基于面波法和高密度電法的地連墻成槽擾動研究

陳 穩，蘇 昂，劉松玉，白 坤，吳 爍，李 偉，顏庭成

（1.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210004；2.東南大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；3.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250101；4.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211800；5.江蘇華東地質建設集團有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

江蘇地區軟土分為海相軟土、湖相軟土以及長江三角洲沖積相軟土[1]，這些軟土分布廣泛且厚度大，具有孔隙比大、壓縮性高、含水量高、滲透性差、抗剪強度低、變形時間長等特點，使得該地區地下工程建設中經常面臨各種難題，因此研究江蘇省軟土地區地下工程建設時引起的擾動問題意義重大。

地下連續墻最早出現于1950年的意大利米蘭，我國在1958年首次運用。該技術經過多年的發展，已在各類地下工程中得到廣泛運用。地下連續墻具有施工設備要求低、剛度高、防滲性能好等優點。然而，地連墻成槽過程會引起周邊土體擾動。已有文獻[2]表明，地下連續墻成槽施工在控制參數不合理的情況下，土體地面沉降占至基坑工后總沉降的30%以上。然而，地連墻成槽過程的一系列對周邊土體的影響在現階段的工程設計中常被忽略，嚴重影響工程的質量安全。因此成槽施工對土體擾動影響的研究對施工安全控制具有重要作用。

土體擾動是指由于土體應力狀態或固結狀態的變化等導致土體結構的破壞和變化[3]。土體發生擾動后，很容易誘發一系列工程安全和環境問題。當前學者主要通過室內試驗法和現場原位測試法評價土體擾動度。在室內試驗方面，研究人員選取了不同指標評價土體擾動度，如殘余孔隙水壓力[4]、屈服應力[5]、殘余應力[6]、剪應變[7]、孔隙比變化量[8]、球應力和偏應力[9]等指標?；谠粶y試評價土體擾動度方面，現有研究選取了十字板剪切強度、錐尖阻力[10]和剪切波速[11]等指標評價土體的擾動度。由于室內試驗方法不能完全真實地體現原位土體的應力狀態，因而對工程施工土體擾動的評價缺乏說服力；與之相比，原位測試方法能夠獲取施工過程中土體原位參數的變化，可較為準確地評價工程施工引起的土體擾動。然而，通過原位測試方法針對地連墻成槽擾動問題的相關研究鮮見報道。

瑞雷面波法和高密度電阻率法是目前較為成熟的原位測試方法。一些學者對瑞雷面波法和高密度電阻率法的工程應用進行了研究。利用瑞雷面波法，歐陽鋒等[12]開展了注漿加固及強夯地基檢測，李波等[13]開展了隧道仰拱厚度檢測，FAN等[14]開展了裂縫寬度和深度檢測。利用高密度電阻率法，MOHAMMED等[15]推導了電阻率與液/塑限、自由膨脹度的經驗關系，PERRONE等[16]使用該技術識別滑坡幾何特征、潛在不穩定區域，任麗元等[17]檢測了黃河大堤錐探灌漿效果。從現有研究來看，利用瑞雷面波法和高密度電阻率法評價土體擾動度的相關研究還有待進一步開展。

基于以上分析，本文針對地下連續墻槽段施工對土體的擾動問題，以江陰靖江長江隧道江北段明挖隧道為依托，采用現場瑞雷面波法和高密度電阻率法，對地下連續墻成槽施工后土體的剪切模量、電阻率變化規律以及擾動范圍開展研究，比較擾動區分布范圍和空間上的變化趨勢，為實際施工提供參考。

1 工程概況

江陰靖江長江隧道工程主線約11.285 km，分為江北明挖段、盾構段、江南明挖段。采用明挖法進行施工，明挖段約1 500 m。通過槽壁加固、地下連續墻、SMW工法樁、拉森鋼板樁、三軸攪拌樁、MJS旋噴樁地基加固進行圍護結構施工。

