基于三维流速矢量声纳技术在地铁施工水文检测中应用

田闯

摘    要：轨道交通建设风险主要集中在地下工程施工环节，而地下工程施工需要解决的核心问题即是水的问题。各种不同地质条件下，处理好地下水压力、渗、漏等问题，基本可杜绝大部分施工风险。三维流速矢量声纳技术就是基于对地下流动水体在各项参数进行量化，可准确判断水的来源、去向、流速、流量，从而为地铁施工地下水治理提供技术支持和指导。

关键词：三维流速矢量声纳技术;检测;地下水治理;技术支持

1  引言

三维流速矢量声纳技术虽然有众多优点，但该技术也有一定的局限性，如受地面环境限制，无法按需求布设声测孔;如受地质条件的多样性及施工工况复杂性影响，止水结构迎、背水面在水头差的作用下存在临界止水平衡，上述工况下三维流速矢量声纳技术可能会对结构或地质止水效果产生误判，增加施工过程中的渗、漏水风险。现以南宁地铁车站止水结构检测及暗挖联络通道施工为例，浅谈三维流速矢量声纳技术在渗漏检测中的应用，并对其检测效果进行验证分析。

2  三维流速矢量声纳技术检测原理

声纳渗流探测技术，是利用声波在水中与其他介质不同的传播特性，通过声纳探测器，接收声波并进行分析，实现对水流速度场的测量。如果被测水体存在渗流，则必然在测点产生渗流场。声纳探测器阵列能够精细地测量出声波在流体中能量传递的大小与分布，依据阵列测量数据的时空分布，即可显示出渗流声源发出的方向，同时利用渗流声源方向上的声纳探测器与探头顶部声纳探测器的距离和相位之差，分析可得渗流场的水流流速。

3  地下水检测应用

3.1  车站概况

轨道交通3号线金湖广场站位处南宁市金湖路与民族大道交叉路口北侧，站长150m，标准段宽25.1m，基坑深度30.8m，该站为地下四层双柱三跨结构，采用明挖顺筑法施工。车站支护体系采用1200mm地下连续墙（65幅）+内支撑体系，地连墙平均深度约42m，嵌入泥质粉砂岩7-8m。车站主体基坑地层从上到下依次为：①1圆砾填土、②3-2粉质粘土、③1粉土、④1-1粉砂、⑤1-1圆砾、⑦2-3泥质粉砂岩，砂层及圆砾层厚度达8.5m。车站底板位于⑦2-3泥质粉砂岩中。该地质条件下，地下水变化、土体受扰动等对地面沉降具有显著影响。该站周边高大建筑众多，基坑施工风险巨大。为准确掌握围护结构闭水效果，在基坑开挖前及开挖过程中，采用了三维流速矢量声纳技术对地连墙渗、漏点进行检测，有效避免基坑开挖过程渗、漏水的发生。

3.2  三维流速矢量声纳法布点检测

金湖广场站主体地连墙施工完成，在对其闭水效果进行初步评估后，在疑似存在渗、漏及质量缺陷范围采用三维流速矢量声纳法进行检测。基于安全考虑，后续对所有地连墙接缝进行了渗、漏检测。

前期地连墙施工时未预留声纳检测孔，后期于地连墙接缝距离墙外壁0.5m～1.5m补打检测孔，探孔深入岩层以下2m。基坑内水位降低至开挖底板以下时，内外水头差约25m～30m。人为创造渗流条件，有利于对地连墙接缝位置地下水文情况进行检测。

3.3  数据采集分析

各测量孔渗透流速声纳测量数据包括：原位测量孔内每米渗透流速、渗流方向、渗漏流量及渗透系数的分布数据。

单孔平均渗漏流速大于2.0E-04cm/s为渗漏流速超标孔，表中标记红色坐标位置的渗漏点渗漏流速大于参照标准，后续采取措施补强加固孔，并对加固后的渗漏效果进行验证复测。根据声纳渗流数据，绘制流速等值线如图1所示。

