基于旁孔彈性波反射法的盾構隧道鄰近基樁水平變位試驗

盧佳玉，王 綱 ，王 睿，毛柏楊，郭宏杰，鄭曉雯，張學文

(1.上海市建筑科學研究院有限公司 上海市工程結構安全重點實驗室,上海 201108;2.上海東華地方鐵路開發有限公司,上海 200071)

1 引言

隨著社會與經濟的不斷發展和進步,城市基礎設施工程項目建設日益增多,新建項目與既有項目之間相互友好協調,是城市更新低碳經濟建設必須重點面對的問題之一。既有建(構)筑物多有樁基礎,基樁屬于地下隱蔽工程,無法采用簡單、直觀的方法對其長度及位置進行測量,而工程上常要求在不損壞樁體及上部結構的情況下,對既有建(構)筑物基樁的位置進行探測,以滿足后續基礎設施項目建設的需求。上海機場聯絡線盾構施工涉及既有高架道路安全等問題,為防止既有高架道路基樁被距離較近的盾構施工所破壞,需要加強盾構施工前的探測工作,查明基樁實際樁側位置。旁孔彈性波反射法優勢眾多,不損壞樁體及上部結構,從而保障盾構施工、高架道路及建筑的安全性。因此,旁孔反射波探測在基樁檢測工作中的應用研究具有非常重要的意義[1,2]。

暗埋式軌道交通建設通常采用盾構機在地下進行掘進施工,盾構機掘進施工除了需要解決掘進本身所遇到的復雜的巖土工程外,還需要兼顧掘進過程中的環境保護問題。在上海等超大城市進行盾構掘進施工,新建盾構隧道線路與既有建(構)筑設施、各類管線的空間位置關系需要事先調查、探測清楚,以便對既有的管線、建(構)筑物等基礎設施進行搬遷、預加固或制定有針對性的保護方案[3,4]。本文涉及的工程問題是一條埋深約23 m的新建盾構隧道穿越城市交通主干線高速公路高架橋及城市高架路下匝道,由于盾構機切削的外輪廓線與高架橋、城市高架路下匝道承臺橋樁邊樁的理論凈間距非常近,為了避免盾構機掘進過程中切削到橋梁樁基礎,需對橋梁邊樁在地下的空間位置情況進行探測,查明新建盾構隧道與既有橋樁邊樁在埋深約23 m地下的交匯關系,為后續施工方案的制定提供決策依據。本文嘗試采用一種新方法,即旁孔彈性波反射法,探測橋梁承臺邊樁在與盾構交匯處的外側壁的空間位置,探測結果對后續工程決策意義重大。

2 工程背景

2.1 工程概況

上海機場聯絡線新建盾構隧道在埋深約23 m的地下,穿越城市交通主干線高速公路高架橋及城市高架路下匝道,由于設計盾構路由與高架橋、城市高架路下匝道承臺橋樁邊樁間的最小間距不足1 m,為避免盾構機掘進過程中盾構機刀盤切削到橋梁基礎樁,保證盾構施工安全和G60高架基礎安全,需以距離盾構路由最近的兩個既有橋樁邊樁作為本次的被測樁,查明樁實際的樁側位置及形態,為盾構設計和施工提供基礎資料。盾構機刀盤與被測樁樁體位置示意圖如圖1所示。

圖1 盾構刀盤與樁體位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of shield cutter head and pile position

本項目被測樁設計樁體均為鉆孔灌注樁,分別命名為1#樁和2#樁,被測樁平面位置見圖2。

圖2 被測灌注樁(1#、2#)平面位置Fig.2 Location plan of measured cast-in-place piles (1# and 2#)

1#樁位于嘉閔高架北向東轉G60高架匝道高架橋墩下方,4樁承臺支持單柱橋墩,承臺出露,承臺頂高程為+5.427 m,樁徑1.00 m,樁長約50 m,樁側距上海機場聯絡線設計盾構路由西側約為0.70 m。

2#樁位于G60跨滬杭高鐵高架橋墩下方,9樁承臺支持雙聯橋墩,承臺未出露,樁徑1.20 m,樁長約50 m,樁側距上海機場聯絡線設計盾構路由東側約為1.20 m。

2.2 區域地質背景

探測場地位于上海市中西部,屬濱海平原地貌類型,場地周圍地形較為平坦,無影響路線穩定性的大型活動性斷裂、顯著的地面沉降等不良地質作用。

探測場地周圍最大鉆探深度為84 m,為正常沉積區,在勘探深度范圍內,根據地層的形成年代、成因類型及工程性質特征,自上至下可劃分為9個大層和若干亞層,其中第①1層為填土,第②～⑤層為全新世Q4沉積層,第⑥1～⑨1層為晚更新世Q3沉積層[5,6]。

