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第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY riprap detection; ground penetrating radar; high density resistivity ; rotary drill 海堤建造过程常需要在堤角位置附近铺设块石 镇压层，经长期的水力冲刷与河道变迁，块石逐渐 被掩埋于地下，了解隐伏块石平面分布、埋深及厚 度等信息，对桩基施工有重要的指导意义。地下块 石探测技术主要有钻探法与物探法两类，前者结果 准确直观，但在隐伏块石空间分布不均匀的情况下 需要加密钻孔间距，具有较大的盲目性。后者多用 于地质剖面的连续性探测，可反映孔间介质的物性 变化特征，但物探方法具有多解性，异常的解译常 需要借鉴钻探成果资料。常用近地表工程物探手段 主要有高密度电法[1-2]、地质雷达法[3-4]及地震映像 法[5-6]。高密度电法适用于一定规模的高低阻异常体 探测，抗干扰能力强，但探测分辨率较低，要求浅 表部介质具有较小的接地电阻；地质雷达法探测精 度与效率最高，但易受邻近电磁源及金属物体的干 扰，对场地平整度要求较高；弹性波法可在小偏移 距条件下获得较深部介质的异常信息，抗干扰能力 较地质雷达高，但其检波器需要安置于较密实的黏 性土层当中。3 种方法原则上均可用于浅表隐伏块 石探测，实际探测过程中受场地观测条件所限，这 几种物探方法的适应性仍存在较大差异。 葛双成等[7]结合地质雷达、地震映像法及瑞雷 波法探明了浙东某海堤块石层的分布范围及埋深， 结果表明地质雷达效率高，地震映像法与瑞雷波法 分别具有较高的横纵向分辨率。宋华等[8]采用二维 时间域有限差分法FDTD模拟了海堤块石底界面 在不同海水浸没深度下的地质雷达探测效果，并就 海水对探测结果的影响进行了评估，提出了修正块 石底界面电磁异常深度的方法。余金煌等[9]研究了 高密度电法不同装置类型下用于水下块石层探测的 正反演计算成果， 结果表明温纳装置抗干扰能力强， 横向分辨率最高，更适于圈定水下块石宽度范围。 戴豪等[10]运用小波阈值去噪技术处理雷达块石断面 图，提升了块石边界电磁异常的清晰度，并根据雷 达探测成果估算了块石方量， 误差率小于 4。 高景 泉[11]将钻探技术与地质雷达相结合用于海堤块石底 界面探测，并以此为依据剖析了海堤沉降的原因。 施有志等[12]将三维地震映像技术用于地铁盾构区域 的孤石探测，数值模拟与实际分析表明土层中的孤 石具有反射波振幅增强、频率变低、同相轴类似短 弧形且伴随震荡现象的异常特征。 报导的文献多专注于已出露成片块石的界面探 测分析，综合论述不规律隐伏块石的勘察与桩基施 工技术还未见报导。本文将地质雷达与高密度电法 相结合，结合现场测量精确放样，在物探异常区域 辅以浅孔钻验证的综合勘察技术，有效探明了某闸 站桩基施工区域地下块石的空间分布。根据勘察成 果，采用以旋挖钻为主的桩基施工方案，通过土方 分段明挖回填、改进旋挖钻钻头等方式，高效解决 了地下块石空间分布不均匀、粒径差异大等情况下 的桩基施工难题，以便为相似工程地质条件下桩基 工程的快速施工提供有益参考。 1 测区地质概况及勘察方案设计 马海闸站拟建于曹娥江老堤附近，前期钻探资 料显示闸址区在深度 40 m 范围内土层自上而下依 次为砂质粉土、含泥粉砂、淤泥质土及粉质黏土。 闸室浅部无适宜的天然地基持力层，水闸闸基拟采 用灌注桩基础。因局部钻孔曾于砂质粉土层中揭露 碎石，埋深多小于 7 m，考虑到地下块石对桩基施 工的影响，决定在施工图设计阶段桩基坐标确定后 对闸址碎块石分布的总体特征进行详查。为提高勘 探精度，拟采用地质雷达与高密度电法等物探手段 为先导，网格状分布钻孔孔深约 10 m相结合的综 合勘察技术。