管波探測在巖溶勘察中的應用

陶俊文

(中國建筑材料工業地質勘查中心廣西總隊，廣西 桂林 541002)

1 概述

巖溶地質勘察探測新方法——管波探測法, 可精確探測到溶洞等不良地質情況,解決巖溶發育地區探測難的問題[1]。通過國內外十余家勘測設計研究單位合作,近十余年來在高速公路、高速鐵路、高層建筑、城市軌道交通線路等領域數百項工程設計成果,逾五萬例樁位巖溶勘探的實踐證明,管波勘探法已是一門基礎理論完善、基礎研究充分的技術,主要使用地區涉及我國南方巖溶發育地區的工程勘察工作,目前通過對該技術的廣泛應用,獲得了顯著的社會經濟效益。

2 管波探測法

2.1 管波探測法原理

2.1.1 方法概述

管波探測法,主要是在鉆孔中充分利用彈性波原理,對地下溶洞、溶蝕地質裂縫、軟弱地質夾層等不良地質條件的最新物探方法。管波勘探法主要應用于巖溶區域的基礎勘探,通常情況下是在樁位超前階段勘探或基礎勘探階段完成[2]。其主要運用了將基樁施工時置于其中央的鉆機,通過在鉆孔液中振蕩產生管波,接收和分解并記錄其主要通過鉆孔液與孔旁巖兩種土體間振動傳遞的不同振動測量波形,來準確探測鉆孔旁一定區域內的硬質巖溶、軟弱砂巖夾層和地質裂隙沉降帶的地質結構的情況,可快速準確發現和測定基樁孔徑范圍內的具體地質結構情況、并評價探測基樁施工質量和巖體地層的結構完整性,因此管波探測法具備了費用少、質量高、周期短、維護保養方便、操作簡單、探測結果準確等六大優點[3]。目前在我國公路隧道橋梁、工業與大型民用建筑等的工程勘察中被廣泛應用,技術應用成熟。

2.1.2 管波的質點運動規律與能量分布

斯通萊波沿質子鉆孔的觸點軸向運動傳播, 具有前推式質點軸向運動幅度軌跡, 質點軸向運動幅度軌跡為直角橢圓。圖1 為斯通萊波質子傳播鉆孔過程中質子觸點的軸向運動幅度軌跡及質點振動時的幅度曲線示意圖。

圖1 斯通萊波傳播過程中質點的運動軌跡及振動幅度示意圖

其徑向運動位移通常是連續的,在靠近井壁中心處最大,在靠近井壁處向外呈一個指數方向衰減。

其在軸向上的位移不連續,在孔液中很大,在一口井壁內向外呈一個指數方向衰減。

根據目前研究, 管波能量主要集中在以鉆孔的中心點作為發射中心,半徑大約為1.5 個毫米波長的天線范圍內。

2.2 管波探測法的優缺點

2.2.1 管波探測法的優點

目前, 在施工上常常采取一樁一孔或一樁雙多孔的鉆井方法開展樁位勘探,但一樁一孔鉆井常常會遺失孔旁的巖溶,且一樁多孔鉆井施工成本較高,且工期常常過長。管波探測法具備如下優點:

a.管波的存在能力較強、衰變速度緩慢、傳播頻率與孔旁圍巖切剪波速率密切相關等優點,因此由孔旁巖溶、軟弱夾層和裂縫帶產生的管波異常很容易鑒定,對異常的地質解釋較有獨立性,勘探結果可信度較高;

b.對探測溶洞的分辨力更強,更精確;

c.對勘查儀器設備的技術要求較少,對勘查儀器與設備投入較小,勘察精度較高,能有效勘察出不良地質體;

d.勘察速度快,施工工期短,費用低,隱患少,勘察設備操作簡單,易上手;

e. 對技術人員的技術水平要求低, 適用于復雜的施工環境。

以表1 為管波探測法與傳統鉆探勘察方法之間的對比:

表1 管波探測法對巖土層的地球物理層分類

2.2.2 管波探測法存在的問題

在開展勘察探測的過程中,在作業現場常遇到以下情況:

a.當管波探頭下至鉆井底部的過程中,遇到特殊情況,均可能會造成管波探頭無法開展工作, 從而無法達到勘察目標。

b. 管波探測需有鉆孔內有孔液作為介質, 進行彈性波傳播,如果缺乏地下水,孔內巖石面過于破損,導致管波無法在孔內進行傳播,從而無法達到勘察目標。

c.在鉆孔內如采用鋼套管做支持,鋼套管對管波探測的屏蔽作用,使得管波探測準確性下降,效率減低,無法確保完成勘察的目標

2.2.3 解決方案

針對勘察探測的過程中可采取以下解決措施:

a.在下管波探頭前,應對鉆孔進行處理,達到探測條件后方可下探頭,同時對管波探頭進行定期清理,以確保管波探頭達到鉆孔底部。

b.在鉆孔旁邊準備好水源,一旦發現鉆孔內水量不足或沒有水時,及時向鉆孔補充水量,確保鉆孔內孔液充足,保證彈性波在鉆孔內的傳播和反射,確保探測正常開展。

c.在進入巖層后,孔內巖石面過于破損,以減少鋼套管對管波探測的屏蔽作用,提高探測的準確度和質量,確保探測工作正常開展,從而達到勘察的目標。

3 管波探測方法與技術

3.1 工作裝置

依據管波的傳輸特點和孔中的檢測環境條件, 管波探測法的主要探測設備如圖2。

依據管波的軸向傳播特性, 利用檢測器對地層構造實施了探測。所需要的裝置設備如圖2 所示。由圖2 中的發射脈沖儀振動產生脈沖信號,然后再利用儀器s 產生的脈沖信號,并在孔室附近振動后產生的管波,管波沿電動鉆孔器的軸向驅動上或下進行管波傳導[4]。沿各個鉆孔軸向反射傳播的管波在波阻抗不同差異反射界面,在節點處依次進行軸向反射和管波透射,反射管波后由鉆孔接收器的換波功能濾波器R接收。

