管片背后注浆质量无损探测汇报材料.pptx

1 引言v 盾构法（shield tunnel method）施工技术经历了近两百年的发展，已经是一项相当成熟的施工技术，目前已经成为在软土（饱和软粘土、淤泥质软土、粉质粘土，甚至饱和沙质粉土、粉质沙土等）中施工隧道的一种主要手段。但是在软土和砂卵石地层中施工引起的后期沉降控制常常导致周围地层发生过大变形，甚至地层塌陷，亦影响到了线路周边建构筑物安全。尤其是在大城市进行这样大规模的地铁以及地下隧道的建设，势必要求其在施工以及运营过程中保证其结构的安全性，同时最大限度的减小因施工而产生的对周围环境的影响。v 盾构隧道的掘进开挖引起的对周围环境的影响主要根源于盾构隧道的开挖所引起的水土流失和对原状地层的扰动，导致隧道附近土体沉降、变形的发展，进而导致周邻建（构）筑物（道路、地下管线、高架、立交和已建地铁）沉降、倾斜、开裂等等不良影响问题，甚至安全问题。盾构隧道引起的地表沉降分为五部分：盾构到达前的地表沉降S1，盾构到达时的地表沉降S2，盾构通过时的地表沉降S3，圆形管片结构变形引起地表沉降S4，地表后期固结沉降S5。而其中S3引起的沉降占总沉降量的20-100%，是影响地表沉降最主要因素。引起原因是由于盾构机的外径大于管片外径，盾尾过后，留下来的空隙就需及时充填。但是往往因盾尾壁后注浆没能及时填充盾尾空隙，或是注浆不当，盾尾空隙中的浆液厚度环向分布不均（拱部薄），充填不实有空隙，未能形成环箍。进而软土在不能形成有效承载拱情况下就自行填入盾尾空隙，土层应力释放，盾顶地层下沉。v 管片背后注浆由于浆液的流动性、泌水性、渗透性、稳定性等，以及隧道所处地层的特性，浆液在管片背后的分布形态不均匀，且极易沿着某些溢浆通道流失，导致注浆量大，注浆压力不够。因此管片背后注浆效果进行检测是必要的。但从目前国内外公开发表的文献来看，对壁后注浆效果还缺乏切实可靠的检测手段，仅见同济大学提出采用探地雷达对管片背后注浆效果进行测试研究，尚不能对其可靠性、适用性进行验证。v 我公司从2006年依托成都地铁1号线项目开展对管片背后注浆效果测试进行阶段性研究，主要研究内容：探地雷达检测管片背后注浆效果研究；管片背后注浆效果无损检测方法选取与效果评价。鉴于我们对探地雷达在检测管片背后注浆效果研究工作较多、探测效果较好，作主要介绍。2 管片背后注浆质量无损检测要求v 进行管片背注浆质量无损检测目的主要有两个：（1）探测目标段同步注浆厚度及缺陷情况，评价同步注浆效果，为二次注浆提供依据；（2）对不同注浆材料、注浆压力及注浆方式所对应的注浆效果评价提供检测结果依据（此项为后续研究）。要求所采用的无损检测方法应满足以下几方面的要求：（1）良好的穿透性，应该能够探测到注浆体厚度以及缺陷异常（空隙、囊包等）。（2）不受各种设备的影响（隧道内部的架空线路，各种通讯线路等等）。（3）抗环境干扰能力强，不受隧道内气候条件的影响。（4）设备及探测方法本身对人员无危险。（5）实时处理，迅速得到结果。v 探地雷达以其分辨率高、速度快、无损作业等优点，且相对探测深度范围大（几厘米到几百米），因而在管片背后注浆质量检测方面被优先选取。3 探地雷达探测原理v 在检测范围无大量铁磁性物体干扰的情况下，主要采用探地雷达电磁波的反射原理进行测试：高频电磁波以宽频脉冲的形式，通过发射天线定向送入地下，经过存在电性差异的地下地层或目标体的反射后返回地面，由接收天线接收。高频电磁波在向下传播时，其路径、电磁场强度以及波形等将随所通过介质的电性性质及几何形态的变化而变化。因此，通过对时域波形的采集、处理和分析，可以确定地下界面、地质体的空间位置及结构。其测试原理和基本组成如图1所示。