测区设计物探测线 5 条，为减小来自 海塘的电磁波反射干扰[13]，测线均平行海塘方向布 设图 1；除 D5D5′为高密度电法测线外，其余均 为雷达测线。设计钻孔 15 个，对应编号 ZKB112 ZKB126，方格网控制，孔间距约 14 m；同时结合 物探成果异常区域有针对性的加密钻孔，实际完成 钻孔 26 个，最小孔间距约 3 m。 2 物探方法原理及成果解释 地质雷达法与高密度电阻率法均属于电法勘 探，高密度电阻率法是将几十伏至数百伏的直流电 供入地下电压高低视介质电阻率及探测深度而 定，通过测量各电极的电位，采用特定的装置系数 换算不同深度介质的视电阻率， 最后经过反演计算， 推测地下介质电阻率分布规律的方法。该方法要求 电极附近具备良好的接地条件，抗干扰能力强，其 探测深度及分辨率与电极距相关，多用于地下百米 范围内介质间具有一定电阻率差异的工程探测。地 质雷达法采用偶极天线将高频电磁波传入地下，并 通过高灵敏度传感器接收来自介质间的反射电磁 ChaoXing 第 6 期 李俊杰等 桩基工程隐伏块石探测技术研究 189 图 1 某闸站物探测线及钻孔布置图 Fig.1 The layout of geophysical survey lines and boreholes 信号，最后通过分析反射波振幅、频率及相位的特 征来推测地下地质异常体性质及分布规律。该方法 探测深度及分辨率与天线主频相关，可用于与周围 介质存在介电性差异的小尺度地质体的精细探测， 其数据采集效率高，但抗干扰能力弱且在低阻介质 中探测深度较小。 土体介电常数取值直接决定异常体的埋深，文 献[14]研究表明可塑性黄土介电常数的取值区间为 2027，考虑到测区浅表部以粉土夹粉砂为主，文中 雷达介电常数取 25。此外，受直达波影响，100 M 天线地质雷达在时间 50 ns 以内常呈现出强烈的水 平背景信号雷达探测盲区，经数据处理后水平信 号仍有较多残留， 50 ns 以内的电磁信号难以判断是 否为有效异常，故对电磁波异常特征的分析主要针 对于时间大于 50 ns 的区段。 图 2 中 4 条地质雷达测线探测成果，对应电磁 异常特征与地质推断见表 1。如图 2 所示，除测线 D3D3未见孤立状或成片状对比度较强的异常区 外，其余 3 条测线雷达剖面局部区域均出现不同程度 的多次强反射信号， 其中测线 D1D1′在里程 07 m、 深度 1.83.0 m时间 60100 ns区域多次反射波频 率偏低，经钻孔 ZKB117 验证土体中不含块石。此 外，测线 D1D1′在里程 51 m 附近时间大于 70 ns 区域、 测线 D3D3′在里程 2529 m、 深度 1.83.6 m 时间 60120 ns区域及测线 D4D4′在里程 5058 m、 深度 1.82.4 m时间 6080 ns区域均出现类似双曲 线半支的倾斜状多次强反射信号，但钻孔 ZKB114 与 ZKB131 在异常中心位置均未揭露块石，表明此 类电磁异常并非由隐伏块石造成。 综合 4 条雷达测线成果分析可知，块石引起的 雷达电磁异常多呈孤立状，振幅强，伴随一定程度 多次反射，异常横向上连续性差。 表 1 4 条地质雷达测线成果分析与地质推断 Table 1 Anomaly characteristics of ground penetrating radar and corresponding geological inference 测线 电磁异常特征 地质推断 D1D1′ 里程11 m与里程17 m附近存在小范围的孤立异常图2a 方框标注， 振幅强， 伴随轻微多次反射 土体中含零星块石 D2D2′ 里程62 m、深度1.92.4 m 区段图2b 方框标注振幅强，伴随多次反射 土体含块石 D3D3′ 深度1.83.6 m时间60120 ns、区域波形总体较杂乱，但与周围介质对比 度强烈的强振幅异常区相对较少 土体不含大型块石 D4D4′ 里程07 m、 深度1.83.0 m时间60100 ns以及里程3133 m、 深度1.52.1 m 时间5070 ns区域如图2d 方框标注振幅强，伴随明显的多次反射 土体含块石，粒径较大 图 3 为测线 D5D5′电法探测成果。 