杭州地區(qū)地鐵工程沿線建(構(gòu))筑物調(diào)查流程、方法及成效研究

任姍姍，祝斌，李洋

(杭州市勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 引 言

現(xiàn)階段，杭州地鐵工程建設(shè)已步入加速期，擬建地鐵沿線既有(規(guī)劃)建(構(gòu))筑物調(diào)查成果的及時性與精確度直接影響地鐵線路設(shè)計方案、施工方法及工程建設(shè)進度。目前，杭州地鐵工程的建(構(gòu))筑物調(diào)查工作一般委托勘察單位完成，在前期勘探工作開展過程中同時進行擬建地鐵沿線建(構(gòu))筑物調(diào)查，并分階段提供給業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理單位，在設(shè)計施工圖階段之前提交最終調(diào)查成果報告。

2 調(diào)查依據(jù)、對象、內(nèi)容和范圍

2.1 調(diào)查依據(jù)

目前杭州地區(qū)地鐵工程建(構(gòu))筑物調(diào)查沒有明確的規(guī)范可依，勘察單位一般按照服務(wù)合同，結(jié)合業(yè)主、設(shè)計單位要求執(zhí)行。

2.2 調(diào)查對象、內(nèi)容和范圍

杭州地區(qū)擬建地鐵沿線建(構(gòu))筑物調(diào)查對象包括既有和規(guī)劃的建(構(gòu))筑物，建(構(gòu))筑物類型通常有房屋建筑、地上構(gòu)筑物(信號塔、電力塔架、高架、高鐵等)、地下結(jié)構(gòu)、橋涵、江河湖。

調(diào)查內(nèi)容包括：①既有建(構(gòu))筑物的位置、結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)型式(包括樁位平面布置、樁型、樁頂標高、樁長、樁徑等等)、地下室(如有)的基坑圍護形式；②規(guī)劃建(構(gòu))筑物的設(shè)計方案、預(yù)計開工時間以及后期跟進調(diào)查工作。

調(diào)查范圍：①車站、明挖區(qū)間基坑外側(cè)2.5倍基坑深度范圍；②盾構(gòu)區(qū)間左、右線線路中心線外各 20 m范圍內(nèi)；(3)對于恰好位于地下區(qū)間中線 20 m外，地下車站2.5倍坑深范圍外的重要建筑物(如：有多層地下室或采用淺基礎(chǔ)對沉降敏感的建構(gòu)筑物)擴大調(diào)查范圍。

3 調(diào)查工作流程

合理的工作思路和流程是決定建(構(gòu))筑物調(diào)查進度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，通過大量的實踐經(jīng)驗，我們總結(jié)出一套合理的工作流程如下：

(1)搜集擬建地鐵工程沿線地形圖，局部地形圖缺失處補充測繪地形。將調(diào)查范圍內(nèi)建(構(gòu))筑物按線路里程和調(diào)查內(nèi)容編號列表；

(2)建立項目組，明確分工，尤其對于規(guī)模較大的地鐵線路工程，項目組的建立和分工是調(diào)查進度、成果質(zhì)量和地鐵工程順利推進的重要保障；

(3)根據(jù)調(diào)查內(nèi)容列表，首先到所屬行政區(qū)城建檔案館調(diào)取資料，根據(jù)經(jīng)驗，檔案館存檔資料一般為近十五年內(nèi)竣工的項目，建設(shè)年代較早的項目通常未存檔或已銷毀；對于高鐵、高架等大型公建市政項目及橋涵、地下管網(wǎng)、泵站的竣工資料，一般在當?shù)厥姓O(jiān)管中心留有存檔，部分在所屬鐵路管理部門存檔；

(4)調(diào)查范圍內(nèi)如遇大規(guī)模廠區(qū)、公司等集中規(guī)劃建設(shè)的工程，可聯(lián)系所屬產(chǎn)權(quán)單位，根據(jù)經(jīng)驗，此類項目的產(chǎn)權(quán)單位內(nèi)一般設(shè)有基建科和檔案科，可開具對公介紹信調(diào)取竣工資料；

(5)上述流程后剩余項目，組織項目組成員對探查對象進行逐一走訪調(diào)查，通常情況下，地鐵沿線自建民宅和廠房未經(jīng)專項設(shè)計、施工，應(yīng)走訪業(yè)主并整理出口述資料；

