冲击映像法在大型沉管隧道基础检测中的应用

袁有为，王艳宁

（天津市市政工程设计研究院 天津市 300457）

冲击映像法在大型沉管隧道基础检测中的应用

袁有为，王艳宁

（天津市市政工程设计研究院 天津市 300457）

沉管法隧道的基础处理方法有很多，大致可分为刮铺法、桩基法、喷砂法、砂流法、灌囊法和注浆法，其中的喷砂法、砂流法、灌囊法和注浆法属于后填法，即先将管段沉放好，再设法将管段与基槽之间的空隙填实，如何保证基础处理的均匀性与密实性是整个沉管工程的关键点之一。依托天津滨海新区中央大道海河隧道工程，对国内外最为先进的冲击映像法检测技术进行了论述，阐明了这种方法的基本原理和操作流程，对于类似工程具有参考价值。

沉管隧道；基础；冲击映像法；检测

1　概述

沉管法是指在干坞内或大型驳船上先预制管段，再浮运到指定位置下沉、对接、固定，进而建成水下隧道或水下构筑物的施工方法。采用沉管法施工的隧道叫沉管隧道。天津海河隧道路线全长4132m，隧道部分全长3323m，暗埋段全长2988m。穿越海河段采用沉管法施工工艺，沉管段全长255m，由三节预制管段组成，单节管段长85m。

海河隧道沉管段基础处理采用厚60cm碎石垫层与40cm厚的注浆浆液层组成，其中碎石垫层，在基槽浚挖后采用碎石刮铺船刮铺完成，注浆基础在完成管段沉放对接后进行。

碎石垫层主要采用20～80mm级配碎石。在采用大型绞吸船与抓斗船隧道浚挖基槽完成后，实施碎石的刮铺，管底碎石垫层采用碎石刮铺船，通过漏斗下料，测量控制高程与位置，潜水员进行探摸检查，移动整平架整平的施工工艺。砂浆层基础为40cm厚钠基膨润土砂浆，配比为水泥∶细砂∶粉煤灰∶钠基膨润土∶水=1∶6∶1.4∶0.2∶2，其中，水泥采用普通硅酸盐水泥，粉煤灰为1级，细砂细度模数为2.28，钠基膨润土造浆率大于9.0m3/t；浆液的扩散半径大于5m，抗压强度设计值大于1.0MPa。

为实时掌握注浆过程中浆液密实度、扩散半径等性能指标，本工程采用国内外最为先进的冲击映像法进行注浆效果检测。

检测工作分为注浆前检测和注浆后检测。注浆前检测—作为注浆过程中及注浆后结果的对比数据；注浆后检测—对压力注浆的充填效果进行综合评价，以保证结构和基底受力均匀，减少不均匀沉降。

2　冲击映像法基本原理

冲击弹性波法类似于石油勘探用的反射法地震勘探，当我们打击沉管隧道的底板表面时就会产生弹性波（面波、纵波和横波），弹性波遇到界面（沉管隧道底板底面和注浆的结合面）就会产生反射，反射的强弱反映注浆充填情况。当注浆与沉管底板紧密结合时，界面两边的介质（混凝土底板和混凝土注浆）差别较小，形成弱反射界面，反射波相对较弱，相反地，当混凝土注浆与沉管底面之间有间隙时，间隙内介质为水，与混凝土底板的差别很大，就形成一个很强的反射面，反射回来的弹性波就很强，因此，通过分析反射波的强弱，就能推测沉管隧道底板与注浆的结合情况（图4）。但是，与石油上的地震勘探不同，混凝土底板与地层相比非常薄（约1.4m），但是弹性波的传播速度却很大（3000m/s以上），弹性波传播所需要的时间很短，击打时产生的各种波（面波、纵波直达波、纵波反射波、横波-纵波转换波等）相互混合在一起，凭观察无法把各种波区别开来，需要高精度的数据处理手段进行处理。

3　现场数据采集

3.1仪器规格

地震仪（图5）：Geod数字地震仪；记录通道：24道；模数转换：24bit；高截频：20000Hz；低截频：1.75Hz。生产厂家：美国Geospace。

检波器（图5）：动圈式垂直成分速度型检波器；固有频率：100Hz；生产厂家：美国Geospace。为保证检波器和地面的耦合，加工了检波器与地面连接的混凝土墩，面积10×10cm，内部混凝土，由三个螺钉与地面连接。

3.2采集参数

检波器间距：0.5m；排列长：5.5m；震源偏移距：距测线0.5m；激发方式：重锤敲击；道数：12道；采样间隔：62.5us；记录长度：256ms；勘探点密度：1点/0.5m。

