管波探測技術在灰巖溶洞地層中的應用研究

摘" 要：以臨沂市沂河路快速化改造工程（京滬高速—清河西路）為研究對象，運用管波探測技術對場區巖溶進行數據采集和解譯。結果表明：場地巖體中巖溶發育形態各異，分布規律性差或無規律性；鉆孔見洞隙率為43.9%，大于30%；線巖溶率最大值為31%，最小值為0，平均值為4.1%；巖溶發育強度等級為“巖溶強發育”；場地巖溶地基穩定性評價結果為不穩定。

關鍵詞：灰巖溶洞" " 管波探測" " 線巖溶率" " 發射換能器" " 接收換能器

中圖分類號：P631

Research on the Application of Tube Wave Detection Technology in Limestone Cave Strata

LI Junming

Shandong Geotechnical Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 246000 China

Abstract： Taking the rapid transformation project of Yihe Road in Linyi City （Beijing Shanghai Expressway Qinghe West Road） as the research object， the pipe wave detection technology is used to collect and interpret karst data in the site area. The results show that the karst development forms in the rock mass of the site are diverse， with poor or irregular distribution patterns. The porosity rate of boreholes is 43.9%， which is greater than 30%. The maximum linear karst rate is 31%， the minimum is 0%， and the average is 4.1%. The intensity level of karst development is \"strongly developed karst\"， and the stability evaluation of the karst foundation of the site is unstable.

Key Wwords： Limestone cave; Tube wave detection; Engineering surveyLinear karst rate; Transmitting transducer; Receiving transducer

灰巖溶洞地層作為一種復雜的地質環境，廣泛分布于我國南部地區，對工程建設構成了嚴峻的挑戰 [1]。因此，準確探測和評估灰巖溶洞地層的地質情況，對于工程設計和施工至關重要。管波探測技術作為一種新興的孔內巖溶探測手段，以其獨特的優勢在巖溶勘察中得到了廣泛應用[2]。

任士房[3]基于聲電效應模擬了隧道工程中的管波傳播規律，研究成果已應用于實際隧道工程超前預報中；陳政道等人[4]運用管波探測技術對碼頭工程中的巖溶地質進行探測，指出管波技術在不規則分布巖溶探測的有效性；孫中科依托貴陽市城市軌道交通3號線區間隧道，運用管波探測技術分析了溶洞的發育情況，探測出了施工過程中34處大小溶洞，為控制巖溶發育地區的地鐵隧道施工地質分析的降低提供了案例。本文以臨沂市沂河路快速化改造工程為研究對象，運用管波探測技術對場區巖溶進行數據采集和解譯，以期為區域類似工程提供參考。

1" "工程概況

臨沂市沂河路快速化改造工程（京滬高速-清河西路）位于臨沂市羅莊區，大致為東西走向，西起京滬高速，東至濱河西路，全長約15.5 km。研究路段里程為K9+200～K13+665.7，全長4.46 km；項目勘探深度范圍內所揭露的地層主要為第四系土層及下伏基巖—奧陶系石灰巖。灰巖的飽和單軸抗壓強度如表1所示。

2" " 管波探測技術的基本原理

管波探測技術探測巖溶的本質是利用了物性之間的波阻抗差異。管波探測專注于在鉆孔內部利用特定類型的彈性波來精確探測和識別不良地質條件，在中國巖溶地形的精細勘探中扮演著先驅角色。如圖1所示，管波探測的基本原理是通過在鉆孔內配置發射換能器和接收換能器，發射儀器產生的脈沖信號，經由發射換能器S高效轉換為振動形式的管波，這些管波隨后沿著鉆孔的軸向方向產生向上或向下的機械振動。在傳播過程中，管波最快被接收換能器R接收的波被稱為直達管波，其能量大部分為壓縮波。然而，當管波遇到鉆孔中的波阻抗差異界面時，管波遵循一般機械波的傳播規律，即發生反射和透射。反射回來的管波（即反射管波）同樣被接收換能器R接收，并攜帶了關于這些界面特性的關鍵信息。通過分析接收到的直達管波和反射管波的特征，包括它們的傳播時間、振幅、頻率變化等，勘探人員可以推斷出鉆孔周圍地質結構的詳細情況，包括不良地質體的位置、規模及性質，為后續的工程設計和施工提供重要的地質依據。