(6)調(diào)查工作過程中應(yīng)及時匯總整理資料，將建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)布置等信息反饋到地鐵線路平面圖上，便于業(yè)主、設(shè)計單位判斷線路方案風(fēng)險并采取應(yīng)對措施。現(xiàn)行的存檔資料一般是紙質(zhì)文件或掃描圖件，不能直觀反映地鐵線路與影響范圍內(nèi)建(構(gòu))筑物相對關(guān)系，需要將圖紙資料數(shù)據(jù)化、矢量化后提交成果。

(7)對于采用上述方法仍不能調(diào)到資料但又直接影響地鐵線路設(shè)計方案或施工進度的重要建(構(gòu))筑物，應(yīng)采用特殊物探手段進一步調(diào)查。

4 特殊調(diào)查方法和成效

擬建地鐵沿線重要建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)資料的準確性直接影響到地鐵建設(shè)工程的推進，針對遺留的重要建(構(gòu))筑物，應(yīng)考慮特殊物探調(diào)查方法。通常情況下，地下障礙物與周圍介質(zhì)存在明顯的波速度、介電常數(shù)和電阻率差異，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，選擇相應(yīng)的探測手段。接下來，結(jié)合杭州市勘測設(shè)計研究院有限公司在杭州地鐵4號線二期工程、3號線一期工程、機場軌道快線工程建(構(gòu))筑物調(diào)查工作階段采用的特殊探查方法與后期有效性驗證結(jié)果展開分析論證。瞬變電磁觀測原理示意圖如圖1所示。

圖1 瞬變電磁觀測原理示意圖

4.1 瞬變電磁法

杭州地鐵4號線二期工程機場路站～華中路站盾構(gòu)區(qū)間分別在不同里程段下穿滬杭鐵路箱涵和滬杭高鐵。根據(jù)竣工資料，滬杭鐵路箱涵采用頂進法施工，為淺基礎(chǔ)型式，箱涵頂進施工時，后靠側(cè)打入了長度 12.5 m的鋼軌樁提供后坐力，鋼軌樁是施工單位采用的臨時支護措施，竣工圖紙中沒有鋼軌樁的相關(guān)信息。根據(jù)推算，鋼軌樁底標高位于擬建隧道洞身范圍內(nèi)，各方調(diào)查后仍不能確定其在箱涵完工后是否已全部拔除，因此，鋼軌樁是影響本盾構(gòu)區(qū)間掘進的關(guān)鍵因素。本盾構(gòu)區(qū)間左、右線在另一里程段下穿滬杭高鐵，隧道邊線距離兩側(cè)橋墩很近，經(jīng)調(diào)查各鐵路管理部門、檔案科均無該段高鐵竣工資料，隧道兩側(cè)高鐵樁基分布直接影響了地鐵線路走向與設(shè)計、施工方案。

由于滬杭鐵路箱涵和滬杭高鐵交通量大，施工風(fēng)險等級高，應(yīng)首先考慮無損檢測方法探查地下障礙物分布信息，瞬變電磁原理探測法是一種非常合適的新型檢測方法，可以無損檢測地下障礙物。瞬變電磁原理屬于時間域電磁感應(yīng)法，它通常利用接地線源或不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖場，在一次脈沖場間歇期間利用電偶極或回線接收感應(yīng)二次場，該二次場是由地下良導(dǎo)地質(zhì)體受激勵引起的渦流所產(chǎn)生的非穩(wěn)電磁場[1～3]。實際工程應(yīng)用中瞬變電磁檢測法有很多突出的優(yōu)點：

(1)二次場觀測可以自動消除來自天電和人文電磁干擾的噪聲源，比頻域方法的檢測結(jié)果更加精確，實用性更強。

(2)時間域電磁感應(yīng)法檢測效率高，操作簡單。

(3)可采用發(fā)送與接收回線中心共點的裝置，使其與探測范圍內(nèi)地下障礙物偶合率最佳，接收到的異常受周邊影響小，幅度和形態(tài)達到最佳。

有限導(dǎo)電地質(zhì)體瞬變電磁響應(yīng)可以用一個具有電阻和電感的回線上的響應(yīng)相等效，回線中的感應(yīng)電壓V2(t)正比于二次磁場的時間導(dǎo)數(shù)[4]：

(1)

式(1)中τ為衰減的時間常數(shù)。

鋼軌樁為金屬材質(zhì)，則電磁波可以直接獲取明顯的低阻反應(yīng)；高鐵橋墩為混凝土結(jié)構(gòu)，為高阻反應(yīng)，若其中有鋼筋，則電磁波可以穿透外圍的混凝土，獲取鋼筋明顯的低阻反應(yīng)，無鋼筋的情況下，高阻與周圍土體的低阻也有明顯的差異。

