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LOW CARBON WORLD 2022/12地质雷达和微动探测技术在地铁隧道区间孤石探测中的联合运用研究何育才（福州轨道交通设计院有限公司，福建 福州 350004）【摘要】开展地铁隧道区间的孤石探测是为了检测出沿线地下不良地质体。结合孤石的探测结果，了解孤石的分布、发育情况，分析孤石对于施工质量的影响，便于采取有针对性的处理措施，同时对施工方案做出相应的调整。针对地铁隧道区间孤石的探测，联合应用地质雷达探测技术与微动探测技术，可以更加高效、准确地探出孤石，能够更加全面了解施工现场的地质条件，为后续盾构施工制定有针对性的处理方案提供技术支持，同时以提高施工质量为目标，基于孤石探测结果，对施工方案进行调整与改进，有效降低施工中的风险。【关键词】地质雷达；微动探测技术；地铁隧道；孤石探测【中图分类号】U231【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2022）12-0130-030引言城市轨道交通的建设拓展了城市交通网络，为城市居民提供便利的公共交通服务，对推动城市经济发展有重要的作用。在地铁隧道区间的建设周期中，地质条件是影响施工的重要因素。近年来，随着城市轨道交通的迅猛发展，尤其盾构技术在地铁建设中的成熟应用，孤石、滚石、地下埋藏物等对盾构施工的影响越来越大，国内外曾发生多起在盾构施工过程中出现的重大工程事故，对工程造成重大影响，直接经济损失巨大，影响施工进度和施工质量。孤石是发生风化作用的岩石，残留于风化岩体中，属于不良地质体。孤石的发展存在无规律性，依据城市轨道交通岩土勘察规范（GB 503072012）7.3.3 节相关要求，详勘阶段复杂场地地下区间勘探点间距 1030 m，区间勘察过程中钻孔间距较大，导致勘察钻探过程中揭示率不高。孤石的存在，会增加地铁隧道区间施工的难度和风险。为了保障地铁隧道区间施工安全、顺利地进行，减少孤石问题的影响，需要应用地质雷达探测、微动探测等高精度的探测技术，针对地铁隧道施工区域进行地质勘查，确认岩石风化的发生情况，为施工方案的制定提供参考，及时做出相应的调整，规避施工风险，减少施工成本，做到施工过程中有的放矢，提高施工效率，保证施工质量。1地铁建设中的孤石问题在地铁工程的施工建设过程中，需要在施工前进行现场勘查，具体了解施工现场的地质条件，重点探测不良地质体，评估施工风险。地铁隧道区间的施工，主要应用盾构工法，由于该区间存在孤石，增加了盾构的掘进难度1。地铁建设中易出现的孤石问题如下：孤石通常较为坚硬，盾构掘进过程中往往会挤压盾构刀头，出现盾构偏离方向、隧道轴线偏斜等情况，影响盾构质量，对盾构施工形成阻碍。孤石位于容易崩塌的土层（强风化带、残积土层），在盾构掘进的过程中，容易出现超挖的情况，增加了地面沉降的发生风险。孤石具有不规律分布、不确定性发育的特点，处置难度较大。地铁隧道区间的施工，需要全面掌握施工现场的地质资料，通过对孤石的探测，了解孤石的分布情况、发育规律，采取有针对性的处理办法，减少孤石问题对于地铁隧道区间施工的干扰，有助于提高地铁隧道的盾构施工质量，有效降低施工风险。2地铁隧道区间孤石探测方法在地铁隧道区间施工前，需要对场地环境、工程地质条件有全面的了解，应该考虑气候（太阳辐射总量、日照、气温、降水、风、灾害天气）、水文（地表河流、地下水）以及周边环境对施工的影响。在此基础上，还需要掌握区域地质构造、地层与基岩、地面条件及地形地貌等地质信息。针对施工场地的地质勘探，应该重点关注场地岩土层，根据各岩土分层（填土层、冲积-洪积砂层、河湖相沉积层、冲积-洪积土层、冲积-洪积土层）的特征，科学、合理制定施工方案，提高施工质量2。2.1钻探地铁隧道区间的地质勘察工作需要深入、细致绿色交通130DOI:10.16844/10-1007/tk.2022.12.058LOW CARBON WORLD 2022/12地进行，可以采用钻探、物探等方法相互结合，尤其对于复杂场地需要进行相互验证，准确检测出不良地质体。