場地周圍有兩個勘探孔(Jz-Ⅳ19-9850、Jz-Ⅳ19-9900),地質剖面見圖3。

圖3 被測灌注樁附近地質剖面Fig.3 Geological profile near the measured cast-in-place pile

3 試驗原理

3.1 跨孔透射波法

跨孔透射波法一般是在兩孔間發射-接收地震波,通過計算機重建技術處理接收到的攜帶地下介質各種特征的地震波信號,重現地下介質結構。層析成像技術能夠通過接收炮點與檢波點之間的地震波旅行時,利用計算機技術反演得到勘探區域的速度結構,從而為解決此問題提供了一個切實可行的方法[7]。

可以通過沿波射線傳播路徑對地下介質慢度函數的線性積分來表示透射波旅行時:

(1)

式(1)中,S(x,z)是指地下介質的慢度函數;dl是指波的射線路徑的微分;T是指波從震源s到檢波點r的走時。波的傳播射線路徑與地下介質的慢度函數S(x,z)以及波的類型有關系。

把式(1)離散后,可以將其寫成如下所示的代數方程組,矩陣形式為:

簡寫為:

T=AS

(2)

式(2)中,T表示為所有炮點到檢波點的旅行時矩陣;S是指地下介質的慢度矩陣;A表示為與波傳播射線路徑有關的距離矩陣。在慢度函數S(x,z)已知的情況下,可以選擇多種方法求解出給定類型波的旅行時矩陣T和距離矩陣A[8]。

反演則是指在已知波的旅行時矩陣T的條件下反推出慢度函數S(x,z)。由于距離矩陣A也是未知的,直接從上式求出S是不可能實現的。因此,必須先要對S做出假設,再利用正演方法求出射線路徑A和走時T,最后,通過比較實際走時和正演計算得到走時,求出走時差矩陣ΔT,慢度矩陣S的修正量為ΔS,用ΔS對原S進行修正得到新的慢度場S,然后再利用正演計算得到新的射線路徑A和旅行時差ΔT,從而求得對S的新的修正量ΔS,并對慢度場加以修正。如此反復迭代計算,直到ΔT滿足一定的精度要求為止[9,10]。

3.2 旁孔彈性波反射法

旁孔彈性波反射法是利用彈性波在介質波阻抗(即介質的速度與密度的乘積)差異界面產生反射波的原理進行界面探測。本方法利用的是彈性波的縱波反射,眾所周知,樁體混凝土的波阻抗一般可達7×106～12×106kg/(m2·s),一般土層的波阻抗為2×106～4×106kg/(m2·s),兩者波阻抗差異顯著,彈性波由樁側土層到達樁體表面時反射系數可達0.4～0.7。因此,在樁體旁側鉆孔進行反射波探測,通過接收反射波回程時間,結合場地土層速度對樁體位置進行計算,可以較好地查明孔旁一定范圍內樁體的側壁位置及形態。

旁孔彈性波反射法能夠在不損壞樁體及上部結構的情況下,通過樁側鉆孔發射并接收記錄樁側反射波旅行時,利用計算機技術計算反演得到樁體與鉆孔間的距離[11],從而得到樁體側壁的準確位置及其水平變位,其原理圖如圖4所示。測試孔成型后,對測試孔進行水平位移測量,保證孔內激發、接收超聲波傳播時間的誤差最小。

圖4 旁孔彈性波反射法工作示意圖Fig.4 Schematic diagram of side hole elastic wave reflection method

首先利用跨孔透射波法對樁體附近的土層波速進行測定,并探查兩孔之間是否有其他障礙物,或者樁體是否由于垂直度控制較差等原因傾入到承臺與盾構紅線之間的區間。

跨孔透射波法土層波速測定,是利用兩個相距較近的測試孔,分別發射-接收地震波,發射-接收在孔中等高同步移動探測,儀器記錄并分析、處理、讀取跨孔探測各深度首波到達時間,結合各對孔測斜計算相應深度的孔間距,計算該高程土層速度(圖4)。

土層速度計算公式如下:

(3)

式中:vpi為測試孔間巖土層縱波速度(m/s);di為發射-接收間距(m);Δti為跨孔接收首波走時(s)。

旁孔彈性波反射法通過已知的地下巖土層速度模型來約束彈性波反演,以跨孔透射波法測定的各深度的速度值vpi近似作為近樁測試孔至樁側土層速度值,利用檢測數據分析處理系統讀取近樁測試孔反射波旅行時Δt′i,結合跨孔探測得到的土層速度,計算該反射波反射界面與測試孔間距。通常情況下,可以認為該測試孔周邊除附近樁土間可以構成強波阻抗界面外,無其它反射界面。因此,該計算界面即推斷為樁側邊界。

