管波探测法在桩基岩溶勘察中的应用效果剖析

海 洋

(中铁一院甘肃铁道综合工程勘察院有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 引 言

岩溶又称喀斯特(Karst)，指地表中可溶性岩石(主要是石灰岩)受水的溶解而发生溶蚀、沉淀、崩塌、陷落、堆积等现象形成各种特殊的地貌，如石林、溶沟、漏斗，以及溶洞等，如图1所示。其中，可溶性岩石有3类：①碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、泥灰岩等)；②硫酸盐类岩石(石膏、硬石膏和芒硝)；③卤盐类岩石(钾、钠、镁盐岩石等)[1]。

我国南方地区，灰岩广泛分布，岩溶较发育。在这些地区，基岩面埋深较浅，城市建(构)筑物基础常采用嵌岩桩的基础形式。由于嵌岩桩桩端的承载力很大，对持力层的完整性要求很高，因此，通常采用“一桩一孔”或“一桩多孔”的方式对工程场地进行地质勘察[2]。虽然，岩溶发育在宏观上具有规律性，但是，在桩位范围的局部区域，岩溶形态、延伸及分布缺乏规律[3]。若按这种方式进行勘察、设计及施工，常常会产生桩基半边嵌岩的现象。同时，勘察成本成倍增长，影响工期，且难以完全查明整个桩位的岩溶发育情况。

管波探测法具有易解释、精度高、异常明显、分辨率强、工期短、成本低等优点，在钻孔中利用“管波”这种特殊的弹性波作为工作媒介，探测孔旁一定范围内的土洞、溶洞、软弱夹层等不良地质体的存在及分布情况，可以为建筑物的桩基础设计和施工提供准确的地质资料[4-7]。

2 基本原理

2.1 管波

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，称做广义的瑞利波(Rayleigh Waves)。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(Tube Waves)。常见的管波有两种类型：斯通莱波(Stoneley Waves)和准瑞利波(或称伪瑞利波)。管波探测法使用的管波实际为斯通莱波(Stoneley Waves)[8,9]。

2.2 管波探测法的基本原理

管波具有以下几个特征：

第一，孔中流体的任何振动，几乎都能产生管波，管波的初始频率和管波源的频率相同；

第二，管波的能量由直达管波和反射管波的波幅确定；

第三，斯通莱波沿钻孔的轴向传播，孔液中能量衰减慢、频率变化小。经历一定距离的传播，管波能量依然很强，其能量在井壁外呈指数衰减;

第四，和其他的弹性波一样，在传播方向遇到波阻抗差异界面时，管波也会发生反射。在钻孔孔液和孔壁外一定范围内，发生反射的波阻抗界面有：①孔径变化处；②液面处；③孔底；④孔壁波阻抗差异界面；

第五，实测资料表明，管波的探测范围亦可以用管波的半波长确定，管波的探测范围为以钻孔中心为轴心，管波的半波长为半径的圆柱状区域。管波的传播速度极为稳定，可通过改变管波源的频率来改变管波的探测范围[10]。

因此，管波探测法的基本原理就是通过分析反射管波的波幅特征，探测波阻抗差异界面，通过对界面的解释，推断孔旁溶洞或软弱岩层等不良地质体的发育情况。管波探测法的原理示意图如图2所示。

