管波探測法在巖溶勘察中的應用

彭曙光,王霽霞,張苑輝

（廣東省工程勘察院，廣東 廣州 510510）

1 概述

巖溶地質指的是由于水流的沖刷作用形成的地質地貌。巖溶地區在我國的分布面積占總面積的30%以上，分布極為廣泛，主要集中在中南和西南地區。由于巖溶地區地下空洞多，土質疏散，所以地下巖石體的力學強度非常容易在巖溶作用下改變，從而影響上層建筑，也加大了巖溶上方的土木建設的難度。而管波探測法的應用能夠對巖溶周圍地區的地質環境進行勘察，從而保證了土木工程建設的安全。

2 管波探測法的原理

管波探測法是我國自主研發的一種巖溶勘察技術，它的工作方式是首先在地下打深孔，再在鉆孔中利用管波來勘察鉆孔旁一定范圍內的地質，從中發現軟夾層、溶洞等不良地質，為之后的工程施工打下基礎。

根據彈性波理論，當震動在彈性介質中傳播時，按照傳播空間可以分為面波和體波兩種。其中面波由瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波組成，面波在波阻抗附近傳播；體波則由縱波和橫波組成，體波可以在無限空間中傳播。當鉆孔中充滿液體時，鉆孔會與周圍的地質形成一個波阻抗，經過的波與該界面相交時就會形成一個新震源，從而產生沿著鉆孔向下傳播的波，這就是管波。在界面處會發生振幅，公式如下：

式中：A——反射波的振幅；

A0——入射波的振幅；

R——界面的反射系數；

Z1、Z2——界面兩側介質的波阻抗。

界面的波阻抗差別可以通過反射波的強弱得到，通過分析放射波的特征，可以了解到波阻抗差異界面的情況，通過對波阻抗界面的分析就能夠得知到鉆孔周圍是否存在巖溶洞和軟夾層。在現有技術下，管波探測儀器能夠接收到的頻率在650～750Hz之間，而管波探測的頻率一般在150～3100Hz。根據半波長理論，管波探測法可以探測到直徑和管波波長相等的柱形范圍。即以鉆孔為中心，半徑為1.2m。管波探測有以下優點：首先是工期短、成本低，在鉆探過程中即可完成勘察；第二點是管波的能量強、衰減速度慢，波形容易識別；第三點是探測精度高，受干擾因素低。

3 管波探測法的工作流程和影響因素

3.1 工作流程

圖1為管波探測法的基本工作流程。

圖1 管波探測法的基本工作流程圖

（1）根據工程的設計方案，將鉆孔鉆探至所要探測的地下巖體深度；

（2）做好鉆探清孔工作，在比較特殊的地區還必須在鉆孔內放入PVC管，以防止設備被破壞，為孔內的管波測試提供良好條件；

（3）根據地層的復雜程度和鉆孔深度的不同，使用相關設備進行重復測試，從而獲取管波測試的時間剖面圖：

（4）對管波測試的時間剖面圖進行分析，判斷該鉆孔的深度能否在該地質下滿足要求；

（5）如果鉆孔的深度可以承受壓力，則可以結束鉆孔；否則的話則返回第二步繼續探測，直到鉆孔深度滿足需要。

3.2 影響因素

管波探測法主要會受到套管材質和井液清澈度的影響：

一般當套管的材質為金屬時，比如鋼性管，就會影響設備對于反射波的吸收。這是因為硬材料的波阻抗與井液的波阻抗差別較大，導致鋼管屏蔽了反射波，削弱了土壤層波阻抗差異界面的管波能量。從而導致了金屬管鉆孔會產生管波特征弱的現象。所以現在鉆孔套管所用的材質一般為強度高塑料等軟材，這時井液的波阻抗會基本等同于塑料軟管，幾乎不會屏蔽反射波。但是會在管波時間剖面里產生與直達波相似的震動干擾，該干擾震動頻率低、能量強、長度穩定，并且在直達管波后到達，且非常容易觀察到。

管波測試要求鉆孔內必須灌滿液體，當井液雜質少的泥水或者清水時，測試的精準度和靈敏度會很高；而當井液渾水或者雜質較多時，井液會嚴重削弱反射管波和直道管波的能量，管波的時間剖面會出現非常明顯的彎曲現象，從而嚴重影響測試結果。因此鉆孔必須要進行清口處理。

4 管波探測法的工程實例

4.1 工程實例1

某工程準備建造地上3層地下2層的大型一體化超市，場地位于河流下游的沖積平原地形，上層土質主要為粗砂層、細砂層、淤泥、粘質土、人為填土等，下層基層巖石為石灰巖。場地底部的砂層下方幾乎全部為可溶性巖層，溶洞的比例超過70%，線巖的溶洞率更是高達37.5%,其中發現的最大的溶洞超過19m，溶洞為串聯狀連接。部分地區土洞裸露，最大的土洞高度為12.9m，上層砂層的表層水與巖溶水流通，基巖中存在軟弱夾層，地質情況十分復雜。巖溶的強作用對于工程地基處理、基坑開挖以及其它基礎施工工作影響極大，在工程進行期間或者完工后，很有可能會因為地表建筑質量過大發生地陷、塌方等災害，造成嚴重的后果。查明鉆孔持力層以及周邊的地質情況，對于工作人員的定樁長度和溶洞的處理十分重要。