江北段地下連續墻主要分布在工作井四周和后續段長條形基坑的兩側。工作井南北長度25 m，東西長度53.6 m，開挖深度29.4 m。工作井及后續段四周由地下連續墻進行圍護，地下連續墻厚1.2 m，最深60 m。具體圍護結構分布見圖1。

圖1 圍護結構分布示意圖Fig.1 Distribution of the bracing structure

該工程位于典型長江漫灘地層，上部分布有弱透水粉質黏土層，其下為深厚承壓含水層（粉土、粉砂層及中粗砂等），地質條件差，地下承壓水位高，且與長江存在水力聯系，工作井及后續明挖段地下連續墻槽段所處位置的地質情況如圖2所示。

圖2 槽段周邊地質圖Fig.2 Geological map around the trench section

地下連續墻兩側采用導墻及Φ850@600 mm單排三軸攪拌樁槽壁加固，加固深度25 m。導墻翼寬1.2 m，翼厚0.2 m，肋厚0.2 m，總高度約1.5 m，采用C25混凝土。

2 測試設備與方法

2.1 瑞雷面波試驗

測試使用的面波記錄儀為上海巖聯工程技術有限公司生產的YL-SWS面波測試儀。檢波器為上海巖聯工程技術有限公司生產的速度型傳感器，測試深度為20 m。錘擊設備選用20 kg的重錘。測試時，在江陰靖江長江隧道明挖段選取一處槽段，開展地下連續墻成槽前后的現場測試，面波試驗測線布置如圖3所示。每條測線長度為12 m，檢波器間距1.0 m，激發偏移距（即震源與第一個檢波器的距離）分別為3.0 m、5.0 m、8.0 m。

圖3 面波試驗測線布置示意圖Fig.3 Arrangement of surface wave test measuring lines

測試過程為：從測線起點開始，隔1.0 m的間距共布置24個檢波器，每個檢波器在豎直方向上與土體緊密接觸。連接檢波器與面波記錄儀，并設置傳感器通道的增益。測試傳感器安裝情況，檢查無誤后，選擇不同的偏移距，布置震源。采樣時，激發震源，讀取并保存數據。

2.2 高密度電阻率試驗

現場高密度電阻率測試所用設備為ABEM公司生產的Terrameter LS 2高密度電阻率儀，主要包括銅電極、電極夾、電纜、電法儀、電源5個部分。將81根電極插進土體后，用電極夾、電纜將電極與電法儀相連，接通電源之后即可對該測線進行測量。

進行現場測試的測線位置與面波試驗相同。成槽前后在槽段對應的橫斷面選擇2條測線，由于現場條件限制，沿地連墻長度的斷面未能布置測線。受明挖段基坑的寬度限制，測線長度為40 m，電極間距0.5 m，共布置81個電極。測試過程為：將電極、電纜與電法儀對應連接，連接完畢后打開電法儀，測試電極安裝情況。檢查無誤后，開始正式測量，每條測線要在三處電纜連接處進行測試，分別在成槽前后各測試一次。

3 測試結果

3.1 剪切模量

瑞雷波的傳播速度與剪切波速有式（1）的近似關系[18]：

式中：ν為地層的泊松比；VR為瑞雷波波速；Vs為剪切波速。

通過式（2）[19]將剪切波速轉換為剪切模量：

式中：G為剪切模量；Vs為剪切波速；ρ為體積密度。

圖4為成槽前后槽段橫斷面土體剪切模量分布圖。從圖4中可以看出，地下連續墻所處斷面的整體情況為淺部土體剪切模量較小而深部土體剪切模量較大?？拷叵逻B續墻處的土體剪切模量較小，遠離地下連續墻處的土體剪切模量較大。施工成槽后，槽段附近土體剪切模量整體變小。

圖4 成槽前后槽段橫斷面土體剪切模量分布圖Fig.4 Shear modulus distribution of cross-sectional soil before and after grooving

