源、流速、流量、流向、滲透系數等水文地質參數，對于指導制定有針對性的涌水處理方案和提前防控涌水風險顯得尤為重要。

本文以某地鐵盾構隧道區間聯絡通道涌水探測與處理為例，采用“三維流速矢量聲納測量儀”測定滲漏路徑、補給來源以及滲透流速、流量、流向等量化指標，為復雜水文地質條件的聯絡通道施工涌水滲漏處理提供技術支持和決策依據。

1 聲納滲流技術基本原理

聲納滲流探測技術是以伯努利能量方程和連續性方程為基礎，融合了矢量聲納技術[16]、航空定向技術[17]、壓力傳導技術等多種技術于一體的用于水流質點運動速度和矢量的地下水探測新技術。依據滲流場與水聲學測量原理，能夠對滲流發出的聲波進行直接與間接的定量測量，主要包括水下、井下和地下空間工程的滲漏點、滲漏路徑、補給來源以及地下水滲透流速、流向、流量、含水層滲透系數，可提供地下水滲流定位與滲流云圖的技術支持。

三維流速矢量聲納測量儀是聲納滲流探測技術的專利產品，該儀器主要由探頭、主機、數據采集器及電纜組成，如圖1所示。該儀器可以在水工標準水流試驗槽進行標定，流速測量精度可達到1×10-6cm/s，流向測量誤差為±0.4°[18]。

圖1 三維流速矢量聲納測量儀Fig.1 3D flow velocity vector sonar detecting instrument

借助于矢量聲納技術，利用聲波在水中的優異傳播特性，實現對水流速度場的測量。如果被測水體存在流動，則必然在測點產生滲流場，矢量傳感器陣列能夠精準地捕捉到聲波在流體中能量傳遞的大小與分布，同時利用滲流聲源方向上的矢量傳感器陣列(1～6)與矢量傳感器(B)的距離和相位之差，建立連續滲流場的水流質點流速方程，就可以計算得出探測部位的滲透流速矢量，如圖2所示。

圖2 矢量傳感器測量示意Fig.2 Sketch map of vector sensor measure

假設聲波在靜止水體中的傳播速度為常數C，那么從矢量傳感器B傳送到矢量傳感器1的聲波逆流傳播速度被流體流速減慢，其流速方程式如式(1)所示：

(1)

反之，從矢量傳感器1傳送到矢量傳感器B的聲波順流傳播速度則被流體流速加快，則有式(2)：

(2)

2式相減，整理得式(3)：

(3)

式(1)～(3)中：L為聲波在矢量傳感器之間傳播路徑的長度；X為傳播路徑的水平方向分量；Y為傳播路徑的垂直方向分量；TB1為聲波從矢量傳感器B到矢量傳感器1的傳播時間；T1B為聲波從矢量傳感器1到矢量傳感器B的傳播時間；U為流體通過矢量傳感器之間聲道上平均流速。

依據矢量傳感器陣列測量數據的時空分布，可以得到水流聲源發出的方向，并將不同方向測量到的水流流速投影到笛卡爾坐標系中，可測算滲流主方向。

2 工程案例

2.1 工程概況

某地鐵盾構隧道區間左線設計長度為749.772 m，區間右線設計長度為732.584 m。該區間線路最大坡度為10.782‰，線間距12.4～33.2 m，隧道埋深16～51 m，盾構隧道管片環外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，壁厚為0.3 m，管片環寬度為1.5 m，管片混凝土強度為C50。該區間設置1處26 m長的聯絡通道，為復合式襯砌結構，采用礦山法施工。

2.2 工程與水文地質

根據鉆孔揭露的地層結構、巖性特征、埋藏條件及物理力學性質，聯絡通道拱頂覆土厚度約33 m，聯絡通道主要位于粉砂巖、泥質粉砂巖⑦2-3、粉(細)砂巖⑦3-3、鈣質泥巖⑦3-5。地層從上至下分布依次為：填土、粉質黏土、泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉(細)砂巖、鈣質泥巖等，且有互層現象。

地下水主要分為3種類型：第1類為上層滯水；第2類為第四系松散巖類孔隙水；第3類為碎屑巖類孔隙裂隙水。其中裂隙水主要賦存于下伏古近系半成巖(粉砂巖、泥質粉砂巖)的層間裂隙和構造裂隙中，受上覆土層中地下水的垂直向入滲補給，具有承壓性，富水性弱，屬弱～中透水層。粉砂巖、泥質粉砂巖⑦2-3的滲透系數為0.8 m/d(即9.26×10-4cm/s)，粉(細)砂巖⑦3-3的滲透系數為1.0 m/d(即1.16×10-3cm/s)。聯絡通道的地下水位為地面以下2～3 m，聯絡通道地面距離水庫約110 m，水庫水位高出聯絡通道拱頂15～16 m。