因此工程單位要求在一樁一孔鉆孔的基礎上,利用管波探測技術來探測樁底是否存在巖溶層和軟弱夾層。圖2是ZK11b孔的柱狀圖及探測說明,鉆孔在高程-5.39m處鉆入石灰巖,至高程-13.20m處停止鉆孔,鉆孔內巖石連接完整，沒有發現空洞。在管波探測法時間剖面中位于土層的-2.4m處和基巖層附近-5.3m處以及-9.5m附近的反射管波十分強烈,其中-9.5m附近的能量很強。根據管波探測法原理，此處鉆孔旁存在著巖溶強發育的現象,巖溶頂底界面高程為-8.39m、-9.39m,由此可以證明巖溶洞的確存在。

圖2 ZK11b孔的柱狀圖及探測結果

4.2 工程實例2

該工程為某地高架橋，G15鉆孔為樁位的中心鉆孔,探測發現在-17.19m以下全部為石灰巖。根據管波探測技術分析-17.5～-19.65m處有多個并行溶洞,-19.65m深處下才是連續的基巖層。根據工程方的需要,技術人員在G15孔周圍鉆4個鉆孔來驗證管波解釋的巖溶發育段的存在情況和完整基巖段的完整情況，以G15孔為中心，其余驗證孔距離中心孔為70cm。結果見圖3。

圖3 G15鉆孔探測結果及驗證情況

在對4個驗證孔進行分析后,運用管波探測法分析G15-2的基巖面處于巖溶洞的下方位置,而且基巖面的圓石是溶洞中水流沖刷的結果。而G15-3則發現溶洞。經過對比發現,確實存在管波探測顯示的巖溶發育段,而測試結果也與巖溶發育段的底界吻合。在所有測試孔中，管波解釋的基巖(-19.65～-26.9m高程段)均完整。在管波法解釋的“溶蝕裂隙發育段”內在各自的4個驗證孔中②至少有1個驗證孔在相應深度位置的巖芯較破碎。而管波法解釋的“溶蝕裂隙發育段”內的各自的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。

5 管波探測技術的弊端與發展方向

用管波探測法可以確定鉆孔旁是否存在溶洞，但不能確定溶洞的位置，也無法確定溶洞和鉆孔中心的位置。因此，管波探測法并不適用于直徑在2m之上的樁位勘察。

土洞與土層之間并沒有明顯的物理性質差異，因為兩者之間的管波波阻抗差異界面近乎相似，所以管波法對于土洞的反映不明顯。兩者的波形均為低能量的“白色帶”，管波的波形圖像特征都很相似。土洞的存在給施工人員和設備帶來了巨大的隱患，威脅著基礎施工的進行。

當前，管波探測設備產生的管波并不能夠徹底通過鉆孔套管的護壁，套管內可獲得的所得的信息不準確，很難判斷出周圍溶洞的發育和分布情況。

管波探測法已經在我國的工程建設中廣泛應用。根據目前的應用效果來說，在超前探測時期，管波探測技術能夠只依靠一個鉆孔，就能直接確定鉆孔直徑范圍內是否有軟弱夾層和溶洞的存在，了解持力層是否完整，在樁位設計、施工和保持鉆孔持力層完整方面有著良好的作用，從而可以為設計更準確地定樁端位置提供可靠依據。

管波探測法的成功率幾乎是100%，使用了該技術的工程，在抽芯檢驗時土層往往連續，沒有發現地下空洞。目前，管波探測技術只能檢測周圍是否存在溶洞，卻無法確定其具體位置與距離。距離的問題可以通過改變管波頻率的方式來解決，但這一技術仍在開發中；方位的問題其實并沒有解決的必要，對選擇樁端位置的意義不大。

而對于已經施工完成的工程，通常會利用鉆芯法、反射波法以及聲波透射法來檢測工程是否存在隱患。鉆芯法往往只能觀測到鉆孔內的情況，發射波法由于設備在基樁頂部發射和接收訊號，離溶洞位置過遠而失去作用，而聲波透射法發出的是高頻聲波，所以往往只能穿透部分巖層。而管波探測法則可以與鉆芯法相結合，在基樁的抽芯鉆孔中利用管波探測技術來檢測基樁存在的問題。

6 結語

根據以上分析，我們可以得出有關于管波探測法的相關結論：第一點是管波探測法的靈敏度和準確度相當高，能夠避免取芯率低和操作人員失誤以及設備操作不當帶來的誤差；第二點是管波探測法要優于其他技術手段，管波探測法得到的溶洞數據要更清晰，能夠測得的最大溶洞高度也高于其他手段，對于隱蔽的溶洞也有一定的勘察能力；最后一點是管波探測在樁身質量檢測以及樁端持力層質量檢測中都能起到較好的作用，將管波探測法與鉆芯法相結合能夠更加直接、有效、全面地發現樁基持力層的巖溶發育情況。

雖然管波探測法還需要很多方面的改進，但其在巖溶勘察中要遠遠優于其它勘察手段，特別是在評估樁端持力層的完整度、指導樁基礎設計以及施工方面有更多優勢，因此值得在更多的石灰巖地區推廣、使用。