管波探測(cè)在巖溶勘察中的應(yīng)用

陶俊文

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣西總隊(duì)，廣西 桂林 541002)

1 概述

巖溶地質(zhì)勘察探測(cè)新方法——管波探測(cè)法, 可精確探測(cè)到溶洞等不良地質(zhì)情況,解決巖溶發(fā)育地區(qū)探測(cè)難的問(wèn)題[1]。通過(guò)國(guó)內(nèi)外十余家勘測(cè)設(shè)計(jì)研究單位合作,近十余年來(lái)在高速公路、高速鐵路、高層建筑、城市軌道交通線路等領(lǐng)域數(shù)百項(xiàng)工程設(shè)計(jì)成果,逾五萬(wàn)例樁位巖溶勘探的實(shí)踐證明,管波勘探法已是一門(mén)基礎(chǔ)理論完善、基礎(chǔ)研究充分的技術(shù),主要使用地區(qū)涉及我國(guó)南方巖溶發(fā)育地區(qū)的工程勘察工作,目前通過(guò)對(duì)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用,獲得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 管波探測(cè)法

2.1 管波探測(cè)法原理

2.1.1 方法概述

管波探測(cè)法,主要是在鉆孔中充分利用彈性波原理,對(duì)地下溶洞、溶蝕地質(zhì)裂縫、軟弱地質(zhì)夾層等不良地質(zhì)條件的最新物探方法。管波勘探法主要應(yīng)用于巖溶區(qū)域的基礎(chǔ)勘探,通常情況下是在樁位超前階段勘探或基礎(chǔ)勘探階段完成[2]。其主要運(yùn)用了將基樁施工時(shí)置于其中央的鉆機(jī),通過(guò)在鉆孔液中振蕩產(chǎn)生管波,接收和分解并記錄其主要通過(guò)鉆孔液與孔旁巖兩種土體間振動(dòng)傳遞的不同振動(dòng)測(cè)量波形,來(lái)準(zhǔn)確探測(cè)鉆孔旁一定區(qū)域內(nèi)的硬質(zhì)巖溶、軟弱砂巖夾層和地質(zhì)裂隙沉降帶的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況,可快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和測(cè)定基樁孔徑范圍內(nèi)的具體地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況、并評(píng)價(jià)探測(cè)基樁施工質(zhì)量和巖體地層的結(jié)構(gòu)完整性,因此管波探測(cè)法具備了費(fèi)用少、質(zhì)量高、周期短、維護(hù)保養(yǎng)方便、操作簡(jiǎn)單、探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等六大優(yōu)點(diǎn)[3]。目前在我國(guó)公路隧道橋梁、工業(yè)與大型民用建筑等的工程勘察中被廣泛應(yīng)用,技術(shù)應(yīng)用成熟。

2.1.2 管波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與能量分布

斯通萊波沿質(zhì)子鉆孔的觸點(diǎn)軸向運(yùn)動(dòng)傳播, 具有前推式質(zhì)點(diǎn)軸向運(yùn)動(dòng)幅度軌跡, 質(zhì)點(diǎn)軸向運(yùn)動(dòng)幅度軌跡為直角橢圓。圖1 為斯通萊波質(zhì)子傳播鉆孔過(guò)程中質(zhì)子觸點(diǎn)的軸向運(yùn)動(dòng)幅度軌跡及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)的幅度曲線示意圖。

圖1 斯通萊波傳播過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡及振動(dòng)幅度示意圖

其徑向運(yùn)動(dòng)位移通常是連續(xù)的,在靠近井壁中心處最大,在靠近井壁處向外呈一個(gè)指數(shù)方向衰減。

其在軸向上的位移不連續(xù),在孔液中很大,在一口井壁內(nèi)向外呈一個(gè)指數(shù)方向衰減。

根據(jù)目前研究, 管波能量主要集中在以鉆孔的中心點(diǎn)作為發(fā)射中心,半徑大約為1.5 個(gè)毫米波長(zhǎng)的天線范圍內(nèi)。

2.2 管波探測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1 管波探測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)

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(kāi)展樁位勘探,但一樁一孔鉆井常常會(huì)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(guò)長(zhǎng)。管波探測(cè)法具備如下優(yōu)點(diǎn):

a.管波的存在能力較強(qiáng)、衰變速度緩慢、傳播頻率與孔旁圍巖切剪波速率密切相關(guān)等優(yōu)點(diǎn),因此由孔旁巖溶、軟弱夾層和裂縫帶產(chǎn)生的管波異常很容易鑒定,對(duì)異常的地質(zhì)解釋較有獨(dú)立性,勘探結(jié)果可信度較高;

b.對(duì)探測(cè)溶洞的分辨力更強(qiáng),更精確;

c.對(duì)勘查儀器設(shè)備的技術(shù)要求較少,對(duì)勘查儀器與設(shè)備投入較小,勘察精度較高,能有效勘察出不良地質(zhì)體;

d.勘察速度快,施工工期短,費(fèi)用低,隱患少,勘察設(shè)備操作簡(jiǎn)單,易上手;

e. 對(duì)技術(shù)人員的技術(shù)水平要求低, 適用于復(fù)雜的施工環(huán)境。

以表1 為管波探測(cè)法與傳統(tǒng)鉆探勘察方法之間的對(duì)比:

表1 管波探測(cè)法對(duì)巖土層的地球物理層分類(lèi)

2.2.2 管波探測(cè)法存在的問(wèn)題

在開(kāi)展勘察探測(cè)的過(guò)程中,在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常遇到以下情況:

a.當(dāng)管波探頭下至鉆井底部的過(guò)程中,遇到特殊情況,均可能會(huì)造成管波探頭無(wú)法開(kāi)展工作, 從而無(wú)法達(dá)到勘察目標(biāo)。

b. 管波探測(cè)需有鉆孔內(nèi)有孔液作為介質(zhì), 進(jìn)行彈性波傳播,如果缺乏地下水,孔內(nèi)巖石面過(guò)于破損,導(dǎo)致管波無(wú)法在孔內(nèi)進(jìn)行傳播,從而無(wú)法達(dá)到勘察目標(biāo)。

c.在鉆孔內(nèi)如采用鋼套管做支持,鋼套管對(duì)管波探測(cè)的屏蔽作用,使得管波探測(cè)準(zhǔn)確性下降,效率減低,無(wú)法確保完成勘察的目標(biāo)

2.2.3 解決方案

針對(duì)勘察探測(cè)的過(guò)程中可采取以下解決措施:

a.在下管波探頭前,應(yīng)對(duì)鉆孔進(jìn)行處理,達(dá)到探測(cè)條件后方可下探頭,同時(shí)對(duì)管波探頭進(jìn)行定期清理,以確保管波探頭達(dá)到鉆孔底部。

b.在鉆孔旁邊準(zhǔn)備好水源,一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)水量不足或沒(méi)有水時(shí),及時(shí)向鉆孔補(bǔ)充水量,確保鉆孔內(nèi)孔液充足,保證彈性波在鉆孔內(nèi)的傳播和反射,確保探測(cè)正常開(kāi)展。

c.在進(jìn)入巖層后,孔內(nèi)巖石面過(guò)于破損,以減少鋼套管對(duì)管波探測(cè)的屏蔽作用,提高探測(cè)的準(zhǔn)確度和質(zhì)量,確保探測(cè)工作正常開(kāi)展,從而達(dá)到勘察的目標(biāo)。

3 管波探測(cè)方法與技術(shù)

3.1 工作裝置

依據(jù)管波的傳輸特點(diǎn)和孔中的檢測(cè)環(huán)境條件, 管波探測(cè)法的主要探測(cè)設(shè)備如圖2。

依據(jù)管波的軸向傳播特性, 利用檢測(cè)器對(duì)地層構(gòu)造實(shí)施了探測(cè)。所需要的裝置設(shè)備如圖2 所示。由圖2 中的發(fā)射脈沖儀振動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào),然后再利用儀器s 產(chǎn)生的脈沖信號(hào),并在孔室附近振動(dòng)后產(chǎn)生的管波,管波沿電動(dòng)鉆孔器的軸向驅(qū)動(dòng)上或下進(jìn)行管波傳導(dǎo)[4]。沿各個(gè)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(jié)點(diǎn)處依次進(jìn)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(cè)法的探測(cè)裝置示意圖

3.2 野外工作方法

野地工作時(shí),通常使用自激自收觀察控制系統(tǒng)。圖3 為自激自收觀測(cè)系統(tǒng)示意圖。利用這個(gè)探測(cè)系統(tǒng),來(lái)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(cè)法觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.3 數(shù)據(jù)的處理與解釋方法

可以通過(guò)管波的波速、幅值、頻譜判斷層次界面結(jié)構(gòu)與巖石層內(nèi)部的土壤類(lèi)型和工程特性。

根據(jù)管波探測(cè)原理, 上述判別準(zhǔn)則確定的孔旁巖土層的工程性質(zhì)如表2。

表2 巖土層的工程性質(zhì)

3.4 影響因素

基于最新的研究, 對(duì)管波探測(cè)法的影響首先是套管的影響。

當(dāng)硬質(zhì)套筒內(nèi)的所有材料全部為不銹鋼管時(shí), 放入孔內(nèi)的整個(gè)套筒內(nèi)部將會(huì)自發(fā)產(chǎn)生一種橢圓管形的波能阻隔體,當(dāng)管波發(fā)射源在整個(gè)硬質(zhì)套筒內(nèi)傳播時(shí),由于管波能量被全部密封在硬質(zhì)管波套筒內(nèi),因此大部分管波的發(fā)射能量都不能及時(shí)發(fā)射到粘土巖石和堅(jiān)硬土壤中。所以,當(dāng)將管波能量接收機(jī)與管波換能器全部同時(shí)置于硬質(zhì)套管內(nèi)時(shí),探測(cè)準(zhǔn)確性則會(huì)大大的降低,從而無(wú)法達(dá)到勘察目標(biāo)。