2.3 施工前期準備工作

為保證施工期間土體穩定和施工安全，事先準備對通道周圍土體進行加固和降水。通過管片預留的注漿孔進行二次注漿，同時在聯絡通道2側距結構邊墻4 m處共設置6口降水井(見圖3)，深度約42 m，要求水位降深在聯絡通道結構底下0.5 m。在鋼管片洞門拆除前，在左線隧道注漿加固區域的鉆孔時有小股水流噴涌，水質清澈無砂，初期涌水量達650 cm3/s，穩定涌水量保持在350 cm3/s左右；第2次在左線隧道鋼管片環拱腰(聯絡通道拱頂)鉆孔，孔深10 m，Φ110 mm，水流清澈無砂；第3次在左線隧道管片預留注漿孔處鉆孔取芯，孔深45 cm，Φ46 mm，芯樣基本完整。

圖3 聯絡通道平面布置Fig.3 Plane layout of connecting passage

由于左、右線隧道的二次注漿難以注入，地表降水水抽排水量小，靠近聯絡通道拱頂位置的左線隧道管片泄水孔涌水量較大，水量不大但持續不變，水源來路不明。為進一步查明地下水的補給來源、滲流通道等情況，采用聲納滲流技術測量該區域內水文地質參數，為后續施工處理提供決策依據。

3 測量結果與分析

3.1 洞內無損檢測

本次洞內無損檢測共選取28個斷面336個測點。以洞門鋼管片環位置為中心，每環混凝土管片作為1個測量斷面，沿鋼管片環的上行和下行方向各測量7個斷面，左右線隧道的鋼管片前后區域共測量14個斷面，每環管片內壁中間均勻布設12個測點，即沿管片環內壁中間每30°布置1個測點，左右線隧道選取位置及數量均相同。

圖4為左線隧道盾構管片無損檢測滲透流速展開圖。相對較大流速測點集中在A3環至B1環管片壁后的10點鐘到1點鐘(上半圓)區域，其中A3環9點位置出現滲透流速最大值，為2.30×10-3cm/s，其次為A1環11點位置，滲透流速最大值為2.05×10-3cm/s；靠近聯絡通道附近區域的滲透流速平均值變化較大，其他位置滲透流速相對穩定，其中A1環管片滲透流速平均值最大，為8.70×10-4cm/s，對應的滲流量為196 cm3/s；A4環管片滲透流速平均值最小，為5.03×10-4cm/s，對應的滲流量為112.71 cm3/s；測量區域內總滲流量為1 978 cm3/s(即7.12 m3/h)。

圖4 左線隧道測量點滲透流速展開圖Fig.4 The flow velocity expansion map of measuring points in the left line tunnel

相比左線隧道而言，右線隧道相對較大流速測點集中在A5環到B1環管片壁后的9點到3點鐘方位(上半圓)區域，A2環12點位置出現滲透流速最大值，為1.27×10-4cm/s，其余位置滲透流速最大值相對較??；各測量管片截面滲透流速平均值變化不大，其中A2環管片的滲透流速平均值最大，為5.65×10-5cm/s，對應的滲流量為12.68 cm3/s；B4環管片的滲透流速平均值最小，為2.75×10-5cm/s，對應的滲流量為6.16 cm3/s；右線隧道測量區域的總滲流量為123 cm3/s，遠小于左線總滲流量。因此，聯絡通道滲漏水的集中位置分布在左線隧道拱頂位置，是此次測量的主要滲漏區域。

3.2 地表井孔測量

本次地表井孔測量共檢測6口降水井。探頭放入井孔中，從地下水位以下開始向下測量，沿測深方向每1 m測量1次，直到探頭測量到井底為止。由于3#、4#降水井局部堵管無法下放探頭，故只能測量部分高程范圍的數據。

圖5為聲納滲流檢測所得的滲流量三維可視化云圖。該圖是由154組聲納滲流原位測量數據(每組數據是由60萬個物理測量數據組成)生成的滲流場(含流速、流向、流量)三維可視化成像，可以360°方向旋轉觀察任一空間的滲漏流場異常變化與含水地層的對應關系，并由此生成X、Y、Z軸方向的地下水滲流剖面圖(見圖6)，獲取水文地質參數的原位量化數據，以達到對地下水滲流場的預測和預報。

圖5 滲流場三維可視化云圖Fig.5 3D visualization cloud map of seepage field

表1為各測孔的水文地質參數。該表包括各測孔所對應的單孔滲流量、滲透流速(平均值、最大值及其坐標位置)以及滲透系數(平均值、最大值及其坐標位置)。

圖6 沿X、Y、Z軸方向滲透流速任一剖面等值線圖Fig.6 Contour map of flow velocity in any section along X, Y and Z axes