3.3测线布置与数据采集操作

测线布置：图6、图7为测线布置图，冲击映像布置按照0.5m间隔的网格布置检波器位置；面波测线检波器间隔0.5m，激发偏移距2.0m。

3.4数据采集操作步骤

现场准备：检查测试仪器是否齐全完好，并对需要进行测试的场地进行清理。检波器设置：以确定的勘测点为基准点，每间隔0.5m布置一个检波器，将检波器及加工的连接部分平整放置于底板上（图9）。激发：使用质量3～4kg左右的锤子用力敲击结构底板作为震源（图10）。

采集信号：激发产生的震动能量以面波的形式

沿地表面一定深度的地层向四面传播，垂直速度检波器接收到信号并传送给小型地震仪，记录完毕后，进行下次锤击，依次类推，直至完成该点的检测任务（图11、图12）。

3.5采集工程

管段东、西段各设置一套检测系统，每个系统按照0.5m间距布设检波器进行冲击映像法及高密度面波勘探。

3.6原始数据的质量保证

从数据采集和数据处理两个方面压制噪音以确保数据质量。数据采集：数据采集时，尽量避免移动检波器，每个测线的记录，保持在不同注浆量同样状态下进行；采集时尽量避免人员的走动、机械的运转等噪音。数据分析采用波形处理及小波处理相结合的方式进行判断。通过以上措施最大限度地保证了数据的质量。

4　检测结果

现场试验结果表明，通过波形的可视化处理及小波处理相结合的方式，冲击映像法能够及时地掌握注浆效果的分布状况，通过高密度面波勘探可以定量化地评价注浆效果，主要结果见图13。

其中西侧管段冲击映像法中判断为密实（Line-1）及不密实（Line-2）的两段高密度面波拟剪切波速度分布，比较注浆前及注浆后的剖面拟剪切波速度分布可以看到，注浆前结构分为混凝土、饱和土、碎石、淤泥层；注浆后混凝土下部饱和土、碎石波速明显提高。比较Line-1及Line-2的高密度面波结果，可以认为，注浆效果均达到良好，Line-2的剪切波速度略低于Line-1。

经检测，海河隧道沉管段基础最终累积沉降1.4cm，远远小于设计值10cm，达到了设计及相关规范要求。

5　结论

冲击映像法在沉管法隧道基础检测中可以现场快速地反映出浆液的扩散、填充情况，有利于注浆过程中对浆液动态控制。利用冲击映像法、表面波探测相结合的方式对压力注浆充填效果进行综合评价，把握压力注浆的充填效果，以保证基底受力均匀，减少不均匀沉降对管段结构主体和接头的影响。

［1］ 王艳宁，熊刚.沉管隧道技术的应用与现状分析［J］.现代隧道技术，2007（8）：1-4

［2］ 陈韶章，陈越，张弥.沉管隧道设计与施工［M］.北京：科学出版社，2002.

［3］ 管敏鑫，严金秀，唐英.沉管隧道技术在我国的应用［J］.岩石力学与工程学报，1999，18（增）：1000-1004.

［4］ 上海市建设和管理委员会科学技术委员会.外环沉管隧道工程［M］.上海：上海科学技术出版社，2005.

［5］ 郭建文.海河沉管隧道注浆基础施工工艺试验研究与应用［J］.铁道标准设计，2013（6）：105-108.

［6］ 李秀华.中央大道海河沉管隧道基础注浆施工技术［J］.国防交通工程与技术，2013（4）：55-59.

Application of Impact Image Method in Inspection of Large-scale Immersed Tube Tunnel Foundation

YUAN You-wei，WANG Yan-ning

（Tianjin Municipal Engineering Design&Research Institute，Tianjin 300457，China）

The methods for foundation treatment of immersed tube tunnel are widely applied，roughly including scratching and paving method，pile foundation method，sand blasting method，sand flow method，capsular irrigation method and slip casting method.Among which，sand blasting method，sand flow method，capsular irrigation method and slip casting method belong to back-filling methods，that is，place the immersed tube section well，and then try to fill the gap of tube section and foundation ditch.How to guarantee the uniformity and denseness of foundation treatment is one of key points for the whole immersed tube engineering.Relying on Haihe tunnel engineering in central road of Tianjin Binhai New Area，the discussion on the most advanced inspection technology of impact image method at home and abroad is made，the basic principle and operation procedure of this kind of method are elaborated，thus providing reference value for similar engineering.

Immersed tube tunnel；Foundation；Impact image method；Inspection

U455

B

1673-6052（2016）09-0058-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.09.015