故在采用鐵質(zhì)套管或被套管籠罩住的探測(cè)區(qū)段, 因?yàn)殍F質(zhì)套管的遮蔽效應(yīng),與巖土地質(zhì)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(cè)特性并不明確,因此管波探測(cè)法用來(lái)解析的實(shí)測(cè)結(jié)果可能產(chǎn)生影響較大偏差,無(wú)法達(dá)到勘察目標(biāo)。

4 管波探測(cè)法的應(yīng)用實(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)度為20.4km,橋梁長(zhǎng)度約占全線總長(zhǎng)的29.1%;其中位于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育橋梁總長(zhǎng)為14.6km,巖溶弱發(fā)育橋總長(zhǎng)位5.8km。在對(duì)部分基樁采用管波探測(cè)法進(jìn)行勘察后,發(fā)現(xiàn)存在未被發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)體。經(jīng)過(guò)深入研究探討,決定采用“鉆孔勘探+管波探測(cè)”的方法,對(duì)橋位區(qū)剩余基樁進(jìn)行探測(cè)。

4.2 應(yīng)用

4.2.1 探測(cè)方案

該鐵路沿線存在巖溶發(fā)育強(qiáng)烈地區(qū), 采用鉆孔勘探與管波探測(cè)結(jié)合方法進(jìn)行探測(cè);在巖溶發(fā)育地區(qū),在鉆孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行管波探測(cè)。

Z1、Z2為波阻抗。A0為入射波的振幅,R 為界面的反射系數(shù)。

在巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的橋段,進(jìn)行管波探測(cè)樁位共200 個(gè),在180 個(gè)已被鉆探揭露的溶洞中, 管波探測(cè)到的溶洞范圍增大的有46 個(gè),占30.1%;在巖溶弱發(fā)育橋段,有溶洞而未被鉆探揭露的有34 個(gè)樁位,占已探測(cè)樁位的34.7%。

4.2.2 判別準(zhǔn)則

無(wú)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(guò)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(shí)直達(dá)波速度較大時(shí),一般為鉆孔穿過(guò)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(shí)直達(dá)波速度較小時(shí),一般為孔旁巖石裂隙發(fā)育。

4.3 驗(yàn)證

為檢驗(yàn)管波勘探結(jié)果, 在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)3 個(gè)樁位的管波勘探結(jié)果進(jìn)行了鉆探檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí),在每個(gè)樁周均布4 個(gè)孔進(jìn)行鉆孔取芯,驗(yàn)證樁中心距離約在1.0m～1.5m 范圍內(nèi)。鉆探孔的檢驗(yàn)情況如下:

4.3.1 在完整基巖段內(nèi),未發(fā)現(xiàn)溶洞等不良地質(zhì)體。

4.3.2 在巖溶發(fā)育段內(nèi),發(fā)現(xiàn)有1 個(gè)驗(yàn)證孔發(fā)現(xiàn)溶洞。

4.3.3 在溶蝕裂隙發(fā)育段內(nèi),在4 個(gè)檢驗(yàn)孔中,有1 個(gè)檢驗(yàn)孔發(fā)現(xiàn)有酸液現(xiàn)象。但在節(jié)理裂隙發(fā)育段內(nèi),有1 個(gè)孔發(fā)現(xiàn)石芯比較破碎。

5 結(jié)論

綜上所述,在當(dāng)前巖溶勘察中的發(fā)展過(guò)程中,管波探測(cè)技術(shù)的大量應(yīng)用已是必然的趨勢(shì),管波探測(cè)法用于巖溶地區(qū)勘察是一種有效方法[6]。同時(shí),管波探測(cè)法與鉆孔技術(shù)相輔相成,鉆孔是管波探測(cè)發(fā)的基礎(chǔ),探測(cè)的范圍更大、更寬,精度更準(zhǔn),效率更高。但需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。巖溶地區(qū)勘察工作采用鉆探結(jié)合可以充分發(fā)揮管波探測(cè)法的勘察速度快、費(fèi)用低、周期短等優(yōu)勢(shì),可有效降低施工經(jīng)費(fèi)、提高工程質(zhì)量?？梢蕴綔y(cè)樁基范圍的巖溶發(fā)育情況, 為施工提供可靠的地質(zhì)資料保障。管波探測(cè)法在實(shí)際的工程應(yīng)用中,保證了項(xiàng)目的施工進(jìn)度和樁基等基礎(chǔ)建設(shè)工程的安全事故, 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。