如图 3 所示， 探测区域内地下电阻率普遍偏低小于 150 Ωm， 表明 地下介质以土体为主，深度 03 m 电阻率多大于 50 Ωm，局部大于 100 Ωm，对应人工填土层，推测土 体局部可能含块石或碎石。其中里程 2228 m、深 度 3.26.75 m 区域以及里程 4151 m、 深度大于 2 m 范围内存在两块电阻率极大值区域，电阻率大于 90 Ωm，推测土体含块石或碎石，局部块石粒径较大， 从里程 25 m 附近高阻封闭区域的纵向尺度分析块 石层厚度局部可达 1.7 m 左右。 综合物探分析成果可知闸站桩基施工区域地下 土体局部存在块石或碎石，但其空间分布不均匀， 埋深多小于 6 m， 除测线 D4D4′及 D5D5′附近块 石粒径与厚度相对较大外， 碎块石多呈零星状分布。 依据物探成果，选择一定的异常区域及正常区域布 置验证钻孔，钻孔编号为 ZKB127ZKB136，考虑 到赋存于土体中的碎石易受地下水位影响可能会呈 现相对低阻的情况，在测线 D5D5′中心位置的低 阻异常区布设了钻孔 ZKB134。 结果表明除 ZKB134 因碎石粒径较小未成功取样外，钻孔 ZKB128 ZKB130、ZKB133、ZKB135 均揭露块石，厚度 1.41.7 m，粒径多大于 20 cm，局部大于 30 cm如 图 4 所示，验证了物探异常的有效性。此外，电法 及钻探验证成果表明碎石与块石在电阻率上存在差 异，前者电阻率多大于 100 Ωm，后者电阻率小于 30 Ωm。 ChaoXing 190 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 2 4 条地质雷达测线探测成果 Fig.2 Detection results of ground penetrating radar 图 3 测线 D5D5′电阻率剖面 Fig.3 Resistivity profile of surveying line D5D5′ 图 4 测线 D5D5′沿线钻探揭露的碎块石 Fig.4 Broken stones revealed by drilling along the surveying line D5D5′ ChaoXing 第 6 期 李俊杰等 桩基工程隐伏块石探测技术研究 191 钻探成果在勘探深度范围内揭露的土层主要有 Ⅰ1层填土局部相变为Ⅰ1层碎块石，Ⅲs层粉土、 Ⅲsis含泥粉砂， 各土层结构及性状与前期勘察一致。 块石多零星分布，厚度约 0.20.4 m，粒径多位于 210 cm，零星块石分布情况见表 2，当介电常数在 25 附近取值时，地质雷达异常埋深与钻探成果较 吻合。 表 2 钻探揭露零星块石的埋深及厚度 Table 2 The depth and thickness of sporadic riprap re- vealed by drilling 钻孔编号 雷达异常埋深/m 块石揭露埋深/m 厚度/m ZKB118 2.4 2.4 0.2 ZKB122 2.1 2.5 0.4 ZKB123 3.0 0.2 ZKB124 3.0 0.2 ZKB125 5.3 0.2 综合物探及钻探成果绘制了桩基施工区地下块 石平面分布图图 5及块石集中区域工程地质剖面 图图 6。如图 5、图 6 所示，本次综合勘察在闸址 紧邻堤防内脚附近揭露一条带状分布的碎块石层， 呈 N30W 走向展布，与堤岸轴线一致，主体宽约 510 m，长约 45 m，至西北段尖灭，南东段预计还 有一定范围的延伸。该碎块石层呈隐伏式分布，埋 深普遍大于 2 m，厚度约 1.41.7 m，碎块石粒径以 210 cm 为主，夹杂有个别粒径接近 30 cm 的 岩块图 4，母岩岩性为坚硬块状的熔结凝灰岩，棱 角分明，堆填较为杂乱。