地铁拱顶衬砌上方土体中的隐患的探查

钟世航，刘传新，范鹏举，王 荣，王泽峰

（1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.江苏省交通科学研究院股份有限公司，南京210017 ；3.北京水工资环新技术开发有限公司，北京 100044）

1 引言

地铁开挖和衬砌之后盾构施工时，拱部管片背后未填实的空区和空洞、钻爆法开挖时初期支护的不良状态和初期支护与衬砌间的空区一直是业界关注的问题。20 世纪80年初，欧洲有许多论文提出采用盾构施工地铁区间隧道，管片背后的空区采用注浆的方式是不可能填实的，必须采用新的技术解决，并有多篇论文介绍了钢纤维压缩混凝土的试验资料。1984年后，钟世航和王振信曾在多个场合提到采用盾构施工不能避免地面下沉，其原因是衬砌背后的空区难以用普通的回填注浆方法充实，但当时只有上海地铁采用盾构，意见难以得到重视。2000年后我国地铁大量兴建，采用盾构施工的越来越多，业界对地铁区间隧道衬砌后的空区注浆充填十分重视，也感到注浆效果不理想，并不能防止地面下沉，并感到有时浆液难以注入。更多地关注施工时地面的下沉，而对运营之后会不会因这些空区引起更严重的灾害和地铁施工时出现坍方后可能对地面造成的影响，则缺少直观的认识，也缺少检测手段。

笔者在北京地铁6号线穿过京哈铁路下方段施工后衬砌背后空区探查、南京地铁4号线的探查2个实例，得到了衬砌后空区造成其上方土体的坍落、松动的资料，本文介绍有关探查成果。

2 检测方法

2.1 陆地声纳法

检测方法的全称为极小震-检距超宽频带弹性波反射单点连续剖面法，特点是[1－2]：（1）陆地声纳法是近于0 震-检距的弹性波反射法，可避开直达波、折射波、面波的干扰，由于入射波和反射波几乎垂直界面，不存在转换波，不仅接收到的波形简单，而且大大增大了反射波的能量，用1.82 kg（4磅）锤可激震得到150 m 以上深的反射波。（2）工作时不固定检波器，提高了现场采集效率。（3）激发和采集10～4 000 Hz 的超宽频带反射波，可充分发挥和应用频谱的特点。

在探查溶洞方面，陆地声纳法的优势还在于：

（1）0 震-检距的反射法，对溶洞等有限大小物体的反射同相轴为双曲线，易识别[1－3]，见图1、2。

（2）0.5～3 m 直径的溶洞和顶部凹凸不平的暗河的最佳反射频率是1 000～3 000 Hz，是陆地声纳法的最佳使用频段[1－3]。

图1 球体的物理模拟Fig.1 Image of physical simulation of ball

图2 球体的数值模拟Fig.2 Image of numerical simulation of ball

（3）城市闹市区的振动噪声频率在250 Hz 以下，陆地声纳法的最佳使用频段在500～3 500 Hz，可避开城市振动噪声而在闹市区正常工作[4]。

2.2 微分电测深

微分电测深是电阻率法中的一种方法，在地面上布置4个电极A、B、M、N，通过A、B 电极向地下供电，另2个电极M、N 测量电位差，计算出地下一定范围的电阻率，其中MN⊥AB，垂直AB移动MN，随着AM 的增大，探查的深度加大。

3 北京地铁6号线穿过京哈铁路下方段施工后衬砌背后空区探查

3.1 概 况

探查任务是地铁6号线二期工程玉带河大街站～郝家府站区间，左测线里程为左K38+533～+598、右测线为右K38+513～+594 段地铁衬砌拱顶背后上方隐患探查。探查段的区间隧道在地面下约21 m，是盾构开挖。地面上填筑了4～5 m 高的铁路路基，路基上有道砟、轨枕、钢轨。地面以下是人工堆积、再下为第四纪沉积层。隧道拱部的人工堆积填土为房渣土、杂填土及粉土、细粉砂、中粉砂。

采用陆地声纳法和微分电测深法进行了探查。陆地声纳法设了3 条测线，以约30°角斜穿铁路从路基上穿过，其中右测线和左测线均在地铁区间隧道的拱顶上方沿隧道中线，测点距=震-检距=1 m。微分电测深的No.1 点和No.2 点分别在两座隧道的正上方。探查是在刚开挖并完成了衬砌不久进行的。

3.2 探查结果

微分电测深清晰地分出了各种土层的分界，给出了隧道拱顶衬砌的外缘位置，为陆地声纳法确定衬砌背后的空区确定了深度。陆地声纳法则探查了空区及其位置。

图3为左测线的陆地声纳时间剖面及其判释结果。在60 m 长的测线上可以看到3 处较大的空区（赭石色标示了空区反射同相轴），宽2～4 m，高1～3 m。从B 空区还可见，空区有向上发展的踪迹。从探查情况看，用盾构开挖，管片背后的空区还是比较严重的，在土质不好的情况下未填实的空区还会导致其上方的土体垮落，使土体中的松散部分逐渐向上发展。

图3 通州地铁6号线左线陆地声纳时间剖面Fig.3 Landsonar time-section of left survey line of line-6 in Tongzhou,Beijing

4 南京地铁4号线的探查

4.1 地面探查

4.1.1 概 况

在四号线鼓楼站前后区间附近段落的左线衬砌上方进行土体破坏情况探查。该区间地质条件变化频繁且暗藏多而杂乱的人工活动遗存。采用陆地声纳共做了2 段：（1）CK15+815～+858 段共50 m 长。沿隧道中线设测线1，中线右1～1.5 m 设测线2，两测线平行；（2）CK15+100～+125 段的探查，是由于在开挖到约+112 时掌子面出现了塌方，并有股水流入隧道，希望探查塌方的影响。测线在隧道拱顶上方沿中线布置。