图2 管波探测法的原理示意图Fig.2 Schematic diagram of tube wave detecting method

2.3 孔旁岩土分层的管波异常特征

根据管波探测法的基本原理及多年实践总结，孔旁岩土分层的管波异常特征，典型岩土名称及工程性质详见表1。

表1 孔旁岩土分层的管波异常特征

3 工作流程与影响因素

3.1 工作流程

管波探测法的工作流程图如图3所示，其具体流程大致如下：

图3 管波探测法的工作流程Fig.3 Workflow of tube wave detecting method

第一，根据桩基设计方案，按要求钻探至完整基岩段设计深度；

第二，钻探清孔，为孔内管波探测提供测试条件。另外，在特殊的地层情况下，孔内还必须放置PVC套管，以此保证管波设备的安全；

第三，根据钻孔深度及地层的复杂度，使用管波仪进行一次或逐段多次测试，获取管波探测时间剖面；

第四，对管波探测时间剖面进行物探解释，判断该钻孔深度是否满足端承桩持力层的要求；

第五，若钻孔深度满足要求，则判定该钻孔可以终孔；否则，加深钻孔，随后返回第二步，再次进行管波探测，直至钻孔深度满足要求为止。

3.2 影响因素

通过大量的实测资料证明，管波探测法的影响因素主要有两个，即套管和井液。

3.2.1 套管

当套管材质为钢管等硬质材料时，由于钢管的波阻抗与井液差异较大，使得钢管具有屏蔽作用，削弱了岩土层波阻抗差异界面的反射管波能量。这是钢套管造成管波异常特征不明显的根本原因。图4为一个钢套管对管波测试的影响实例。从该图中可以看出，该孔内掉入了两段钢套管，使得钢套管外地层被完全屏蔽。这种情况只能通过野外钻探日志获取套管的准确位置，进而再对管波探测时间剖面进行物探解释。

图4 钢套管对管波探测的影响Fig.4 Influence of steel casing on tube wave detection

当套管材质为PVC管等软质材料时，PVC管的波阻抗与井液相当，屏蔽作用很小。但会在管波时间剖面中附加上一条与直达波形态相似的振动干扰，该干扰振动能量强、频率低、延续长度稳定，在直达管波之后到达，到达时间约1.5 ms，且每道可见。

3.2.2 井液

当孔内无井液时，该孔无法进行管波测试；当井液为清水或浓度较稀的泥浆时，井液对管波测试无任何影响；当井液为浓泥浆时，井液会导致直达管波和反射管波的能量显著降低，在管波时间剖面上会出现明显的同相轴弯曲现象。图5为一个典型的井液对管波测试的影响实例。图5(a)为第1天第1次管波测试的波形图，图5(b)为第5天第2次管波测试的波形图，图5(c)为第8天第3次管波测试的波形图，图5(d)为第13天第4次管波测试的波形图。该孔通过13天的静止时间后，测试数据质量才满足了管波资料解释的基本要求。因此，终孔后钻孔必须进行清孔处理。

图5 井液对管波探测的影响Fig.5 Influence of well fluid on tube wave detection

4 应用实例

4.1 工程背景

深圳市城市轨道交通16号线田心车辆段位于深圳市坪山新区兰田路以南，金田路以北，规划聚龙路以东的地块内，田头河自南向北从地块中间穿过。车辆段总占地面积34.28公顷，设计共4 000根桩，如图6所示。根据站段关系，车辆段出入线由田头站接轨，由运用库、联合检修库、综合维修楼、综合办公楼、物资总库、洗车库、工程车库等16个单体组成。金田路和聚龙路各设置一个出入口。田心车辆段联合检修库首层层高13.8 m，上盖预留开发条件，含上盖开发建筑总高不大于50 m。

图6 深圳市城市轨道交通16号线田心车辆段桩位平面Fig.6 Pile site plan of Tianxin rolling stock depot of Shenzhen urban rail transit line 16

该场地地貌单元划属山前冲洪积平原地貌，第四系覆盖层主要以冲洪积成因的细砂、粉细砂、粉质黏土等地层为主，下伏基岩主要包括石炭系下统测水组页岩(全-强风化)、砂岩(全-中风化)，以及石炭系下统石蹬子组矽卡岩(全-微风化)、石灰岩(微风化)。根据前期工程地质勘察的结果，该场地灰岩地层的岩溶较发育，钻孔见洞率约33.3 %，工程地质条件较差，极易导致地面建筑物沉陷、变形、破坏等。故本次施工勘察实行了“一桩一孔一物探”的基本原则，即每一桩基都有对应的钻探勘察孔和相应的管波探测资料。

4.2 岩溶及基岩面实例分析

根据深圳市城市轨道交通16号线田心车辆段嵌岩桩的桩基设计方案，要求钻探入岩后，桩端以下存在9 m完整微风化基岩。同时，要求采用管波探测法查明基岩面埋深，桩端持力层的标高，以及灰岩地层的岩溶(溶洞或溶蚀)发育情况。下面根据几个实例进行说明。