樁體側壁與測試孔間的距離計算公式如下:

(4)

式中:d′i為樁體側壁與測試孔間距(m);vpi為測試孔間巖土層縱波速度(m/s);Δti為反射波雙程走時(s)。

4 現場測試及分析

4.1 成孔檢測與反射波法前期試驗

在試驗灌注樁成孔施工完成后,采用超聲波成孔檢測儀對孔壁形態進行檢測,作為旁孔彈性波反射法探測對比驗證的依據?，F場探測時,在樁孔中心下放超聲波成孔檢測探頭,檢測儀發射-接收方向應對準后續旁孔彈性波反射法探測測試孔位置;檢測時,采用自激自收模式接收樁孔內壁的超聲反射波,對超聲波信號進行處理解釋,可以得到整個鉆孔的孔壁曲線以及鉆孔直徑、擴孔縮徑現象、垂直度等基本參數,從而進一步得到樁孔內壁的具體形態。

待試驗樁成樁完成后,選取該鉆孔灌注樁為前期試驗樁,進行旁孔彈性波反射法探測,并對兩種方法探測試驗樁樁側位置的成果記錄進行對比研究,驗證旁孔彈性波反射法的可行性。

前期試驗樁超聲波成孔檢測與旁孔彈性波反射法成果對比見圖5。

圖5 前期試驗樁超聲波成孔檢測與旁孔彈性波反射法成果對比Fig.5 Comparison of results of ultrasonic hole forming inspection and side hole elastic wave reflection method for early test piles

圖5中,白色虛線為前期試驗樁超聲波成孔檢測曲線,青色實線為旁孔彈性波反射法探測樁側曲線,設計孔深為68 m。對比兩條曲線并進行相關計算,經前期試驗驗證,旁孔彈性波反射法探測到的試驗樁樁側水平位置與該樁超聲波成果檢測成果誤差不大于10 cm。因此,利用旁孔彈性波反射法探測基樁樁側水平變位具有可行性,可以應用工程實例進行進一步的驗證。

4.2 測試孔布置

每根樁分別各布置6個測試孔。1#樁、2#樁測試孔類型及布置分別如表1和圖6所示。

表1 測試孔類型布置Table 1 Type and arrangement of test holes

圖6 1#樁、2#樁測試孔布置Fig.6 Layout of test holes for pile 1 and pile 2

4.3 測試孔自身空間定位測量

測試孔不同深度相對孔口水平位移測量是用測斜儀每隔0.5 m長度逐段測量鉆孔的斜率,從而獲得鉆孔水平位移隨深度變化量,確定鉆孔自身空間定位。其基本原理是根據擺捶受重力影響,測定以垂線為基準的弧角變化。為保證樁側位置探測精度,必須對測試孔孔口位置、高程及各深度點位置進行準確測量[11]。

本次測試孔測斜資料以所測樁中心為原點(0,0,0),對所測數據進行整理,計算各測試孔的空間位置及與探測樁的空間關系,計算孔-孔、孔-樁間距。本次測試孔孔口位置和高程采用全站儀測定。各深度點位置以孔口位置為基準,利用測斜儀對測斜管十字槽兩方向進行高精度測斜,計算得到每個測試孔北向(北南向各測兩次,取均值)和東向(東西向各測兩次,取均值)傾斜情況。

以孔口為起算點,測量時,將測斜儀插入測斜管內,將測斜探頭滑輪沿測斜導槽逐漸下放至管底,自上而下每隔0.5 m測定該點的偏移角(A0j),然后將探頭旋轉180°(A180j),在同一導槽內再測量一次,合起來為一個測回。通過各測段水平位移的疊加推算總位移量。按下式計算為:

(5)

式中:Xi為i深度的本次坐標(mm);XQSi為i深度的初始間距(mm);L為探頭的長度(mm);θj為傾角;A0j為儀器在0°方向的讀數;A180j為儀器在180°方向的讀數;C為探頭的標定系數。

按上述同樣方式,將測斜探頭沿A0方向分別旋轉90°和270°,進行測斜管十字槽另一方向的測斜工作,并計算自孔口向下各高程點探測孔累計偏移。由探測孔各高程點測斜管十字槽兩方向的累計偏移,以孔口坐標為基準,計算出探測孔各高程實際空間位置坐標[12,13]。

4.4 跨孔透射波法測土層波速

跨孔透射波法測土層波速時采用平測法,發射-接收在測試孔中等高同步移動探測,測點間距0.25 m,儀器記錄地震波在兩孔間的傳播時間。利用檢測數據分析處理系統讀取跨孔探測各深度首波到達時間,結合各對孔測斜計算相應深度的孔間距,計算該高程土層速度。以該跨孔測試速度值近似作為近樁探測孔至樁側土層速度值[14-19]。