声纳检测结果与基坑施工前渗漏风险分析结果基本一致，基坑开挖施工前采取注浆措施进行堵漏加固处理。处理完成后，根据复测结果，基坑开挖渗漏风险基本消除。

4  基坑开挖完成后止水效果验证

4.1  暗挖通道地下水文情况检测分析

4.1.1  暗挖通道施工概况

轨道交通3号线青竹立交站-青秀山站区间（青-青区间）长749.77m，区间中部设一条联络通道，该联络通道长26m（左右线间距），埋深33m，位于青秀山西北部青秀湖公园半坡位置，根据施工图设计，该联络通道辅助降水采用暗挖法施工。根据地勘报告，联络通道所处地层为⑦2-3及⑦3-3泥质粉砂岩，地质、水文情况较好，适合采用暗挖法施工。青-青区间左、右线贯通后，于联络通道范围开孔检测地下水情况，发现水量较大，且具备承压特点，与原地勘设计误差较大。遂决定在区间内部及地面补勘并采用三维流速矢量声纳法探明地下水补给方式、流向、流量等特性，以作为暗挖施工前对地下水处理的依据。

4.1.2  三维流速矢量声纳法布点进行水文检测

根据现场施工实际情况，为准确判断地下水文情况，声纳检测采用地面与区间相结合方式，利用地面降水井、左线区间隧道探孔对地下水补给、流向、流量等指标进行判断。

地面声纳检测孔布置声纳检测，该联络通道位于青秀湖半坡位置，声纳布孔无法对称于联络通道两侧均匀布设，只能利用原有降水井对地下水文变化情况进行检测。本次联络通道顶部地面位置共布置6个测量孔，孔深为24m～45m，受限于降水施工，抽取1、2、4、5、6孔位进行检测，声纳检测孔平面布置如图2。

根據图2可知，2#孔流量最大，为6.67E+02cm3/s;3#孔流量最小，为4.62E+01cm3/s。2#、5#、6#相对流速较大，特别是2#在68m高程有2.1E-03cm/s的渗透流速;6#在72m高程有1.52E-03cm/s的渗透流速，具有很明显的裂隙渗漏通道特征，其主渗流方向来自东北方向的青秀湖，为需要重点加固处理的位置。

4.2  区间联络通道暗挖及地质素描

地表、联络通道声纳检测结果基本一致，根据声纳检测及地勘情况分析，认为联络通道范围主要为地下裂隙水，由青秀湖补给，水量约7方/小时。通过地面降水、区间引排可满足暗挖施工。暗挖过程每个断面进行地质素描，验证声纳检测是否与实际相符。

由地质素描图可知，青青区间联络通道距左线1.5m断面范围地质情况变化明显，起拱线范围以上，⑦2-3变为夹层。2.5m至26m范围，起拱线以上1m范围，⑦2-3、⑦3-3逐渐变为夹层。虽然泥质粉砂岩、粉砂岩及泥岩本身透水性差，但岩层变化区域存在裂隙发育，导致地下水沿裂隙渗流至联络通道，对施工造成了一定影响。开挖过程，该范围地下水渗流较大，在采用提前钻探、提前引排等措施后，成功完成了该段联络通道暗挖作业。

4.3  联络通道渗漏水与检测情况对应性分析

根据地质素描图及实际暗挖施工情况，联络通道断面地质情况变化以及裂隙发育，主要位于起拱线范围以上约1m范围，按时钟点位划分，主要位于10点～3点范围。渗漏水点主要集中在断面右侧3点钟位置，地下水流向由青竹立交站往青秀山站方向。实际施工情况与声纳检测对地下水文状态判断基本相符，验证了声纳检测对地下水文变化判断描述的准确性。

5  总结

南宁轨道交通建设于3号线开始把三维流速声纳检测技术应用在地铁施工中，通过实际效果判断，在地下水存在水头差流动的前提下，基本能够准确的检测并描述地下水文情况，为采取处置措施提供技术支持。但在止水结构处于临界平衡状态时，三维流速声纳检测结果显示止水性能良好，但无法对结构止水稳定性进行判断，在后期施工扰动时可能出现涌水涌砂风险。总体来说，三维流速矢量声纳技术应用于深基坑、地下结构施工，有利于对地下水文情况预判，能够预防并避免较大涌水情况的发生。

参考文献：

[1] SL713—2015.水工混凝土结构缺陷声纳渗流检测技术规程[S].

[2] T/CDSCA305.23.2017.水下工程声纳渗流检测技术规程[S].

[3] Q/320111NJDB 001-2016.三维流速矢量声纳测量方法[S].

[4] 止水帷幕缺陷声纳渗流施工工法》江苏省工法.