管波探測法在施工勘察工程中的應用

唐志豪 魏見海 莫天健

摘要：文章基于管波探測法在陽和南路下穿泉南高速公路通道工程施工勘察中的應用，從工期、經濟性、安全性等角度對“一樁一孔+管波”的勘探方法與“一樁一孔”“一樁多孔”的勘探方法進行了分析對比。分析結果表明：采用“一樁一孔+管波”的勘探方法，在工期上縮短時間約為50%，在經濟效益上節約成本約49%，且其能詳細查明基樁范圍內的不良地質現象，為持力層的選擇提供了準確的地質資料，為基樁設計和施工工程提供了安全可靠的保障。

關鍵詞：管波探測法;巖溶地基;基樁勘探

0 引言

巖溶地區的基樁勘察一直是高速公路勘察的重難點，“一樁一孔”或“一樁多孔”的勘探方法在巖溶基樁勘察設計中多被采用[1]。而施工勘察若采用“一樁一孔”進行鉆探，基樁范圍內巖溶發育情況難以詳細查明，可能致使持力層存在溶洞、軟弱夾層、半邊巖等不良地質現象，產生安全隱患;按照“一樁+多孔”進行鉆探，其勘探成本高，工期長，亦存在無法詳細查明孔間的不良地質現象的風險[3]。

管波探測法[2]是在鉆孔中利用“管波”作為媒介[5]，探測以鉆孔為中心一定半徑內是否存在溶洞、軟弱夾層等不良地質現象并查明其垂直分布情況[4]的方法。在施工勘察中設計采用“一樁一孔+管波”的勘探方法，較之常規方法，其勘探成本低，工期較短，并且能為基樁設計提供準確可靠的地質資料。陽和南路下穿通道施工勘察成功地將管波探測法應用到巖溶地區基樁勘察中，為基樁的設計和施工提供了安全保障。

1 管波探測法

1.1 管波探測法的工作原理

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。管波在鉆探形成的圓柱狀空間內沿軸向做前推式傳播，其質點運動軌跡在孔內軸向切面內為一系列橢圓，以鉆孔為中心一定半徑內均為管波有效探測范圍，在其中遭遇任何波阻抗的變化，管波都會發生反射，而這種波阻抗變化的產生必定是由于鉆孔旁側存在土洞、巖性差異、溶洞、軟弱夾層等不良地質體。因而可通過分析反射管波，[JP+1]詳細查明孔旁不良地質體的發育情況，如圖1所示。

1.2 管波探測法技術方案

（1）鉆孔在完成鉆探后（結合場地地層情況分析，適當增加持力層設計厚度，以防止樁底沉渣導致測試段不滿足設計要求），清孔，鉆機等待管波探測。

（2）管波探測結束后，現場進行處理探測成果資料及分析時間剖面圖。如分析表明測試段滿足持力層設計要求，即可終孔;如時間剖面圖顯示鉆探揭露的完整基巖段存在不良地質體，則鉆探不能終孔，返回第一步，根據分析成果確定需要加深的深度。

（3）結合鉆探成果及管波探測結果具體分析，選擇基樁最終持力層。

經統計，在本次施工勘察中，經過一個循環即可達到要求的占2/3，其余皆為兩次流程后達到要求。可見通過循環以上流程均能找到滿足設計要求的持力層。

1.3 管波探測法的優點

在施工勘察階段，“一樁一孔”或“一樁多孔”的鉆探方法多被運用于工程勘察當中。“一樁一孔”存在遺漏孔旁巖溶的風險;“一樁多孔”投入高，工期長，而且其配合使用的物探手段中，跨孔CT法費用高、耗時長，孔中地質雷達法存在無法解釋的假異常，受經驗影響較大，孔底地質雷達設備昂貴，依賴進口。

在本工程當中，采用“一樁一孔+管波”的勘察方案，相對于工程上傳統采用的“一樁一孔”或“一樁多孔”的勘察方案具有以下優點：

（1）施工工期短，成本低。

（2）勘察成果快速精確，隱患少。

（3）管波儀器設備輕便，對使用人員技術要求低，現場只需配備2～3名探測人員，任何施工環境均可采用。

1.4 管波探測法實施過程中存在的問題及解決措施

1.4.1 管波探測法實施過程中存在的問題

在施工勘察期間，現場操作管波探測時遇到以下三種情況：

（1）管波探頭下至鉆孔底部過程中，或遇卵石、基巖碎石、流砂沉底等情況，都可能會導致探頭無法拉出或無法下至鉆孔底部，最終造成探測無法順利進行。

（2）管波探測需有孔液作為介質，如遇鉆孔巖面處極度破碎且施工地區地下水缺乏，或導致孔內無介質，無法進行管波探測。

（3）鋼套管對管波探測有隔絕效果，若工程地段地質條件復雜，同一鉆孔存在多個溶洞，并在溶洞上部有兩段或多段完整基巖段滿足設計要求，對基樁持力層的選擇無確定性，可能造成基樁過長或溶洞無法查明。

1.4.2 解決措施

針對施工勘察期間發現的問題提出以下解決措施：

（1）鉆探過程中需將套管下至溶洞底部，防止土層及溶洞填充物滑落;鉆探終孔時，需再次進行清孔，以保證探頭下至完整基巖段底部。

（2）清孔后拔出鉆具，將水管深入鉆孔底部將水灌入，在探測過程中持續灌水，以保證孔內介質充足，完成管波探測。

（3）在進入巖層后，如巖體破碎，可直接將鋼套管下至溶洞底部;若巖體完整，但在完整基巖段下部出現溶洞，可采用鋼套管只隔離溶洞段，完整基巖段不隔離或采用PUC塑料管防護基巖段的方法，以保證管波完整地探測鉆孔基巖的完整性，為基樁持力層的擇優提供更多的選擇。

