管波探測法在巖溶勘察中的應用

朱振華 鄧勁松 易萍華

在巖溶地區進行工程項目建設,常采用嵌巖樁的基礎形式。由于基巖中巖溶發育,存在溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質體。根據《巖土工程勘察規范》要求,在施工勘察階段,當采用大直徑嵌巖樁時,應對樁位進行專門的樁基勘察,勘察點應逐樁布置,勘探的深度應不小于樁底面以下樁徑的3倍并不小于5 m。但一樁一孔的鉆探往往會遺漏孔旁的溶洞,難以完全查明整個樁位范圍內的巖溶發育情況,巖溶勘察新方法——管波探測法能探測到直徑2 m～2.5 m范圍內溶洞、軟弱夾層及溶蝕裂隙帶的發育分布情況,能有效彌補一樁一孔的不足(見圖1)。

1 管波探測法

1.1 管波探測原理

當相互接觸的兩種介質一種是流體另一種是固體時,流體的振動會在兩種介質的分界面附近產生沿界面傳播的界面波,稱作廣義的瑞利波。在液體填充的孔內及孔壁上,廣義的瑞利波沿孔的軸向傳播,稱作管波。管波探測利用樁位中心的一個鉆孔,通過在孔液中振動產生管波,管波在孔液和孔壁以外一定范圍內沿鉆孔軸向傳播,除在孔徑變化、孔底和孔液表面處產生反射外,在管波有效探測范圍內的任何波阻抗變化都會產生反射。在鉆孔周圍的圓柱狀空間,這種波阻抗的變化必定是由于鉆孔旁側的巖性差異及土洞、溶洞、軟弱夾層等不良地質體的存在造成的。因而可通過分析反射管波來確定鉆孔旁側是否存在巖性差異及不良地質體。

1.2 管波探測裝置

根據管波的傳播特性及孔中的測試環境,管波探測法的探測裝置如圖2所示。圖2中發射儀器產生的發射脈沖信號通過發射換能器S轉換成振動脈沖,在孔壁周圍產生管波,管波沿鉆孔軸向向上及向下傳播,接收換能器R首先接收到直達管波。沿鉆孔軸向傳播的管波在波阻抗差異界面(孔徑變化處、液面處、孔底、孔壁波阻抗差異界面)處發生反射和透射,反射管波由接收換能器R接收。

1.3 管波探測流程

實際工程中,常常出現鉆孔揭露的完整基巖段厚度已經滿足規范要求,管波探測法發現其“完整基巖段”中是否存在溶洞、軟弱夾層等不良地質體的情況。為了保證樁位持力層的完整性,通常采用管波探測與鉆探互動的探測流程,見圖3。

1.4 管波探測的工程地質解釋

1)界面反射能量強、頻率低,且上下反射界面之間的能量存在消散現象,這是洞穴、溶洞的反映。2)當溶洞與探測孔之間存在水力聯系或軟弱夾層的剪切波速度比孔液壓縮波速度小時,在管波時間剖面中表現為管波能量消散,即無直達管波,同時該處的反射管波能量低、頻率高,這是溶蝕裂隙的反映。3)傾斜的反射波組即為不良地質體邊界處的反射管波,不良地質體的頂、底界面深度為反射管波同相軸時距曲線與零時間的交點對應的深度。4)直達波組不存在向下彎曲變化,直達波以后,無明顯的傾斜的直線形反射波組,且不存在管波能量消散現象,這種特征可作為判定孔旁基巖完整的判別依據。

2 管波探測法的應用實例

2.1 工程概況

南京—安慶新建鐵路(鐵三院設計段),位于長江南岸,大致走向NE—SW。正線線路全長60.35 km,銅九改線段長5.015 km,池州疏解線長3.731 km,線路總長68.827 km。全段橋梁特大橋12座、大橋8座、中橋6座、公路橋6座,總長度為32.47 km,橋梁長度約占全線總長的47.2%;隧道 5座,總長度1.44 km;可溶巖分布線路總長34.0 km。巖溶橋總長24.224 km,其中巖溶中等發育～強烈發育橋總長17.592 km,巖溶不發育～弱發育橋總長6.632 km;溶巖發育地段軟土、松軟及膨脹土路基5段長約9.6 km,溶巖發育路塹2處。

2.2 應用

寧安城際鐵路沿線(鐵三院設計段)在巖溶發育強烈橋段,實行逐樁勘探與管波探測相結合的方式;巖溶不發育～弱發育橋段,在一樁一孔基礎上,再進行管波探測。巖溶發育強烈橋段,共192個樁位進行了管波探測,在153個已被鉆探揭露的溶洞中,管波探測到的溶洞范圍增大的有46個,占30.1%,最大增高溶洞為6.9 m;巖溶不發育～弱發育橋段,共98個樁位進行了管波探測,有溶洞而未被鉆探揭露的有34個樁位,占已探測樁位的34.7%。

以09-BZD-1224號鉆孔為例,鉆孔勘察資料顯示,-15.23 m高程以下即可作為樁端持力層。而管波解釋結果表明,-19.43 m高程以上仍為巖溶發育段,只是未被鉆孔揭露。根據管波探測資料,該孔-19.43 m高程以下方可作為樁端持力層。

2.3 驗證

為了驗證管波探測成果,現場對09-BZD-1087,09-BZD-3218,09-BZD-3276 3個樁位的管波探測成果進行了鉆探驗證。驗證時,在每個樁的樁周各布4個孔進行鉆探取芯,驗證孔距樁中心約1.0 m～1.5 m。鉆探孔的驗證情況如下:

1)在管波法解釋的“完整基巖段”內,驗證鉆探均揭露為弱風化巖石,未發現溶洞。

2)在管波法解釋的“巖溶發育段”內,雖然在先前的探測孔中未揭露到溶洞,但在后來鉆探驗證樁位的4個驗證孔中,至少有1個驗證孔在相應深度位置揭露到溶洞。

3)管波法解釋的“溶蝕裂隙發育段”內,在各自的4個驗證孔中,至少有1個驗證孔在相應深度位置揭露有溶蝕現象。而在管波法解釋的“節理裂隙發育段”內,在各自的4個驗證孔中,至少有1個驗證孔在相應深度位置的巖芯較破碎。

4)管波法解釋的“軟弱夾層”一般為夾層狀分布。

3 結語

從管波探測法在寧安城際鐵路中的應用和驗證情況,我們可以發現:1)管波探測法可探明鉆孔旁側的巖溶、溶蝕裂隙,其探測范圍遠大于鉆探口徑,彌補了鉆探“一孔之見”的不足,適用于可溶巖分布區嵌巖樁樁位的勘察。2)應用管波探測法探測過的樁位,基樁在抽芯檢驗時從未發現樁底溶洞和半邊嵌巖情況。

[1]李學文,郭金根,饒其榮.樁位巖溶探測新技術——管波探測法[J].工程地球物理學報,2006(2):34-36.

[2]李劍波.管波探測計算方法[J].廣東科技,2007(170):27-29.

[3]張玉池.管波探測方法及其應用[J].礦產與地質,2006(6):79-81.