由斜階躍全期視電阻率剖面(如圖2所示)可判斷，測線范圍兩處位置顯示為低阻異常，下方存在金屬或其他低阻干擾物，測線 8.5 m之后受箱涵影響，呈現(xiàn)低阻異常。

圖2 滬杭鐵路箱涵測線電壓剖面及視電阻率剖面

滬杭高鐵橋墩同樣采取上述方法探測出了承臺邊界，并根據(jù)承臺尺寸以及滬杭高鐵其他里程段竣工資料推測出樁基分布平面圖(圖3)，為業(yè)主、設(shè)計和施工單位提供了有力依據(jù)。目前地鐵4號線機場路站～華中路站盾構(gòu)區(qū)間已經(jīng)順利穿越上述箱涵和高鐵等障礙物，因此瞬變電磁檢測法探查地下障礙物是一種便捷、高效、準確、實用性強的新型方法。

圖3 滬杭高鐵橋墩承臺檢測曲線圖

4.2 小排列地震探測方法

散射地震掃描法通常用于淺層地震探測，該方法采用4道疊加小步長順移前進觀測系統(tǒng)，在地面探測范圍內(nèi)展開掃描，利用散射偏移成像原理，通過小偏移距激發(fā)地震波，得到類似于雷達剖面的自激自收地震剖面，采用小道間距的散射偏移成像技術(shù)，通過多次激發(fā)，在給定速度等參數(shù)后將地震時間剖面轉(zhuǎn)換成空間剖面，可達到增強有效波、壓制干擾波，類似陸地聲吶[5]。該方法可用于有效探測地下箱涵、空洞、隧道及非金屬管道等。

現(xiàn)場探測通常采用圖4所示的示意方案：

圖4 雙邊排列多次覆蓋示意圖

多功能無線分布式地震系統(tǒng)主要由分布式基站、滾軸傳感器小車及信號采集系統(tǒng)三大部分組成(圖5)。該系統(tǒng)利用地震反射及散射波法，可用于地鐵工程沿線地下障礙物調(diào)查，且成效顯著。

圖5 多功能無線分布式地震系統(tǒng)

該套系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有以下功能特點：

(1)無線傳輸模式?？蔁o線置參、觸發(fā)、采集及回傳數(shù)據(jù)，效率高，輕便快捷；

(2)基站帶存儲功能。分布式基站可以存儲數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與主機間的無線傳輸；

(3)單個基站可以帶4道傳感器，可接速度或MEMS傳感器；

(4)主機可接入網(wǎng)絡(luò)。

4.3 磁梯度法

建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)設(shè)計、施工過程中為提高基礎(chǔ)的抗剪強度會布置鋼筋或鋼筋籠，屬于鐵磁性物質(zhì)，在地磁場作用下會產(chǎn)生一定的感應(yīng)磁場，地面下感應(yīng)磁場的強弱與測試距離、鐵磁性物質(zhì)的分布及數(shù)量有關(guān)[6]。假設(shè)鋼筋主筋為無限長線狀體，在與鋼筋主筋平行方向上，可以推導(dǎo)出一根主筋的磁感應(yīng)強度公式為：

Z=B丄·k·S/2π·L2

(2)

式(2)中B丄為垂直方向地磁場強度；k為主筋的磁化率；S為主筋橫截面積；L為測點與主筋的垂直距離。這里假設(shè)有效磁化傾角為90°。

根據(jù)上述公式(2)，探測范圍內(nèi)主筋磁感應(yīng)強度大小與主筋和測點垂直距離二次方成反比，與主筋橫截面積成正比。與主筋平行的方向上磁感應(yīng)強度值不變，對于一定長度的主筋，可采用有線元積分法近似計算磁感應(yīng)強度值，隨著測試點深度增加，磁感應(yīng)強度也將受到測點與主筋垂直距離的影響而逐漸衰減。在主筋底部以下，隨著測點與主筋的遠離，磁感應(yīng)強度迅速減小，直至與地磁場強度相一致。對于箍筋，也可采用同樣方法進行近似計算。

基于理論計算，結(jié)合現(xiàn)場探測，可計算出基礎(chǔ)鋼筋附近磁梯度值隨測試深度的變化曲線[7]如圖6所示：

圖6 磁梯度法探測地下鋼筋長度結(jié)果圖

實際工程中磁梯度法探測鋼筋長度，需在基礎(chǔ)附近進行鉆孔，下放套管，在套管中放入磁梯度探頭進行探測磁梯度值隨測試深度的變化規(guī)律，依據(jù)成果曲線特征綜合判定鋼筋頂端和底部的深度，由此計算出地下鋼筋的實際長度。