1#樁旁孔A2-B2、2#樁旁孔C2-D2跨孔波速測試聲時曲線和波速曲線見圖7。

4.5 旁孔彈性波反射法探測

4.5.1 旁孔彈性波反射法探測

圖7 A2-B2和C2-D2跨孔波速測試聲時和波速曲線Fig.7 Acoustic time wave velocity curves for A2-B2 and C2-D2 cross hole wave velocity tests

旁孔彈性波反射法選取B2、D2測試孔分別對1#樁和2#樁樁側地下的空間位置情況進行探測。在測試孔中,將發射換能器下至孔底,探測點距0.25 m,自下而上逐點進行,利用多通道超聲測樁儀記錄地震波,記錄被測樁樁側反射波旅行時,探測成果反射波波列圖如圖8所示。

圖8 1#樁和2#樁旁孔彈性波反射法波列Fig.8 Wave chart of elastic wave reflection method for side-holes of pile 1# and pile 2#

4.5.2 樁側邊界及與設計盾構外側間距的計算

4.5.2.1 樁側邊界計算

利用檢測數據分析處理系統讀取近探測樁孔反射波到達時間,結合跨孔探測得到的土層速度,計算該反射波反射界面與探測孔間距。通常情況下,可以認為該探測孔周邊除附近樁土間可以構成強波阻抗界面外,無其它反射界面。因此,該計算界面即推斷為樁側邊界。

4.5.2.2 樁側-盾構外側間距計算

上海機場聯絡線設計盾構路由在該段穿越標高約為-23～-36 m,將足夠短的一段盾構外側壁在某一高程上認為是直線,選取過該高程側壁直線上的兩個坐標點,即可利用過兩點的直線方程公式表示該直線。

1#、2#樁側不同高程的點Pi(xi,yi)到盾構外側壁的距離(di)即可用點到直線間距離公式計算。

其中,1#樁距離di的計算公式為

其中,2#樁距離dj的計算公式為

所測兩樁樁側邊界及與設計盾構外側間距的計算結果(盾構穿越段)分別如表2和表3所示。

表3 2#樁旁孔彈性波反射法探測成果Table 3 Side-hole elastic wave reflection method detection results of pile 2#

4.5.3 探測成果

本次樁旁孔彈性波反射法探明了1#樁東北側(B2孔方向)側壁位置,查明了該樁在有效探測段(標高1.00～-40.00 m),樁側向B2孔方向外擴33～142 mm之間,其中機場聯絡線設計隧道深度(-23～-36 m)段,樁側外擴48～121 mm之間,至設計盾構路由間距為0.58～0.60 m。

探明了2#樁西側側壁位置,查明了該樁在有效探測段(標高-4.10～-39.10 m),樁側向D2孔方向外擴82～-108 mm(注:外擴為“負”值,表示為向樁內縮徑)之間,其中機場聯絡線設計隧道深度(-23～-36 m)段,樁側外擴-38～-108 mm之間,至設計盾構路由間距為1.21～1.31 m。

5 結論

本文基于旁孔彈性波反射理論,采用測試孔自身空間定位測量、跨孔透射波法和旁孔彈性波反射法等相結合的技術方法,對基樁鄰近盾構隧道一側的樁側表面位置進行試驗研究,分析解釋了旁孔彈性波反射法對于基樁樁側表面位置的探測成果、精度和定量誤差,獲得如下結論:

1)該方法首先選取該鉆孔灌注樁為前期試驗樁,進行旁孔彈性波反射法探測,探測基樁的樁側位置,通過與超聲波成孔檢測成果的對比研究,驗證了旁孔彈性波反射法在基樁水平變位探測中具有一定的可行性。

2)運用旁孔彈性波反射法較為準確地得到了所測鉆孔灌注樁在地下一定深度范圍內樁側的空間位置,通過對成果數據進行分析,進一步計算得到樁側邊界在一定深度處與設計盾構外側間距的距離。本次試驗探明了隧道盾構到1#樁樁側的距離為0.58～0.60 m,到2#樁樁側的距離為1.21～1.31 m,可以作為參考資料來保障盾構設計施工及高架道路的安全。

3)試驗研究過程中,由前期試驗可知,雖然測斜測量計算、反射波走時讀取及超聲波成孔檢測具有一定的不準確性,會使得旁孔彈性波反射法探測樁側壁位置存在一定的誤差,但旁孔彈性波反射法誤差在10 cm范圍內。

4)本文方法對于樁基探測具有重要的意義?？梢赃M一步進行鉆孔精確測斜、旁孔彈性波反射法專用儀器及軟件的開發研究,使得探測結果更加精確,為城市基礎設施建設提供服務。