孔號單孔滲流量/cm3·s-1滲透流速/cm·s-1滲透系數/cm·s-1平均值最大值平均值最大值備注2#6.67×1023.51×10-42.09×10-3(埋深27 m處)5.62×10-43.35×10-3(埋深27 m處)5#3.50×1022.19×10-45.39×10-4(埋深16 m處)3.50×10-48.63×10-4(埋深16 m處)6#3.34×1022.02×10-41.52×10-3(埋深23 m處)3.24×10-42.44×10-3(埋深23 m處)1#2.33×1021.55×10-42.67×10-4(埋深18 m處)2.48×10-44.26×10-4(埋深18 m處)4#6.35×1011.06×10-41.37×10-4(埋深26 m處)1.69×10-42.19×10-4(埋深26 m處)局部堵管3#4.62×1011.03×10-41.12×10-4(埋深36 m處)1.64×10-41.80×10-4(埋深36 m處)局部堵管

3.2.1 單孔滲流量

由各單元滲透流速與各單元有效面積可計算單孔滲流量(斷面寬度取5 m)。2#孔的單孔滲流量最大，為667 cm3/s；3#孔單孔滲流量最小，為46.2 cm3/s?？梢姼鳒y孔單孔滲流量都不大。

3.2.2 滲透流速

6個測孔所對應的滲透流速平均值均超過1×10-4cm/s，按大小排序依次為2#、5#、6#、1#、4#、3#，其中2#孔在埋深27 m處的滲透流速最大值為2.09×10-3cm/s，6#孔在埋深23 m處的滲透流速最大值為1.52×10-3cm/s，均具有明顯的裂隙滲漏通道特征。

3.2.3 滲透系數

根據滲流方向上的水力梯度與流速等值關系，由達西定律計算得出各測孔沿埋深的含水層滲透系數。2#孔在埋深27 m處的滲透系數最大值為3.35×10-3cm/s，6#孔在埋深23 m處的滲透系數最大值為2.44×10-3cm/s，其余測孔見表1。單孔滲流量、滲透流速和滲透系數較大區域分布在2#、5#孔的高程60～72 m(埋深23～35 m)范圍內，結合地質勘察資料，確認該區域正是聯絡通道拱頂、拱腰部位分布泥質粉砂巖和粉(細)砂巖的裂隙發育帶，是聯絡通道開挖時的主要滲水通道。

3.2.4 滲流方向

圖7為測孔區域滲透流速矢量三維分布圖。根據聲納傳感器陣列測量到的流速大小投影測算，此6口降水井的主滲流方向均為自東北往西南方向(見圖3)，且左線隧道的滲透流速平均值和總滲流量均大于右線隧道，聯絡通道靠近水庫一側的滲透流速平均值和單孔滲流量均大于遠離水庫的一側，結合聯絡通道區域地質勘察情況，判定該區域地下水與水庫有直接的水力聯系。

圖7 滲透流速矢量三維分布圖Fig.7 3D distribution map of flow velocity vector

4 驗證及處理

經開挖后現場查勘，聯絡通道洞身部位處于粉砂巖、泥質粉砂巖⑦2-3與粉(細)砂巖⑦3-3的交界面，裂隙水由此涌出，水質清澈無砂，左線隧道實測泄水量為6.5 m3/h，左線隧道聲納滲流檢測的總涌水量為7.12 m3/h(含少量管片壁后泄排水)，與現場實際情況相吻合。

結合地質探孔試驗結果，判定聯絡通道涌水量不大，且異常涌水的可能性很小，經設計單位確認，在后續施工時左右線盾構隧道洞門前后的拱腰、拱頂部位各15環管片預留注漿孔打孔作為泄水孔，同時在聯絡通道初支背后每2榀處的左右2側及拱頂處布設引流管排水。整個施工過程中暗挖隧道監測和地表沉降監測數據無異常，目前該聯絡通道已順利開挖貫通。

5 結論

1)聲納滲流技術可以精準探測滲水通道、補給來源以及流速、流向、流量、滲透系數，并以此建立滲流場三維可視化云圖，為定量研究水文地質參數提供了解決途徑。

2)聲納滲流技術可利用降水井、水文地質鉆孔進行探測，精準測量各測孔的含水層水文地質參數，用于指導降水設計、涌水滲漏處理，并可以通過復測驗證堵漏處理效果。

3)聲納滲流技術可根據需要加密探測，定量探查隧道涌水或滲漏特征，結合水文地質勘察、地質探孔以及其他的方法，為隧道涌水處理和安全風險管控提供決策依據。

4)目前聲納滲流技術還在不斷發展中，尚存在一些不足，如受施工振動噪音干擾而導致探測誤差、井孔測量時需要提前布設井(孔)并保證成井(孔)質量等，但隨著儀器設備與方法技術的改進，結合其他的方法相互驗證，聲納滲流技術在隧道及地下工程涌水、滲漏安全風險管控方面具有良好的應用前景。