管波探測法在工程中的應用

中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308

相較于傳統孔中物探方法（如跨孔CT法、孔中地質雷達法等），管波探測法具有可靠性高、分辨能力強、易于解釋、設備輕便等優點，近年來被廣泛應用于灰巖地區嵌巖樁基礎的巖溶探測[1]和基樁完整性檢測[2-3]，可以有效彌補傳統物探方法的不足，已經被列入行業標準《城市工程地球物理探測標準》（CJJ/T 7—2017）。管波探測法由廣東省地質物探工程勘察院饒其榮、李學文于2003年提出，同年申請國家發明專利[4]。管波探測法具有良好的應用效果和前景，但是其應用仍然存在一定局限性。文章結合管波探測實際工程案例，對其應用效果進行探討。

1 管波探測法概述

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[5]。常見的管波有斯通利波和準瑞利波兩種類型，和其他類型的波動一樣，管波在孔中傳播過程中，除了在孔徑變化、孔底和孔液表面處產生反射，在管波有效探測范圍內的任何波阻抗變化界面會也發生發射。管波探測法就是通過分析反射管波的波幅特征，探測波阻抗差異界面，通過對界面的解釋，推斷孔旁溶洞或軟弱夾層的發育情況。管波探測法的有效探測半徑為1.0～2.0m，可分辨大于0.3m的孔旁洞穴，對洞穴的垂向定位誤差小于0.3m，具有非常高的探測精度。

管波探測法的探測裝置如圖1所示。將發射儀的發射換能器和記錄儀的接收換能器按固定間隔放入測試鉆孔中，在某一深度位置，發射儀發射同一主頻的脈沖信號，發射換能器產生的震動與孔液作用，在孔液和孔壁上產生管波，記錄儀同步記錄接收換能器輸出的振動信號。然后改變探測深度，這樣即可得到按深度排列的時間剖面。通過對時間剖面的分析，判別溶洞、溶蝕裂隙和軟弱夾層的存在及其頂底埋深[6]。管波探測法判斷異常依據主要表現為兩種：一種是在界面處具有明顯的管波反射，另一種是在不良缺陷處具有管波能量衰減[2]。

圖1 管波探測法工作裝置示意圖

根據管波探測機理和以往工程實例，管波探測法主要用于灰巖地區樁位巖溶探測、基樁完整性檢測和地質勘察等三個領域。由于該方法探測半徑范圍較小，因此在實際工程中前兩個領域應用更為廣泛。

（1）樁位巖溶探測。在對嵌巖樁進行基樁勘察時，一般采用一樁一孔的鉆探方式，對于大直徑嵌巖樁，這樣一般會遺漏孔旁的巖溶，產生基樁半邊嵌巖的現象。根據管波探測法在樁位中心鉆孔進行探測，即可查明樁徑范圍內是否存在巖溶和軟弱夾層，確定持力層的完整情況，在指導基樁設計和施工方面具有良好的應用效果，探測結果可以為設計確定樁端位置提供可靠的指導依據[5]。

（2）基樁完整性檢測。近年來，管波探測法逐漸應用于基樁完整性檢測。在進行樁身缺陷檢測時，當樁的聲測和動測與鉆芯法檢驗出現爭議時，可利用管波探測法進行驗證檢測，對評價樁身完整性提供可靠的依據。而且管波探測法具有快速、全面、準確和探測范圍廣等優點。

2 工程應用實例

廣西灰巖地區某個在建火車站共完成25個樁位鉆孔的管波探測工作，外業數據采集使用國內自主研發的TTS3型一體化管波探測儀，運用自激自收觀測系統，收發探頭間距為0.6m，測點間距為0.1m，測試方向從下至上進行。下面以19-BZ-35-2號和19-BZ-35-4號鉆孔為例，對其應用效果進行討論。

19-BZ-35-2號鉆孔深度為25m，管波探測成果解釋如圖2所示，管波時間剖面顯示在地面以下11.2～12.7m深度管波能量變弱，推斷存在巖溶發育區，與鉆孔揭露溶洞（地面以下11.4～12.5m）位置吻合，規模稍偏大。19-BZ-35-4號鉆孔深度為20m，鉆孔未揭露溶洞，管波探測成果解釋如圖3所示，管波時間剖面顯示在地面以下10.7～12.1m深度存在巖溶發育區，應業主要求，在該鉆孔周圍均勻布設4個驗證孔，驗證孔距離該鉆孔中心均為0.6m，其中一個驗證孔在10.5～12.4m深度揭露溶洞，其他3個驗證孔巖芯完整，未揭露溶洞，說明了管波探測的可靠性。

圖2 19-BZ-35-2號鉆孔管波探測成果解釋圖

圖3 19-BZ-35-4號鉆孔管波探測成果解釋圖

以上工程實例說明管波探測具有較高的準確率，但同時也暴露了其應用的局限性。第一，19-BZ-35-4號鉆孔探測結果說明，管波探測不能判別孔旁洞穴具體位于鉆孔哪個方向以及到鉆孔的準確距離，對于這個問題的解決方法，目前尚在進行理論研究。第二，從圖2可以看出，管波在0～6.8m深度時能量衰減迅速，接收器接收到的信號非常弱，無法判斷巖溶異常，說明無孔液段管波法探測效果較差。根據管波探測法的基本原理可知，管波的激發和傳播依賴于液體介質，因此發射器和接收器必須在有液體的鉆孔內進行，并且液體應和圍巖直接接觸，中間不能有空隙。在工區地下水位較低的地質條件下，如果鉆孔附近溶蝕破碎比較發育，孔中無法充滿液體時，管波探測的使用就變得沒有意義。例如，湖北恩施青云崖空鐵勘察項目工區位于巖溶比較發育的灰巖地區，工作方案將管波探測法作為基樁巖溶探測和持力層評價的一個重要勘察手段，但在實際工作中鉆探未見水位線，且大部分鉆孔周圍巖體溶蝕破碎發育，孔中無法充填液體，整孔深度時間剖面和圖2中0～6.8m段類似，導致管波探測法在該工區中應用受限。

3 結論

（1）通過以上討論可知，管波探測法在實際工程中具有良好的應用效果和前景。由孔旁巖溶、軟弱夾層及裂隙帶引起的管波異常易于識別，異常的地質解釋具有唯一性，勘察成果可靠性高。

（2）由于管波探測法原理的局限性，在實際應用中有兩點值得重視和借鑒：一是其探測半徑有限，且探測到的孔旁巖溶異常不具有方向性；二是其探測效果受場地地質條件影響較大，地下水位以下探測效果較好，地下水位以上探測效果變差。