图1 地质雷达探测原理图v 探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术。其利用天线向地下发射电磁脉冲，并接收由地下不同介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质（如介电常数r）及几何形态的变化而变化。v 根据接收到的回波时间、幅度和波形等信息，可判定地下介质的结构与埋藏体的位置与形态。v 脉冲波的走时为：3 管片背后注浆质量可探性v 探地雷达使用电磁波理论，根据不同介质其介电常数具有差异性，对应的电磁波反射在传播路径、电磁场强度、反射波走时、幅度等有不同特性，据此来推断介质的结构和界面的位置。v 探测目标体（水泥砂浆凝固体）与管片（C50钢筋砼）、围岩层（砂卵石层）介电常数差异较大，故雷达信号在界面存在较强反射，以此来探测注浆体厚度分布和注浆缺陷部位是可行的。但由于为圈闭空间，且存在金属管线、电线，盾顶城市地下管线，干扰信号较多，需要滤除和压制杂波。4 探测方法v 采用瑞典RAMAC雷达及500MHz屏蔽天线，剖面法进行探测。测试结果用地质雷达时间剖面图像表示，其横坐标记录了天线在地表（或衬砌面）的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经过地下界面反射回到接收天线所需要的时间，再利用选定的介电常数就能计算出地下目标体的深度位置，如下图所示。图2 雷达时深剖面图5、人员配置与工作进展v 从2006年我们对此项目开展研究，主要研究人员如下：v曹大明：隧道及地下工程专业 高级工程师v丁安吉：地质工程 教授级高级工程师v王荣劲：采矿工程 工程师v温佐彪：勘查技术与工程 助理工程师v黄 亮：地球物理 助理工程师v 项目以成都地铁1号线盾构标为项目依托，先后分5次深入现场，对5段采用探地雷达进行了探测。通过多次试验，数据处理和分析，获得了初步成果，我们实践认为采用探地雷达进行管片背后注浆质量探测是可行的。6、探测实例v 现以2009年1月19号成都地铁1号线盾构标火车南站至桐梓林区间1135环（管片宽度1.5m）探测结果为例进行说明。1）区间工程概况v 成都地铁1号线火车南站至桐梓林区间左线采用土压平衡盾构施工，施工工艺流程如图2所示，2007年9月始发，2007年12月贯通。盾构使用海瑞克土压平衡式盾构机，盾构机外壳直径6.28m，总长8.5m。盾构机主要由盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机等设备组成，如图3。图图3 盾构机施工图盾构机施工图v 本区间段地处二级阶地,盾顶埋深8.0m左右，地下水主要为卵石层孔隙潜水，富水性较好，透水性强，常水位地面下5.0m。特殊岩土为软土及泥岩，泥岩具弱膨胀性（详见工程地质纵断面图2）。隧道围岩主要岩性为第四系松散岩类，工程地质环境较差。v 自上而下地层情况如下：v（1）人工填土层，层厚1.06.4m；Q4软土，饱和，软塑，仅靠火车南站附近分布，层厚1.1m。v（2）Q4粉质粘土，可塑，仅局部分布，层厚1.2m；Q4粉土分布不连续，层厚1.3m；Q3粉质粘土，局部见粘土，可塑，层厚0.45.25m。v（3）Q3粉、细砂呈透镜状分布于卵石层中，层厚0.52.0m。v（4）Q3卵石土，稍密密实，饱和，层厚7.817.24m。钻探及探井发现漂石含量5-15%，颗粒粒径最大达420mm。盾构隧道在该层穿过。v（5）下伏基岩为K2g 紫红色泥岩，极软岩为主，中厚层状，基岩埋深14.523.5mm，强风化带一般厚7.08.0m，厚者达十余米，基岩风化程度不均。2）现场数据采集v 对所选区段主要进行纵向探测。