杭州地鐵3號線東新東路站～康寧路站區(qū)間下穿新華經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園區(qū)，由于建設(shè)年代較早，隧道正下穿的廠房竣工資料局部缺失。此種情況下，可在勘察外業(yè)階段，利用已成鉆孔進行磁梯度法探測樁基長度，從而便于設(shè)計、施工單位選擇相應(yīng)的施工工法。地鐵隧道推進之前，新華經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園區(qū)廠房全部拆除，施工拔樁記錄揭示的樁長和前期采取磁梯度法探測的樁基長度基本相符，由此可知，磁梯度法是一種高效、準確探測地面下鋼筋長度的方法，在杭州地鐵3號線、4號線及機場軌道快線建(構(gòu))筑物調(diào)查工作中均得到了很好的驗證。根據(jù)杭州市勘測設(shè)計研究院有限公司在杭州地鐵3號線、4號線采用磁梯度法調(diào)查地下障礙物的工程經(jīng)驗，探測孔與基樁水平距離不超過 1.5 m時，探測成效最佳，超過 1.5 m時，磁感應(yīng)強度受距離和附近磁場影響較大，從而導(dǎo)致探測結(jié)果精確度不夠。

5 建(構(gòu))筑物調(diào)查成果數(shù)據(jù)化、矢量化處理

5.1 數(shù)據(jù)庫建立

建(構(gòu))筑物外業(yè)調(diào)查采集的數(shù)據(jù)集中導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，要經(jīng)過圖形編輯、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)錄入等一系列工作。圖形編輯與轉(zhuǎn)換是一個紙質(zhì)檔案矢量化的過程，數(shù)據(jù)錄入即利用人工輸入方式把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。目前，ORACLE數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是世界上較為通用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，軟件操作便捷，數(shù)據(jù)管理功能完善[8]。

以紙介質(zhì)資料為例，矢量化、數(shù)據(jù)化處理流程如圖7所示：

圖7 紙介質(zhì)資料數(shù)據(jù)化、矢量化流程示意圖

通過手工方式輸入采集的數(shù)據(jù)來完成項目數(shù)據(jù)錄入，主要信息應(yīng)包括以下幾項：項目編號、工程概況信息、與地鐵工程位置關(guān)系、收集或物探的建構(gòu)筑物基礎(chǔ)資料。區(qū)域數(shù)據(jù)庫建立后，可通過關(guān)鍵詞檢索地鐵工程沿線建構(gòu)筑物信息，快捷高效獲取核心影響數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，杭州區(qū)域的地鐵沿線障礙物數(shù)據(jù)成果均分散于各地鐵線路個體工程，未形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，因此在地鐵線路的勘察、設(shè)計、建設(shè)過程中增加了許多重復(fù)性的無效工作量。增強各地鐵線路數(shù)據(jù)信息聯(lián)動，加強城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的空間結(jié)構(gòu)研究，是一項意義重大的工作。

5.2 圖像矢量化

紙介質(zhì)資料通常以電子掃描件的形式存儲，雖然很大程度上為信息管理和查閱提供了方便，但資料重復(fù)利用的過程中會面對很多問題，設(shè)計使用的一般是CAD格式，因此需要將圖件矢量化。ArcGIS軟件作為一種矢量化輔助工具，對圖件進行矢量化后，可以將運行結(jié)果輸出到DWG、DXF等格式的文件供AutoCAD等計算機輔助設(shè)計軟件直接調(diào)用[9]。

在圖件矢量化處理時，需要經(jīng)過圖形編輯、坐標變換等流程，ArcGIS通過拓撲結(jié)構(gòu)編輯子系統(tǒng)、圖形編輯子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)校正來完成[9]，將矢量化成果圖輸出到地鐵工程線路方案中，以便設(shè)計、施工人員準確獲取線路影響范圍內(nèi)障礙物基礎(chǔ)的詳細數(shù)據(jù)。圖8所示杭州地鐵4號線地下盾構(gòu)區(qū)間已順利貫通，根據(jù)施工單位和第三方監(jiān)測反饋的數(shù)據(jù)，盾構(gòu)正上方及臨側(cè)樁基位置和長度誤差較小，圖件的矢量化輸出成果為地鐵設(shè)計、施工提供了有力保障。