4.1.2 探查结果

（1）CK15+815～+858 段

地层为秦淮河故道冲淤积土层，采用盾构法施工。图4为CK15+815～+858 段测线1 的陆地声纳时间剖面图，图中标示的1～7和9 等异常。异常表明，在区间隧道的拱顶上方都有明显的反映土体中的散乱的较强反射，反映出隧道拱部衬砌后有未充填密实的空区和空区诱发其上方的土体冒落松动，其中2、3、5、8、9、等几处土体的松动已发展到地面沥青公路路面之下。查阅资料得知，异常8 所处位置为施工时出现过坍方导致地面出现坍坑位置，异常8 中那些整齐的水平反射同相轴反映了回填时层层夯实的填土层。

上述短短43 m 地段即出现如此多的隐患，引人警思。

（2）CK15+100～+125 段

图4 南京地铁4号线左洞CK15+815－+858 段地面探查测线1 探查图像Fig.4 Landsonar time-section on ground exploration at CK15+815－+858 of line-4 in Nanjing

图5 南京地铁4号线左洞CK15+100－+125 段地面探查测线探查图像Fig.5 Landsonar time-section on ground exploration at CK15+100－+125 of line-4 in Nanjing

本段地层为岗坡上土下岩组合结构，采用矿山法施工。CK15+100～+125 段测线在隧道上方沿中线布置，图5为其陆地声纳时间剖面图。图5 中可见坍方点约在CK15+110 位置，这与地面下沉的中心的完全吻合（见图6）。从图5 可以看出，坍体上界约达地面下4～5 m，而坍方引起土体松动的宽度则达到+105，松动土体上界达到地面公路沥青路面之下（约到+111～+112 的位置）。在+107～108 地面下约4 m 深有明显的反映空洞的双曲线同相轴，这可能是旧地下防空洞坍垮后的痕迹。隧道在+110坍方后流出的黑水可能是旧人防中积存的废水。

图6 南京地铁4号线左洞CK15+080－+140 段地面沉降曲线Fig.6 The settlement curve at CK15+100－+125 of line-4 in Nanjing

4.2 区间隧道掌子面前方地质预报

在地铁4号线左洞CK15+032 掌子面向前方作了地质预报，掌子面是风化泥质砂岩与风化砂岩互层，遇水成泥状。用陆地声纳法作预报，在掌子面上布置一条水平测线，一条铅垂向测线，采用震-检距=测点距=0.25 m。

预报资料（图7和图8）除了给出了岩土中的断裂外，特别预报了+070～078 处岩体含水、+100前后为岩土分界面以及CK15+110、+197～198、+203～+204 等几处岩土分界面上均含有含水带其中，+070～+078 含水岩体和+110 前后岩土分界面并有渗水，均经开挖证实。

图7 CK15+032 掌子面陆地声纳时间剖面Fig.7 Landsonar time-section of on working face at CK15+032 feedback information

5 结论

（1）地铁衬砌背后未填实的空区或曾出现较大坍方的地点，会导致其上方的土体冒落松散，有些松散甚至可直达地面，是地铁施工和运营时的重要隐患。以往缺少针对这方面的探查技术和工作资料，人们缺少直观的认识。本文的实测案例给出了隐患源的直观感性的图像。

图8 水平与铅垂剖面地质解释图及反馈信息Fig.8 The geological explanation of Fig.7 and feedback information

（2）由于衬砌背后的空区在土质较差时很快诱发其上方的土体冒落，填充了空区，尽管填充的土质并不密实，但也增加了注浆的困难—注浆压力小了注不进浆，压力大了，会引起其它问题。空区上方土体的冒落，引起土体冒落处产生新的空洞或空区，并进而引起更上方土体松动的连锁反应，有必要在技术上给以改进或采用新的思路解决之。

通过2个工程案例，对地下工程建设和运营中的隐患有了更深刻地认识，如何及早了解隐患的存在和消除隐患给人们生产、生活带来的安全威胁是今后要努力解决的课题。陆地声纳法是精细探查隐患的有效方法，它不受闹市区振动干扰，也不受地下管线和其他障碍物的影响。地铁施工时的地质预报是必要的，特别在地铁标高在岩土交界线上下时，较准确地预报岩土分界线位置、含水体的位置、透镜状砂体的位置，以及穿过岩石的区间隧道和暗挖车站中的断层、破碎带及含水体等，对指导地铁的施工和保证运营安全能起很好的作用。

[1]钟世航,孙宏志,王荣.陆地声纳法[M].北京:中国科学技术出版社,2012.

[2]钟世航,孙宏志,李术才,等.隧道及地下工程施工中岩溶裂隙水及断层、溶洞等隐患的探查、预报[J].岩石力学与工程学报,2012,31(增刊1):3298－3327.ZHONG Shi-hang,SUN Hong-zhi,LI Shu-cai,et al.Detection and forecasting for hidden danger of karst fissure water and other geological disasters during construction of tunnels and underground projects[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,31(Supp.1):3298－3327.

[3]钟世航,孙宏志,王荣,等.陆地声纳法在探查单个溶洞方面的优势[J].物探与化探,2007,31(增刊):111－115.ZHONG Shi-hang,SUN Hong-zhi,WANG Rong,et al.The superiority of landsonar in karst cave survey[J].Geophysical &Geochemical Exploration,2007,31(Supp.):111－115.

[4]钟世航,王荣.陆地声纳法在地面勘查及闹市区勘探的应用[C]//中国地球物理第二十六届年会.北京:地震出版社,2010:694－695.