本工程中所采用的注浆材料成分主要为水泥砂浆，已超28d龄期。根据同济大学所做的关于注浆体介电常数试验，推测其介电常数为：18。本次探测布置测线7条（由于e测线处有施工供电高压线未能进行探测，实探6条。）每条测线长度为200m，测线布置如图4所示：图4 雷达测线布置图v本次探测采用瑞典的RAMAC雷达，参数设置如下：v采样时窗：48ns；v采样道数：3600；v采样点数：1024；v叠加次数：4；v触发方式：时间采集。3）数据处理v 雷达数据处理的目的是压制随机的和规则的干扰波，最大限度地提高雷达剖面的信噪比，提取电磁回波各种有用参数，用来解释不同介质的物理特征。探地雷达数据常规资料处理的主要流程图如图5。v 由于地下介质的复杂性和噪声干扰，此次数据处理我们还是多采用数字滤波、信号增益以及小波变换等方法，最后得出的结果也比较理想。图图5 雷达数据常雷达数据常 规处理流程图规处理流程图v 利用上述雷达数据处理方法，将现场所采集数据处理后得到如图6所示剖面图（3-15环）。从图中可以看出，通过数据处理后得到的雷达图像能很清楚地识别出隧道壁后注浆体的分布，第四道反射波即为浆液的界面位置。从图上看，隧道管片与注浆体的界面，注浆体与围岩的界面都非常清楚。以层速度分析时，取电磁波在管片（钢筋混凝土）中的传播速度为0.12m/ns,第3道反射波即为管片外表面与注浆体之间的界面，深度坐标显示其深度为0.30，与管片实际厚度非常一致。图6 实测雷达剖面图图7 同济大学雷达探测试验剖面图同济大学雷达探测试验剖面图v 将所得图像与同济大学所做关于壁后注浆的雷达探测试验图像（图7）相比较，实验所得图像更接近于理论波形，同相轴连续，无干扰信号，而实际探测中由于天线的晃动以及隧道内的干扰信号等因素，导致所得图像波形同相轴会出现扭曲断裂等现象，但仍可以看出两者波形特征基本一致，反射层信号清晰，能清楚看出注浆厚度变化趋势，由此可以判断我们本次所做探测是十分有效的。3.1 注浆厚度探测分析v 理论上隧道壁后的建筑空隙厚度为：vh=(D-d)/2=(6.28-6)/2=0.14m；v 考虑到外置注浆管、盾壳刮土效应、盾构纠偏以及曲线推进等因素影响，实际的壁后存在的空隙量应为0.14m0.20m左右。v 我们现截取a、b、e3条测线中60-120m(40-80环)的数据作注浆厚度分布图（图8a、b、c）。以整体注浆等值线图（图9）和单测线厚度分布图为例，从图上可以看出隧道壁后注浆还是比较均匀的，最大注浆厚度约为0.22m，最小注浆厚度约为0.1m。图8a a测线（40-80环）注浆厚度分布图8b b测线（40-80环）注浆厚度分布图8c e测线（40-80环）注浆厚度分布图9 整体注浆厚度（40-80环）等值分布图3.2 注浆缺陷探测分析v 由于本次探测范围较小，故未发现明显的注浆缺陷区域，但通过对同济大学所做的注浆空隙雷达探测试验得出的图像进行分析（图10），可以看出电磁波在管片中的传播特征很清晰，在图中圆圈所画位置出现同相轴明显不连续现象，顶部形成近似双曲线形态，这是圆形空洞在雷达探测中形成的比较典型特征，在以后的探测中可以以此作为解释的参考依据。图10 空洞试验雷达图像6）结论v 通过在成都地铁盾构隧道的实践应用，说明探地雷达探测管片壁后注浆效果时可以取得良好的效果。与其它物探检测方法相比，利用探地雷达盾构隧道注浆效果检测,具有省时、省力且更为科学的优势，通过对探地雷达实测图像进行分析处理，可较为准确地确定注浆体分布、缺陷及其厚度。实践表明,在探测工作中选取适当的天线频率、采用多频段工作频率进行组合探测及适当地加密采样点距,更有利于精确确定探测目标体的分布和缺陷位置。汇报完毕，谢谢大家！