应用地震层析法评估连续墙的施工质量

目前地铁施工中广泛应用连续墙技术，它是一种先进的、多用途的围护结构方案。对于在明挖基坑中修建地下车站来说，连续墙既是承载结构又是防渗漏的结构。连续墙方法的实质是：借助黏土泥浆的保护，在沟槽内建立垂直的连续墙，包括用挖土机挖出沟槽、下放绑扎好的钢筋笼和向沟槽内灌注混凝土（图 1）。

采用连续墙方法实际上可以建造任意深度的基础和地下结构。通常结构的深度仅受挖土机作业可能性的限制。这一方法可以在各种地质和水文地质条件下，在没条件采用咬合桩和其他护壁结构的条件下，以及在不能采用降水法和冻结法的条件下使用。此外，当地下水位很高、结构深埋于强度大和不透水的地层中，以及地下结构深埋、施工场地狭窄的情况下，连续墙法也能得到有效利用。

当人们列举连续墙法的广泛用途及其各种优点之际，不得不坦率地指出，这一方法存在一个不可忽视的缺点，即灌注连续墙的混凝土无一例外是按“盲式”进行的。因此有可能产生墙体的个别部位被含有土壤夹杂物的混凝土占位的不良情况。这种情况的发生，可能是由于沟槽侧壁土壤在灌注混凝土时发生局部破坏；此外，混凝土在凝固前受含水地层的“潜蚀”作用导致混凝土强度的降低（图 2）。

修建连续墙的这些不利因素，问题严重时可能导致基坑开挖时墙体突然失稳；问题不太严重时，可能导致墙体的局部破坏，由此产生地下水渗漏，影响工程质量和施工安全。

因此在开挖基坑之前，预先调查连续墙的施工质量，评估其连续性，确定薄弱区的位置和混凝土强度降低的区域，以便在基坑全面开挖之前采取补救措施，加固墙体结构，治理渗漏部位。

目前检查建筑物的施工质量广泛应用地球物理方法和非破损检查诊断法，例如“内窥法”，利用地震声波、超声波、电磁波、X 光射线、热射线等，观察物体内部。内窥法可分为阴影法和定位法：阴影法是采用地震声波和（或）其他波或射线，透视被研究物体；定位法是利用地震声波和（或）其他波在被研究物体内传播时对内部边界和非同性体的反射。

图 1 连续墙的施工（单位：mm）

图 2 墙体个别部位被质量不佳的夹土混凝土占位

检查连续墙施工质量最有效的方法是，研究地震声波在钻孔之间连续墙中的传播。具体地说，在二维地震层析图中研究弹性波传播的动力参数与混凝土强度特性的关系。这种方法简称为“钻孔间地震层析法”。

钻孔间地震层析法是在 1 个钻孔中激发弹性振动，而在另 1 个钻孔中接收振动。为此，在绑扎钢筋笼时要仔细地把其中填满充填物的金属导管（或塑料导管）绑扎在钢筋笼上，与钢筋笼一起下放到沟槽内，当混凝土灌注完成后，取出导管中的充填物，起到钻孔的作用。为了获得便于诠释的高质量数据，根据经验，钻孔间的距离应取 5～15  m。测试工作完成后，钻孔用混凝土灌满。

在钻孔间地震层析法的研究实践中，根据具体任务和条件采用不同的观测系统。照例，为了解决提出的任务，采用扇形观测系统，保证了研究工作中的必要细节。扇形观测系统中钻孔之间声的传播是按 2 个相对方向实现的（图 3）。

钻孔研究数据的处理和解释分成 2 个基本阶段：①通过对地震层析图的处理，建立层析速度与密度的剖面；②分析连续墙的连续性，评价混凝土的强度。

记录地震的地震图是处理数据的基础。这些记录是从离散的激振源位置上取得的（图 4）。

根据处理的结果建立了大量依次排列的层析图数据，它表示入射的纵波弹性振动在激振点与接收点之间的物体上走行全部时间的总和，也考虑了与每个激振点、接收点位置相应的空间坐标。

钻孔间墙体地震调查的层析图数据处理结果最终归结为，得到了描述入射纵波在被研究物体中速度分布特点的运动剖面（图 5、图 6）。

基于纵波速度与受压强度极限值之间的相互关系，根据速度分布数据确定强度。在理想的弹性小变形作用范围内，被研究材料的纵波速度是不变的（与频率无关）。这一特性可以用来解释纵波速度Vp（频率从 1  Hz到 2～5  kHz）地震量测结果，这是在实验室应用超声波（频率在几十到几百千赫兹）对试样测定的结果。基于超声波速度和混凝土强度之间的相互关系公式，可以根据钻孔之间地震声波传播的数据，确定地震波速度，评估连续墙混凝土的强度。

图 3 应用地震层析法研究连续墙结构的连续性（单位：m）

图 4  展示钻孔 6B 在深度 8～30  m 范围内的入射波与反射波的地震图（震源在钻孔 7B 中，其深度距离连续墙上端 0.3 m）

图 5 地震层析剖面：异常的低速度与基坑开挖后的目测研究资料的对照实例 1

抗压强度是衡量混凝土质量的主要指标，据此确定混凝土的实际等级，进行与此相符的设计。

在测得抗压强度极限分布的层析剖面图的基础上，初步查明了强度特性降低的部位，定量地评估强度参数降低的水平。

在上述实例中，展示了混凝土强度参数分布剖面（图 7），它是根据地震层析剖面图的数据计算出来的。

在钻孔 2A、3A、4A 之间的剖面图上，圈出 2 个强度指标降低的部位（用符号圈出），被圈出的部位混凝土强度在 17～20  MPa 之间，在钻孔 6、7 之间的剖面图上，圈出 2 个强度指标降低的部位（用符号圈出），被圈出的部位混凝土的强度在 16～20  MPa 之间。在这种情况下，无论是在钻孔 2A、3A、4A 之间，还是在钻孔6、7 之间，墙体强度估计平均不低于 25  MPa。因此，由这些资料可以看出，所揭示的速度异常区的面积尺寸和局部特性，强度降低的梯度大小，都不致于影响到连续墙的整体结构能力，但是它们的存在要求在开挖基坑时引起注意，并做好对这些部位加固的准备。

到目前为止，应用地震层析法检查了圣彼得堡地铁若干车站的连续墙结构总长 1  750  m。检查结果表明，总的来说，已经高质量地完成了所有连续墙的施工，同时也揭示了个别面积不大（1～2  m2）、性质不太严重的质量问题。连续墙局部速度异常区，表现为墙体局部被含有土壤夹杂物的混凝土占位；混凝土强度降低区可能是由含水地层的“潜蚀”作用所引起。速度异常区的存在，大多数为基坑开挖后的目测所证实，以后必要时应对施工质量欠佳的部位采取结构加固和防渗漏的补救措施。

图 6 地震层析剖面：异常的低速度与基坑开挖后的目测研究资料的对照实例 2

图 7 钻孔2A、3A、4A之间和钻孔6、7之间的连续墙层析剖面实例