管波探测法在岩溶勘察中的应用

朱振华 邓劲松 易萍华

在岩溶地区进行工程项目建设,常采用嵌岩桩的基础形式。由于基岩中岩溶发育,存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体。根据《岩土工程勘察规范》要求,在施工勘察阶段,当采用大直径嵌岩桩时,应对桩位进行专门的桩基勘察,勘察点应逐桩布置,勘探的深度应不小于桩底面以下桩径的3倍并不小于5 m。但一桩一孔的钻探往往会遗漏孔旁的溶洞,难以完全查明整个桩位范围内的岩溶发育情况,岩溶勘察新方法——管波探测法能探测到直径2 m～2.5 m范围内溶洞、软弱夹层及溶蚀裂隙带的发育分布情况,能有效弥补一桩一孔的不足(见图1)。

1 管波探测法

1.1 管波探测原理

当相互接触的两种介质一种是流体另一种是固体时,流体的振动会在两种介质的分界面附近产生沿界面传播的界面波,称作广义的瑞利波。在液体填充的孔内及孔壁上,广义的瑞利波沿孔的轴向传播,称作管波。管波探测利用桩位中心的一个钻孔,通过在孔液中振动产生管波,管波在孔液和孔壁以外一定范围内沿钻孔轴向传播,除在孔径变化、孔底和孔液表面处产生反射外,在管波有效探测范围内的任何波阻抗变化都会产生反射。在钻孔周围的圆柱状空间,这种波阻抗的变化必定是由于钻孔旁侧的岩性差异及土洞、溶洞、软弱夹层等不良地质体的存在造成的。因而可通过分析反射管波来确定钻孔旁侧是否存在岩性差异及不良地质体。

1.2 管波探测装置

根据管波的传播特性及孔中的测试环境,管波探测法的探测装置如图2所示。图2中发射仪器产生的发射脉冲信号通过发射换能器S转换成振动脉冲,在孔壁周围产生管波,管波沿钻孔轴向向上及向下传播,接收换能器R首先接收到直达管波。沿钻孔轴向传播的管波在波阻抗差异界面(孔径变化处、液面处、孔底、孔壁波阻抗差异界面)处发生反射和透射,反射管波由接收换能器R接收。

1.3 管波探测流程

实际工程中,常常出现钻孔揭露的完整基岩段厚度已经满足规范要求,管波探测法发现其“完整基岩段”中是否存在溶洞、软弱夹层等不良地质体的情况。为了保证桩位持力层的完整性,通常采用管波探测与钻探互动的探测流程,见图3。

1.4 管波探测的工程地质解释

1)界面反射能量强、频率低,且上下反射界面之间的能量存在消散现象,这是洞穴、溶洞的反映。2)当溶洞与探测孔之间存在水力联系或软弱夹层的剪切波速度比孔液压缩波速度小时,在管波时间剖面中表现为管波能量消散,即无直达管波,同时该处的反射管波能量低、频率高,这是溶蚀裂隙的反映。3)倾斜的反射波组即为不良地质体边界处的反射管波,不良地质体的顶、底界面深度为反射管波同相轴时距曲线与零时间的交点对应的深度。4)直达波组不存在向下弯曲变化,直达波以后,无明显的倾斜的直线形反射波组,且不存在管波能量消散现象,这种特征可作为判定孔旁基岩完整的判别依据。

2 管波探测法的应用实例

2.1 工程概况

南京—安庆新建铁路(铁三院设计段),位于长江南岸,大致走向NE—SW。正线线路全长60.35 km,铜九改线段长5.015 km,池州疏解线长3.731 km,线路总长68.827 km。全段桥梁特大桥12座、大桥8座、中桥6座、公路桥6座,总长度为32.47 km,桥梁长度约占全线总长的47.2%;隧道 5座,总长度1.44 km;可溶岩分布线路总长34.0 km。岩溶桥总长24.224 km,其中岩溶中等发育～强烈发育桥总长17.592 km,岩溶不发育～弱发育桥总长6.632 km;溶岩发育地段软土、松软及膨胀土路基5段长约9.6 km,溶岩发育路堑2处。

2.2 应用

宁安城际铁路沿线(铁三院设计段)在岩溶发育强烈桥段,实行逐桩勘探与管波探测相结合的方式;岩溶不发育～弱发育桥段,在一桩一孔基础上,再进行管波探测。岩溶发育强烈桥段,共192个桩位进行了管波探测,在153个已被钻探揭露的溶洞中,管波探测到的溶洞范围增大的有46个,占30.1%,最大增高溶洞为6.9 m;岩溶不发育～弱发育桥段,共98个桩位进行了管波探测,有溶洞而未被钻探揭露的有34个桩位,占已探测桩位的34.7%。

以09-BZD-1224号钻孔为例,钻孔勘察资料显示,-15.23 m高程以下即可作为桩端持力层。而管波解释结果表明,-19.43 m高程以上仍为岩溶发育段,只是未被钻孔揭露。根据管波探测资料,该孔-19.43 m高程以下方可作为桩端持力层。

2.3 验证

为了验证管波探测成果,现场对09-BZD-1087,09-BZD-3218,09-BZD-3276 3个桩位的管波探测成果进行了钻探验证。验证时,在每个桩的桩周各布4个孔进行钻探取芯,验证孔距桩中心约1.0 m～1.5 m。钻探孔的验证情况如下:

1)在管波法解释的“完整基岩段”内,验证钻探均揭露为弱风化岩石,未发现溶洞。

2)在管波法解释的“岩溶发育段”内,虽然在先前的探测孔中未揭露到溶洞,但在后来钻探验证桩位的4个验证孔中,至少有1个验证孔在相应深度位置揭露到溶洞。

3)管波法解释的“溶蚀裂隙发育段”内,在各自的4个验证孔中,至少有1个验证孔在相应深度位置揭露有溶蚀现象。而在管波法解释的“节理裂隙发育段”内,在各自的4个验证孔中,至少有1个验证孔在相应深度位置的岩芯较破碎。

4)管波法解释的“软弱夹层”一般为夹层状分布。

3 结语

从管波探测法在宁安城际铁路中的应用和验证情况,我们可以发现:1)管波探测法可探明钻孔旁侧的岩溶、溶蚀裂隙,其探测范围远大于钻探口径,弥补了钻探“一孔之见”的不足,适用于可溶岩分布区嵌岩桩桩位的勘察。2)应用管波探测法探测过的桩位,基桩在抽芯检验时从未发现桩底溶洞和半边嵌岩情况。

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