4.2.1 实例1

钻孔LZJ28/S-1的岩芯照片及管波探测成果图如图7所示。在管波探测时间剖面上，可以明显看出该剖面上存在4个管波波组，它们分别为PVC管的直达管波，灰岩地层的直达管波，基岩面的向下反射管波，以及钻孔孔底的向上反射管波。因此，根据管波资料可以判定，该钻孔的基岩面标高为9.99 m，且以钻孔中心为轴线，其半径1.0 m范围的地层区域内无岩溶发育。结合该钻孔对应的桩基设计方案分析，该桩位的桩端持力层的标高为0.99 m。

图7 LZJ28/S-1钻孔的岩芯照片及管波探测成果Fig.7 Core photo of LZJ28/S-1 borehole and results of tube wave detection

4.2.2 实例2

在岩溶发育区，钻探往往受到技术和人为因素的影响，其钻孔的岩芯鉴定结果往往不够准确。钻孔LZJ19/R-1、LZJ19/R-2、LZJ21/R-1，以及LZJ21/R-2的管波探测成果图如图8～图11所示。根据这4个孔的管波探测成果图，得出以下结论：

图8 LZJ19/R-1钻孔管波探测成果Fig.8 Results of LZJ19/R-1 tube wave detection

图9 LZJ19/R-2钻孔管波探测成果Fig.9 Results of LZJ19/R-2 tube wave detection

图10 LZJ21/R-1钻孔管波探测成果Fig.10 Results of LZJ21/R-1 tube wave detection

图11 LZJ21/R-2钻孔管波探测成果Fig.11 Results of LZJ21/R-2 tube wave detection

第一，针对存在较大溶洞的地层，钻孔资料揭示的溶洞底板标高与管波资料解释的结果基本一致，而溶洞顶板标高往往差异较大。由于管波资料的解释结果受主观因素的影响很小，其解释的溶洞顶板标高更加准确，如表2所示。

表2 各钻孔桩端持力层上方的溶洞顶板和底板标高

第二，针对串珠状溶洞的地层，管波资料的地质分层结果更精细，对溶洞的数量和大小的判断相对准确，这更有利于指导岩溶注浆的设计方案。例如，LZJ21/R-1钻孔资料揭示该桩位存在3个 溶洞，而管波资料揭示该桩位存在6个溶洞。其中，厚度大于10 m的溶洞有1个，厚度大于2 m且小于10 m的溶洞有2个，厚度小于2 m的溶洞有3个。

4.2.3 实例3

根据管波探测结果，对深圳市城市轨道交通16号线田心车辆段联合检修库局部区域的基岩面进行分析，以便对该场地的岩溶发育情况进行整体的评估和预测，这更有利于指导桩基设计方案的变更。图12为联合检修库局部区域的基岩面标高等值线图。根据各桩位的管波资料分析的基岩面标高，采用Voxler软件将该场地的基岩面标高制作成三维成果图，如图13所示。从成果图可以明显看出，深蓝色的区域的基岩面较深，这种现象往往与该区域的岩溶发育程度有关。即岩溶越发育，基岩面起伏变化越剧烈。

图12 基岩面标高的等值线Fig.12 Isoline map of bedrock surface elevation

图13 基岩面标高的三维成果Fig.13 3D map of bedrock surface elevation

5 结 论

采用管波探测法确定端承桩桩基持力层，并根据深圳市城市轨道交通16号线田心车辆段桩基岩溶勘察的应用效果，得出以下几点结论：

1)根据管波探测时间剖面，可以快速确定基岩面标高，孔旁岩溶发育情况，以及端承桩桩基持力层；

2)在岩溶发育区，管波探测法的地质分层比钻探更精细，它对孔内溶洞大小和数量的判断相对准确，更有利于指导岩溶注浆的设计方案；

3)管波探测法可对场地岩溶发育情况进行整体的评估和预测，这有利于指导桩基设计方案的变更。