推测该碎块石层是为堤岸 防护、抗冲或促淤等功能而人工抛填堆积形成的， 后因堤防建设或河流冲淤变迁掩埋于地下，且部分 块石被水流搬运或人工改动而散落于四周呈零星分 布。此外，本次调查仍有超过 1/3 钻孔未揭露碎块 石，这充分体现了堤防附近人工抛填碎块石空间分 布的复杂性。 图 5 推测地下块石分布平面图 Fig.5 The inferred horizontal distribution of riprap 图 6 块石集中分布区剖面图 Fig.6 The profile of the concentrated distribution area of the riprap 3 块石区桩基施工技术 地下块石的空间分布特性对桩基施工工艺的选 择有着决定性的参考作用。如图 5 所示，块石主要 集中于堤角线附近，根据综合勘察成果，块石零星 分布区域采用旋挖钻施工， 其成孔效率较回旋钻高， 钻孔口径 1 m 范围内存在的零星碎块石能随旋挖钻 头一并带出，但具有一定厚度的块石集中区域旋挖 钻无法穿越，因块石埋深较浅，拟采用分段开挖的 方案去除。由于块石上伏土层粉粒含量高，老堤外 侧为曹娥江，为避免基坑开挖过程可能发生的流土 破坏，先采用井点降水方式降低地下水位，去除块 ChaoXing 192 煤田地质与勘探 第 47 卷 石后立即回填压实土方，最后用旋挖钻继续施工， 开挖结果表明块石埋深基本小于 6 m，最大层厚约 1.7 m，与勘察成果吻合。 少数桩基施工时在深度 8 m 左右的位置无法继 续向深部钻进，此时大部分灌注桩已施工完毕，场 地不再具备明挖的条件，此种情况下通常需采用冲 击钻将较大粒径块石击碎，然后抓出，但冲击钻施 工效率偏低。考虑到工期的压力，尝试采用如图 7a 所示的螺旋钻头替换常规旋挖钻头，螺旋钻的优势 在于其端头能先嵌入块石层中，旋转过程更易将成 堆的碎块石搅散。 为防止钻头上升过程碎块石坠落， 钻进前先通过井点降水措施将石块与土层固结，提 钻时碎石与粉土将被一并带出，实际施工表明螺旋 钻头对粒径小于 50 cm 的碎块石能取得良好的抓除 效果。 此外， 施工过程还遇到某根桩基在地下深度 12 m 遭遇块石的情况，推测为旋挖过程将块石向下挤压 所致，由于块石粒径较大，用螺旋钻头也未能将其 取出， 尝试采用一个两侧含有夹板的岩心钻头图 7b 施工，钻具回提过程石块可被夹住，成功取出了两 块粒径为 7080 cm 的孤立块石。 图 7 施工钻头类型 Fig.7 The type of drill bits 4 结 论 a. 地质雷达、高密度电法与浅孔钻相结合的综 合勘察手段能有效适用于老堤附近埋深小于 6 m 范 围内的隐伏块石探测；为避免物探成果异常与实际 块石位置存在偏差的问题，勘察时机应尽量选择在 桩基坐标确定后的施工图阶段。3 种方法优势互补， 其中地质雷达法能显示局部零星块石堆的电磁异 常，碎块石对应雷达异常特征体现为波形杂乱，有 孤立状强反射振幅、 并伴随较明显的多次反射现象； 高密度电法对具有一定厚度的较大粒径成片块石层 探测效果较好，但受地下水影响，水位线附近的碎 石电阻率有时较表层粉土更低，故电法高阻异常区 之间呈现的低阻异常也应布设钻孔补充验证有无块 石的存在。 b. 旋挖钻可高效地应用于地下块石粒径较小 且零星分布区域的桩基施工，对于埋深较浅的集中 块石层可采用明挖的方式去除，对于超出明挖可控 深度的块石，可先将土层固结，视块石粒径与埋深 再选用螺旋钻头或岩心钻头将石块取出。 c. 本次讨论的案例中，块石埋深多小于 6 m， 少数桩基在旋挖钻施工时可能将块石顶向深部，但 施工区揭露块石的最大深度仅 12 m，故未涉及冲击 钻的使用，螺旋钻头与岩心钻头能应对何种埋深范 围的地下块石施工仍有待未来进一步研究。 参考文献 [1] AMMAR A I，KAMAL K A. 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