圖2 管波探測法的探測裝置示意圖

3.2 野外工作方法

野地工作時,通常使用自激自收觀察控制系統。圖3 為自激自收觀測系統示意圖。利用這個探測系統,來自于不同界面上的反射管波能夠更好的分離,更方便于解讀信息。

圖3 管波探測法觀測系統示意圖

3.3 數據的處理與解釋方法

可以通過管波的波速、幅值、頻譜判斷層次界面結構與巖石層內部的土壤類型和工程特性。

根據管波探測原理, 上述判別準則確定的孔旁巖土層的工程性質如表2。

表2 巖土層的工程性質

3.4 影響因素

基于最新的研究, 對管波探測法的影響首先是套管的影響。

當硬質套筒內的所有材料全部為不銹鋼管時, 放入孔內的整個套筒內部將會自發產生一種橢圓管形的波能阻隔體,當管波發射源在整個硬質套筒內傳播時,由于管波能量被全部密封在硬質管波套筒內,因此大部分管波的發射能量都不能及時發射到粘土巖石和堅硬土壤中。所以,當將管波能量接收機與管波換能器全部同時置于硬質套管內時,探測準確性則會大大的降低,從而無法達到勘察目標。

故在采用鐵質套管或被套管籠罩住的探測區段, 因為鐵質套管的遮蔽效應,與巖土地質層套管波組之間的抗壓性差的原因,與外界面的壓力反射使套管波組的能力明顯下降,且管波反射探測特性并不明確,因此管波探測法用來解析的實測結果可能產生影響較大偏差,無法達到勘察目標。

4 管波探測法的應用實例

4.1 工程概況

某新建鐵路,大致走向東北-西南走向。鐵路線路總長為70.2km。其中特大橋17 座、大橋9 座、中橋10 座、公路橋10座,總長度為20.4km,橋梁長度約占全線總長的29.1%;其中位于巖溶強烈發育橋梁總長為14.6km,巖溶弱發育橋總長位5.8km。在對部分基樁采用管波探測法進行勘察后,發現存在未被發現的不良地質體。經過深入研究探討,決定采用“鉆孔勘探+管波探測”的方法,對橋位區剩余基樁進行探測。

4.2 應用

4.2.1 探測方案

該鐵路沿線存在巖溶發育強烈地區, 采用鉆孔勘探與管波探測結合方法進行探測;在巖溶發育地區,在鉆孔的基礎上進行管波探測。

Z1、Z2為波阻抗。A0為入射波的振幅,R 為界面的反射系數。

在巖溶發育強烈的橋段,進行管波探測樁位共200 個,在180 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%;在巖溶弱發育橋段,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%。

4.2.2 判別準則

無傾斜反射波組的基巖段為完整基巖段。

存在振幅較大的傾斜反射波組的位置,一般為孔中、孔旁溶洞的邊界或鉆孔穿過波阻抗差異較大的軟弱夾層。

存在振幅較小的傾斜反射波組的位置, 同時直達波速度較大時,一般為鉆孔穿過波阻抗差異較小的軟弱夾層。

存在振幅較小的傾斜反射波組的位置, 同時直達波速度較小時,一般為孔旁巖石裂隙發育。

4.3 驗證

為檢驗管波勘探結果, 在現場對3 個樁位的管波勘探結果進行了鉆探檢驗。檢驗時,在每個樁周均布4 個孔進行鉆孔取芯,驗證樁中心距離約在1.0m～1.5m 范圍內。鉆探孔的檢驗情況如下:

4.3.1 在完整基巖段內,未發現溶洞等不良地質體。

4.3.2 在巖溶發育段內,發現有1 個驗證孔發現溶洞。

4.3.3 在溶蝕裂隙發育段內,在4 個檢驗孔中,有1 個檢驗孔發現有酸液現象。但在節理裂隙發育段內,有1 個孔發現石芯比較破碎。

5 結論

綜上所述,在當前巖溶勘察中的發展過程中,管波探測技術的大量應用已是必然的趨勢,管波探測法用于巖溶地區勘察是一種有效方法[6]。同時,管波探測法與鉆孔技術相輔相成,鉆孔是管波探測發的基礎,探測的范圍更大、更寬,精度更準,效率更高。但需要進行現場驗證。巖溶地區勘察工作采用鉆探結合可以充分發揮管波探測法的勘察速度快、費用低、周期短等優勢,可有效降低施工經費、提高工程質量。可以探測樁基范圍的巖溶發育情況, 為施工提供可靠的地質資料保障。管波探測法在實際的工程應用中,保證了項目的施工進度和樁基等基礎建設工程的安全事故, 具有良好的經濟效益。