3" 管波探測技術的實際應用

3.1" 管波探測的數據采集

數據采集采用廣州量米勘探科技有限公司生產的TTS-3B型管波測試儀，如圖3所示，整套儀器包括主機、電腦、電纜、發射探頭、接收探頭、主機電源線、主機供電電池。電腦中安裝了采集軟件TTS、處理軟件TWP。軟件整合了數據采集、數據解釋、結果成圖等功能，具有操作簡單、成圖準確直觀、性能穩定等優點。管波探測直徑大于2 m；可以分辨大于0.3 m的孔旁巖溶，以及大于5 cm的裂隙、軟弱巖層、樁底沉渣。

3.2" 管波探測的數據解譯

研究共完成7個鉆孔管波測試，觀測得到的數據從儀器傳輸到電腦中，使用專業處理軟件（TWPV3.4—管波探測法處理解釋系統）進行處理，生成管波探測時間剖面圖[6]。孔旁不良地質體頂底界面的波阻抗差異，基于管波探測法判別孔壁周圍巖土工程性質如表2所示。

3.3" "管波探測結果分析

管波探測場地內發育巖溶類型主要為埋藏型巖溶。從區域地層和鉆探揭露巖層埋深變化情況分析：場地巖體中巖溶發育形態各異，可以表現為溶隙、溶洞等形態；巖石局部破碎、巖面埋深變化大，并且分布規律性差或無規律性，縱橫向展布無序，形態規模復雜；鉆探揭露巖溶洞體充填以可塑～硬塑狀黏土及碎石為主，部分孔為巖溶碎屑、砂充填及無充填。據現有鉆孔統計：鉆孔見洞隙率為43.9%，大于30%；線巖溶率最大值31%，最小值0，平均值4.1%；巖溶發育強度等級為“巖溶強發育”。管波探測的典型解譯圖像如圖2所示。

場地巖層上部分布黏土層且直接與巖層接觸，巖層頂部巖溶洞隙多，溶洞、溶蝕孔洞、裂隙等巖溶現象均有發育，溶洞多為串珠狀分布，巖溶破碎帶及溶洞的厚度、大小、空間分布變化大且很不均勻，溶洞、溶蝕孔隙大小不一且不規則分布，橫向無大型連續發育的空洞型溶洞，多為多個大小不一的小型溶洞呈串珠狀分布或為蜂窩狀巖溶孔洞，空間展布延伸規模較小，溶洞以全填充或半填充狀態存在，偶見空洞型溶洞及溶蝕裂隙，場區巖溶發育程度等級為巖溶強發育。場地巖溶地基穩定性評價結果為不穩定。

4" "結論

（1）根據測試結果，場地巖體中巖溶發育形態各異，分布規律性差或無規律性，場地內巖溶強發育，溶洞、溶蝕孔洞、裂隙等巖溶現象均有發育，溶洞多為串珠狀分布，溶洞內多為全填充，少量半填充及空洞，不存在較大型的空洞，加固處理難度不大，其穩定性稍差。

（2）查明了所測試鉆孔周圍2 m直徑范圍內的巖溶發育情況及完整基巖的分布情況：鉆孔見洞隙率為43.9%，大于30%；線巖溶率最大值31%，最小值0%，平均值4.1%；巖溶發育強度等級為“巖溶強發育”；場地巖溶地基穩定性評價結果為不穩定。

參考文獻

[1]陶俊文.管波探測在巖溶勘察中的應用[J].科學技術創新，2022（8）：161-164.

[2]張午陽，郭都城，葉東昌，等.管波探測法和跨孔彈性波CT法在巖溶場地勘察中的聯合應用研究[J].廣州建筑，2021，49（1）：3-7.

[3]任士房.聲電效應在隧道地震波場物理模擬中的應用研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[4]陳振道，楊克勤，黃雯雯. 巖溶地區某碼頭工程的勘察與樁基設計優化策略[J].水運工程，2024（8）：282-287.

[5]孫中科.城市軌道交通隧道綜合巖溶勘察技術創新應用[J].鐵道勘察，2024，50（2）：71-78.

[6]張苑輝，王霽霞.樁基巖溶勘察中管波探測法的應用效果分析[J].西部探礦工程，2024，36（9）：32-36.