2 管波探測法的應用實例

2.1 工程概況

陽和南路擬下穿泉南高速公路，故泉南高速公路由路堤改為橋梁，橋梁設計橋長為90.08m，基樁設計直徑為1.8m。橋位區工程地質條件復雜，巖溶強發育。在對12根基樁以“一樁五孔”進行勘察后，發現基樁范圍內還是存在未被揭露的不良地質體。出于對成本和工期等因素的考慮，經過多方調研和咨詢，決定采用“一樁一孔+管波”對橋位區剩余基樁進行施工勘察。

2.2 管波探測法的實施過程

在本次施工勘察中共計采用“一樁一孔+管波”測試21根基樁，基樁持力層在結合鉆探及管波探測成果具體分析后進行擇優選擇。統計資料顯示，上部覆蓋層多在25～30m，覆蓋層有填土、黏土、粗砂、卵石，基樁均發育有巖溶，溶洞埋藏深度具有隨機性，部分樁位存在串珠狀溶洞（溶洞數量1～10個不等，溶洞大小0.2～2m不等），單層溶洞最大達15m。管波探測成果分析，部分樁有巖溶范圍增大的現象或鉆探完整基巖段有不良地質現象，采取驗證鉆探孔的方式進行成果驗證。

時間剖面圖顯示：有巖溶而未被發現的有6根基樁，占已測樁位的28%，其中洞徑范圍為1～3.6m;有7根基樁已被揭露的巖溶中發現有巖溶范圍增大的情況，占已測樁位的33%，增大范圍在0.3～1.6m不等;需要進行加深的共有2個樁孔，占已測樁位的9.6%，共加深厚度為15m。本次施工勘察共計挑選了9根地質條件復雜的基樁進行了驗證。

2.3 分析討論

以0a-8#基樁為例：在35.8～37.2m及38.3～41.0m位置處揭露了兩個溶洞，洞徑分別為1.4m、2.7m。利用管波進行探測后，從時間剖面分析，分別在45.2～45.8m、46.4～47.4m、56.1～56.9m、57.5～58.1m等四段發現有巖溶發育，厚度分別為0.6m、1.0m、0.8m、0.6m。對此，對2a-8#基樁進行驗證，驗證鉆孔揭露出兩處溶洞，位置分別為35.9～37.0m、38.4～40.8m，洞徑分別為1.1m、2.4m。其中揭露40.8～47.4m段為基巖破碎段，發育有大量溶蝕現象。經過驗證孔表明，“一樁一孔+管波”具有可靠性（如圖2所示）。

3 管波探測法的評價

3.1 經濟效益評價

在本項目共計測試21根樁，按本項目地層假定平均孔深50m，如果按“一樁五孔”的勘察手段進行勘察，21根樁共計需要布置105個勘察鉆孔，

共計工作量為5250m，需花費約95萬元;而采用“一樁一孔+管波”的勘察手段，本項目實際共布置了30個鉆孔，共計工作量為1500m，加上管波探測投入的費用，共計約48萬元，節省49%。

3.2 工期效益評價

管波測試每孔耗時約30min，基本無影響。在本項目當中，平均完成一個鉆孔需要用時5d（正常情況下，施工期間無套管斷裂、掉鉆、卡鉆、機器維修等情況），由于場地原因，只能滿足7臺鉆機同時施工，平均一臺鉆機完成3根基樁。如采用“一樁五孔”的勘察手段，需用時75d;采用“一樁一孔+管波”的勘察手段，只需用時15d，本項目中實際用時為25d（期間有驗證孔的施工及施工不正常等影響因素）。通過上述分析，采用“一樁一孔+管波”的勘察手段，可節約至少50d的工期。

3.3 風險分析

采用“一樁五孔”的勘察手段，雖然能在樁徑范圍內密集地鉆探以查明巖溶發育、軟弱夾層、裂隙等不良地質，但五孔之間仍然存在間隔，鉆孔之間可能存在縱向裂隙、洞徑<20cm的縱向分布溶洞等不良地質。但采用管波探測法，可以有效查明樁徑范圍內的不良地質。

4 結語

從柳州市陽和南路下穿泉南高速公路通道工程（下穿部分）施工勘察中管波探測法運用前后的情況表明：（1）采用“一樁一孔+管波”的勘察手段進行巖溶地區樁基勘察具有可靠性;（2）“一樁一孔+管波”比“一樁五孔”在經濟效益上節省49%，能大幅度地縮短工期。

管波探測法在該施工勘察中的應用，創造了明顯的經濟效益和良好的社會效益，保證了項目施工的樁基安全和施工安全，在今后的工程建設中將會得到更多的應用。

參考文獻：

[1]牟太平.管波探測法在陽陽高速公路巖溶樁基勘探中的應用[J].廣東公路交通，2012（1）：42-44.

[2]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，2005（2）：129-133.

[3]李海青，林才奎.管波探測法在廣梧高速公路灰巖區橋梁樁基工程中的應用[J].廣東公路交通，2009（2）：27-29.

[4]李學文，饒其榮.管波及其工程應用[J].物探與化探，2005，29（5）：463-466.

[5]饒其榮，李學文.用于探測孔旁溶洞的管波探測法[J].地質與勘探，2004（z1）：130-135.