3.2 電阻率

對現場采集后的數據采用Res2dinv軟件進行處理分析，采用平滑約束的最小二乘法進行初步處理，再將視電阻率轉化為真電阻率。在反演過程中，共進行5～7次迭代，直至計算結果的均方根誤差達到所設置的誤差范圍內。成槽前后槽壁橫斷面土體電阻率分布如圖5所示。

圖5 成槽前后槽壁橫斷面土體電阻率分布圖Fig.5 Resistivity distribution of cross-sectional soil before and after grooving

從圖5中可以看出，成槽前后土體電阻率分布情況整體未發生明顯變化，淺層2 m深度范圍內的雜填土有些許變化，這可能是由于場地內的設備發生移動或是天氣溫度等變化使淺層土體的密度和含水量發生變化所致。2～6 m深度范圍內的土體整體變化不明顯，說明地下連續墻成槽對所處斷面深層土體的電阻率影響不大。地下連續墻附近土體低電阻率區域的范圍增加，這可能是由于成槽施工時槽段內泥漿豐富，泥漿中的水分有一部分滲透進周圍的土體里，從而使電阻率值降低，低電阻率區域范圍擴大。

4 地下連續墻成槽施工擾動度評價

4.1 基于剪切模量的擾動度評價

（1）剪切模量變化規律

將地下連續墻成槽前后不同位置土體剪切模量的變化情況部分繪制于圖6。從圖6中可以看出，距地連墻槽段不同位置處土體的剪切模量在成槽施工后都會有變小的趨勢，其中靠近地下連續墻處土體的剪切模量變化更明顯。在同一水平位置處，淺部土體的剪切模量在成槽施工前后變化量更大，10 m深度以下土體的剪切模量變化相對較小。

圖6 成槽前后不同位置土體剪切模量變化圖Fig.6 Variations of shear modulus of soils at different positions before and after grooving

（2）基于剪切模量的土體擾動度

以成槽前后土體的剪切模量作為評價指標，提出地下連續墻成槽施工擾動度SDD的計算公式：

式中：G0為成槽施工前土體的剪切模量；G?為成槽施工后土體的剪切模量。

依據MENG等[20]對擾動區的劃分標準，將擾動度SDD≥10%的區域視為明顯擾動區，將擾動度SDD＜10%的區域視為微小擾動區。

按照式（3）計算得出基于剪切模量的土體擾動度分布，分布情況如圖7所示。有必要說明，淺部3 m深度以內、距槽壁1.5 m以內的數據缺乏，這是由于現場成槽施工使得靠近地下連續墻處的土體被泥漿和清水覆蓋，瑞雷面波試驗未能覆蓋這部分區域。從圖7中可以看出，在成槽施工后，同一位置處土體的擾動度沿深度方向整體上具有由大變小的趨勢。8 m深度以上土體的擾動度較大且變化趨勢較快，8 m深度以下土體擾動度較小，基本低于2%。4 m深度以上，同一深度處距地連墻槽壁越近，土體的擾動度越大。深度4 m以上且距地連墻槽壁約5.5 m以內土體的擾動度在10%以上，視為明顯擾動區，其余區域土體擾動度小于10%，視為微小擾動區。

圖7 基于剪切模量的土體擾動度分布圖Fig.7 Distribution of soil disturbance degree based on shear modulus

通過Excel將地下連續墻斷面不同位置的擾動度SDD篩選出大于10%的部分，該部分為明顯擾動區，再將數據導入Surfer軟件，繪制基于剪切模量的土體擾動區分布圖，如圖8所示。從圖8中可以看出，土體越靠近地連墻槽壁且深度越淺，受擾動程度越高。明顯擾動區主要分布在距槽壁5.5 m且深度4 m以內范圍。根據結果可推斷得出，測試數據缺乏的3 m深度以上且靠近地下連續墻處土體處于明顯擾動區，但深度較大且緊鄰地連墻槽壁處（1.5 m以內）的擾動度是否大于10%還需進一步研究。

圖8 基于剪切模量的土體擾動區分布圖Fig.8 Distribution of soil disturbance area based on shear modulus