检查隧道开挖面，确认地层处于风化岩地层后，采取钻探的方式，应用油压钻机，根据场地复杂程度、勘察等级等，依据相关规范要求沿线路方向进行钻孔的合理布置，钻孔岩芯按顺序摆放完整，探查钻孔有无揭露孤石。区间钻孔间距控制在 1535 m，结合实际情况，对钻孔位置、间距进行适当调整。在孤石发育区段，在孤石的前、后、左、右分别进行加密钻孔，用于准确判断孤石的分布。在盾构区间勘探的过程中，分为一般性勘探点、控制性勘探点。在一般性勘探点，需要按照进入结构底板以下 22.5 倍洞径进行钻孔，针对中等风化、微风化岩石，钻孔时，需要进入结构底板以下3 m。在控制性勘探点，需要按照进入结构底板以下 33.5 倍洞径进行钻孔，针对中等风化、微风化岩石，钻孔时，需要进入结构底板以下5 m。桩基托换的桩位钻孔，钻孔深度5 m。关于钻孔深度的控制，需要结合施工场地的实际情况进行调整。但是，由于钻探的成本较高，钻孔的观察范围有限，并不能完全准确地反映出孤石的分布情况3。2.2物探应用物探方法，能够对地铁隧道区间进行全覆盖。在选择物探方法时，需要考虑不同物探技术的精准度。在地铁隧道区间孤石探测中，地质雷达探测技术、微动探测技术等均是良好的物探方法选择。2.2.1地质雷达探测技术（1）基本原理。地质雷达探测技术是常用的物探方法，可以应用于地铁隧道区间孤石探测。针对探测区域，发射高频电磁波后接收回波，根据雷达信号特征，测定探测对象的信息，进而判断有无不良地质体的存在。（2）地质雷达探测技术的应用实例。在南方某市轨道交通工程的施工建设中，隧道区间采用盾构法施工。盾构隧道由南向北，穿过居民楼区域，地下分布有给排水、燃气、电力、电信等管线。针对 A（265.5 m）、B（181.5 m）、C（209.2 m）3 段里程进行探测，在 A 段盾构隧道中，拱顶、边墙为可塑状粉质黏土、硬塑状残积土，隧底为硬塑状残积土、全风化花岗岩。在隧道掘进的过程中，围岩存在坍塌变形、遇水崩解、沉降的风险。在 B 段盾构隧道中，拱顶为可塑状粉质黏土、软塑状淤泥质土，边墙为可塑状粉质黏土、中粗砂，隧底为硬塑状残积土、可塑状粉质黏土、砾砂。在隧道掘进的过程中，围岩存在坍塌变形、遇水崩解、沉降的风险。在 C 段盾构隧道中，拱顶为可塑状粉质黏土、全风化花岗岩，边墙为可塑状粉质黏土、硬塑状残积土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩，隧底为全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩。在隧道掘进的过程中，围岩存在坍塌变形的风险。在了解盾构隧道区间地质条件的基本情况后，应用地质雷达探测技术，能够检测孤石的分布区域、发育情况。三维地质雷达的应用过程中，针对被探测区间发射高频电磁波（中心频率 450 MHz），经地层或目标体反射后，接收电磁波。各电磁波可以横向形成探测剖面，沿着同一方向进行探测，形成空间三维成像，可以清晰地观察岩层中的孤石2.2.2微动探测技术（1）基本原理。微动探测技术在地铁隧道区间孤石探测中的应用，主要针对地表天然的微弱震动进行探测，获取微动信息，从中了解面波的频散特性，通过对相关数据的分析、反演，对地层结构特征做出判断。岩石的密度、弹性，影响体波、面波的波速，存在孤石的土层以及不存在孤石的土层，有明显的地层波速差异。因此，应用微动探测技术，能够检测出地铁隧道区间内的孤石，对孤石的分布规律、发育情况做出判断。实施微动探测技术前，需要具体了解工区不同岩性物性参数，并进行现场实测。物探场地不同岩性物性参数如表 1 所示。在微动探测技术应用过程中，基于平稳随机过程理论，对微动信号数据进行分析、研究，测得面波信号。在非均匀介质中，测得面波的频散特性。应用空间自相关法，进行频散曲线的提取。或是应用频率-波数域法，同样可以提取频散曲线，进而对微动信号进行分析。微动数据处理流程如图 1 所示。首先，设置观测台阵，探测微动信号，基于空间自相关法，进行 Rayleigh 波的提取。