圖8 杭州地鐵4號線沿線建(構(gòu))筑物紙介質(zhì)資料矢量化平面圖

6 結(jié)論及建議

結(jié)合地鐵工程沿線建(構(gòu))筑物調(diào)查成果數(shù)據(jù)化、矢量化處理工作經(jīng)驗，進行探討并提出建議如下：

(1)建立地鐵沿線影響范圍內(nèi)建(構(gòu))筑物信息數(shù)據(jù)庫，每個項目對應(yīng)一個編號，相應(yīng)記錄地鐵線路與建(構(gòu))筑物的空間位置關(guān)系，便于地鐵設(shè)計單位快速、直觀獲取線路影響范圍內(nèi)的核心障礙物，從而采取相應(yīng)措施規(guī)避地鐵盾構(gòu)施工、車站基坑開挖的風(fēng)險。在城市地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)過程中，沿線建(構(gòu))筑物信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立至關(guān)重要，不僅可以為前期地鐵線路規(guī)劃、方案可行性研究提供強有力的依據(jù)，而且可以用作指導(dǎo)地鐵施工期間的風(fēng)險控制，便于地下區(qū)間盾構(gòu)機械選型和車站基坑圍護結(jié)構(gòu)體布置。

(2)針對缺失竣工圖紙的關(guān)鍵障礙物，尤其是盾構(gòu)線路正上方的建(構(gòu))筑物，應(yīng)制定合理的物探方案，選取特殊的探測措施，并結(jié)合工程經(jīng)驗推理出障礙物基礎(chǔ)的平面布置和埋置深度，根據(jù)坐標范圍矢量化處理后反映在總圖和數(shù)據(jù)庫中，從而指導(dǎo)地鐵線路方案設(shè)計與調(diào)整，保障地鐵工程建設(shè)安全，減少施工風(fēng)險因素。在杭州地鐵4號線二期建(構(gòu))筑物調(diào)查過程中曾使用此方法探測寧杭高鐵橋樁基礎(chǔ)，由于寧杭高鐵為正在運營的重要高鐵線路，須選用無損檢測法進行探測，以瞬變電磁原理探測出橋墩下承臺的平面尺寸范圍，結(jié)合場地工程地質(zhì)條件及類似工程經(jīng)驗綜合推斷出橋樁平面布置，對線路設(shè)計方案順利推進和盾構(gòu)施工安全貫通起到了重要作用。

(3)對于搜集過程中的紙質(zhì)文件和圖片掃描件，應(yīng)及時進行數(shù)據(jù)化提煉和矢量化處理，將詳細信息反映在總平面圖和調(diào)查列表上，標示出建構(gòu)筑物基礎(chǔ)的坐標、尺寸、埋深等信息。圖片矢量化的過程中，不可避免會出現(xiàn)誤差，尤其是地鐵正下穿的重要建(構(gòu))筑物，基礎(chǔ)平面布置圖的準確性成為地鐵施工過程中的關(guān)鍵風(fēng)險因素，建議采用圖紙資料搜集方式結(jié)合以上特殊測試手段進行雙重驗證，最大程度上做好障礙物潛在風(fēng)險的管控，從而為地鐵工程設(shè)計、施工提供更有力的依據(jù)。

(4)地鐵沿線的規(guī)劃建設(shè)工程資料搜集與處理也是建(構(gòu))筑物調(diào)查工作的重要組成部分之一，線路影響范圍內(nèi)規(guī)劃工程設(shè)計資料的缺失可能會對地鐵推進造成不可預(yù)估的影響，障礙物數(shù)據(jù)信息庫的建立有助于地鐵建設(shè)單位與沿線單位及時取得溝通協(xié)商，規(guī)避風(fēng)險源，設(shè)計驗算地鐵與鄰近規(guī)劃工程的安全距離，為雙方項目實施提供保障。

(5)近年來隨著地鐵工程建設(shè)全面加速展開，建(構(gòu))筑物特殊探測技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，建(構(gòu))筑物調(diào)查成果數(shù)據(jù)化、矢量化處理尤其重要，數(shù)據(jù)庫的建立可以避免部分重復(fù)性的無效工作，便于相關(guān)單位提取關(guān)鍵信息，搜集成果的矢量化處理能夠直觀反映出障礙物與地鐵線路的相對位置關(guān)系，從而有效減少地鐵設(shè)計、施工中的風(fēng)險因素，保障地鐵工程建設(shè)的順利推進。