4.2 基于電阻率的擾動度評價

（1）電阻率變化規律

將地下連續墻成槽前后不同位置處土體電阻率的變化情況部分繪制于圖9。從圖9中可以看出，地連墻成槽后，距槽壁10 m以內且深度位于2 m以下的土體電阻率總體具有降低的趨勢，而深度2 m以上土體電阻率在成槽前后相差不大。這可能是由于深度2 m內存在導墻，導墻對土體的保護作用使得2 m深度內開挖引起的擾動較小，而2 m深度以下的土體則在開挖后受到的擾動較大。

圖9 成槽前后不同位置處土體電阻率變化Fig.9 Variations of soil resistivity at different positions before and after grooving

（2）基于電阻率的土體擾動度

對于飽和土體，電阻率的降低代表土體的孔隙率和含水量提高，因此，土體的壓縮性和強度也會降低。本文以成槽施工前土體的電阻率 0ρ和成槽施工后土體的電阻率ρ'作為評價參數，提出地下連續墻成槽施工的擾動度SDD公式，用于近似估算土體力學性質的擾動程度。

根據式（4）可得出距槽壁一定距離處施工前后基于電阻率的土體擾動度分布，如圖10所示。從圖10中可以看出：總體上，成槽后距槽壁一定位置處土體的擾動度沿深度方向具有由小變大的趨勢，在4 m深度以內土體擾動度基本保持在10%以內。距地連墻2 m范圍內土體的擾動度較大，此范圍內深度6.7 m處的土體擾動度達到40%左右。這主要是由于深度4～6.7 m范圍內的土體電阻率值較低，大小為5 Ω·m左右，因此較小的電阻率值變化就會引起較大的擾動度。

圖10 基于電阻率的土體擾動度分布圖Fig.10 Distribution of soil disturbance degree based on resistivity

通過Excel將不同位置的擾動度SDD篩選出大于10%的部分，該部分定義為明顯擾動區，再將數據導入Surfer軟件，繪制基于電阻率的土體擾動區分布圖，如圖11所示。從圖11中可以看出，明顯擾動區主要分布在距地連墻4 m范圍以內且深度位于4 m以下，其余部分均為微小擾動區，表明距槽壁4 m范圍內的土體電阻率變化較大，這可能是由于土體卸荷、泥漿的水分遷移和成槽機對土體的切削和擠壓造成的。在現場40 m長測線、電極間距1 m的實驗情況下，高密度電測試所得出的電阻率結果只顯示到地下6.7 m深度處，這是由于現場條件限制，測線在橫斷面上土體區域只有40 m長，其余部分為硬化路面，不適用于高密度電測試，因此所能探測到的土體比較淺，更深位置處的土體電阻率變化有待進一步研究。

圖11 基于電阻率的土體擾動區分布圖Fig.11 Distribution of soil disturbance area based on resistivity

5 結 論

本文針對地下連續墻槽段施工對土體的擾動問題，以江陰靖江長江隧道江北段明挖隧道為工程依托，在工作井處地下連續墻成槽時進行現場瑞雷面波法和高密度電阻率法試驗，對地下連續墻成槽施工后土體的剪切模量、電阻率變化規律以及擾動范圍開展研究。主要結果如下：

（1）瑞雷面波法測試結果表明，成槽施工后土體剪切模量變小，槽壁附近和淺部土體剪切模量變化量更明顯，10～20 m深度土體剪切模量基本未變化；以擾動度10%為界，明顯擾動區主要分布在深度4 m以上且距槽壁5.5 m范圍內；靠近槽壁土體的擾動度更高，最高達到20%左右。

（2）高密度電阻率法測試結果表明，成槽施工后深度2 m以下且距槽壁10 m范圍內的土體電阻率明顯變小，而在2 m深度以上基本無變化；明顯擾動區位于深度4 m以下且距槽壁4 m范圍內的區域；靠近槽壁土體的擾動度更高，最高達到40%左右。