其次，计算频散曲线，进行 Rayleigh 波相速度频散曲线的转换，得到视 S 波速度的变化曲线。最后，根据视 S 波速度剖面，进行地质条件的推断与解释。在微动探测技术应用过程中，基于五边形阵列，应用逐点连续观测方式，进行微动探测。微动测线及观测系统布设如图 2所示。（2）微动探测技术的应用实例。应用微动探测技术，探测地铁隧道区间孤石；应用工程地震仪、三分量检波器作为检测设备，检测前进行一致性测试，主岩性名称视横波速度/（m s-1）第四系覆盖层100300全风化花岗岩300380强风化花岗岩380500中、微风化花岗岩500表1物探场地不同岩性物性参数绿色交通131LOW CARBON WORLD 2022/12要结合功率谱、相干系数、相位差等参数进行分析。启动检测设备，对微动信号进行探测，采集微动数据。在微动探测的观测台阵（R=250 m）中，确定探测点（各点间距 5 m），每个探测点，需要持续观测 10 min，同时进行数据采集。应用微动探测技术进行孤石探测的过程中，选择夜间进行，可以减少周围环境噪声的干扰，保障探测结果的精准度。完成探测后，获取Rayleigh 波相速度频散曲线。结合微动探测结果分析，在微动记录的多个数据段中，排除受到明显干扰的数据段。对各数据段的分析进行频率成分的提取，计算 Rayleigh 波相速度频散曲线。通过对 Rayleigh 波相速度频散曲线的转换，得到视 S 波速度的变化曲线，经过计算后，获得微动视横波速度剖面如图 3 所示。基于微动剖面结果，判断地层岩性变化。在微动剖面图中，可以清晰地显示速度分层，并可以从中观察纵横向变化，从而对岩性做出判断，确认有无孤石。微动探测结果提示速度异常时，往往反映出岩层中存在不良地质体。孤石越大时，在微动探测的过程中，能够检出较大的速度异常，确认孤石可能分布的区域，判断其发育情况。在探测出孤石后，能够为隧道盾构施工方案的制定提供参考，确认危险地段的位置。在某市轨道交通工程的地铁隧道区间施工建设中，通过孤石探测，发现该区段存在中风化花岗岩孤石，导致盾构掘进受阻。在确认孤石分布后，可进行爆破处理，有效减少了孤石问题对于盾构掘进的影响4。在地铁隧道区间孤石探测中，地质雷达探测技术、微动探测技术均发挥着重要作用，能够及时发现孤石，便于采取有针对性的处置措施，为施工方案的制定、改进提供有价值的参考。结合实际的探测结果，具体了解隧道盾构结构和周围环境，对施工的安全进行评估。探测出孤石后，一般采取爆破处理的方法。以地铁隧道区间孤石探测结果为参考，能够充分保障施工的安全、有序进行，提高施工质量，降低坍塌变形、遇水崩解、沉降等问题的发生风险。3结语在地铁隧道的施工建设中，应该以保障施工质量为目标，应用先进的施工技术，同时也要加强对风险因素的防范。地铁隧道区间的盾构掘进过程中，孤石会对施工产生极大的干扰，增加施工难度，阻碍施工进程。同时，受到孤石的影响，增加了岩层坍塌变形、沉降的风险，导致工程质量的下降。为了减少孤石问题对地铁隧道区间施工的影响，需要加强对孤石的探测，联合应用地质雷达和微动探测技术，及时了解孤石在施工区域的分布情况，并结合其发育特点，采取有针对性的处置方法，减少施工过程中的风险因素，提高施工质量。参考文献1 王宁.地铁隧道穿越岩性复杂地段岩土工程勘察方法研究J.工程建设与设计，2022（17）：192-194.2 高鹏.浅谈地铁盾构孤石探测及处理施工技术J.技术与市场，2022，29（2）：67-69.3 朱建辉.复杂地质条件下地铁隧道盾构施工技术方案研究J.市政技术，2021，39（5）：52-55.4 杨坤.地铁盾构施工不良地质体微动探测技术研究及应用J.市政技术，2018，36（5）：82-86.作者简介：何育才（1988），男，汉族，湖北黄石人，本科，工程师，主要从事岩土工程勘察工作。图1微动数据处理流程微动数据预处理重新采样仪器校正剔除干扰去均值化去线性趋势滤波频散曲线提取FKSPACESPAC相速度正演模型Vs 波资料地质资料视 S 波速度微动成果图2微动测线及观测系统布设2.5 m2.5 m2.5 mR