管波探测在岩溶勘察中的应用

陶俊文

(中国建筑材料工业地质勘查中心广西总队，广西 桂林 541002)

1 概述

岩溶地质勘察探测新方法——管波探测法, 可精确探测到溶洞等不良地质情况,解决岩溶发育地区探测难的问题[1]。通过国内外十余家勘测设计研究单位合作,近十余年来在高速公路、高速铁路、高层建筑、城市轨道交通线路等领域数百项工程设计成果,逾五万例桩位岩溶勘探的实践证明,管波勘探法已是一门基础理论完善、基础研究充分的技术,主要使用地区涉及我国南方岩溶发育地区的工程勘察工作,目前通过对该技术的广泛应用,获得了显著的社会经济效益。

2 管波探测法

2.1 管波探测法原理

2.1.1 方法概述

管波探测法,主要是在钻孔中充分利用弹性波原理,对地下溶洞、溶蚀地质裂缝、软弱地质夹层等不良地质条件的最新物探方法。管波勘探法主要应用于岩溶区域的基础勘探,通常情况下是在桩位超前阶段勘探或基础勘探阶段完成[2]。其主要运用了将基桩施工时置于其中央的钻机,通过在钻孔液中振荡产生管波,接收和分解并记录其主要通过钻孔液与孔旁岩两种土体间振动传递的不同振动测量波形,来准确探测钻孔旁一定区域内的硬质岩溶、软弱砂岩夹层和地质裂隙沉降带的地质结构的情况,可快速准确发现和测定基桩孔径范围内的具体地质结构情况、并评价探测基桩施工质量和岩体地层的结构完整性,因此管波探测法具备了费用少、质量高、周期短、维护保养方便、操作简单、探测结果准确等六大优点[3]。目前在我国公路隧道桥梁、工业与大型民用建筑等的工程勘察中被广泛应用,技术应用成熟。

2.1.2 管波的质点运动规律与能量分布

斯通莱波沿质子钻孔的触点轴向运动传播, 具有前推式质点轴向运动幅度轨迹, 质点轴向运动幅度轨迹为直角椭圆。图1 为斯通莱波质子传播钻孔过程中质子触点的轴向运动幅度轨迹及质点振动时的幅度曲线示意图。

图1 斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度示意图

其径向运动位移通常是连续的,在靠近井壁中心处最大,在靠近井壁处向外呈一个指数方向衰减。

其在轴向上的位移不连续,在孔液中很大,在一口井壁内向外呈一个指数方向衰减。

根据目前研究, 管波能量主要集中在以钻孔的中心点作为发射中心,半径大约为1.5 个毫米波长的天线范围内。

2.2 管波探测法的优缺点

2.2.1 管波探测法的优点

目前, 在施工上常常采取一桩一孔或一桩双多孔的钻井方法开展桩位勘探,但一桩一孔钻井常常会遗失孔旁的岩溶,且一桩多孔钻井施工成本较高,且工期常常过长。管波探测法具备如下优点:

a.管波的存在能力较强、衰变速度缓慢、传播频率与孔旁围岩切剪波速率密切相关等优点,因此由孔旁岩溶、软弱夹层和裂缝带产生的管波异常很容易鉴定,对异常的地质解释较有独立性,勘探结果可信度较高;

b.对探测溶洞的分辨力更强,更精确;

c.对勘查仪器设备的技术要求较少,对勘查仪器与设备投入较小,勘察精度较高,能有效勘察出不良地质体;

d.勘察速度快,施工工期短,费用低,隐患少,勘察设备操作简单,易上手;

e. 对技术人员的技术水平要求低, 适用于复杂的施工环境。

以表1 为管波探测法与传统钻探勘察方法之间的对比:

表1 管波探测法对岩土层的地球物理层分类

2.2.2 管波探测法存在的问题

在开展勘察探测的过程中,在作业现场常遇到以下情况:

a.当管波探头下至钻井底部的过程中,遇到特殊情况,均可能会造成管波探头无法开展工作, 从而无法达到勘察目标。

b. 管波探测需有钻孔内有孔液作为介质, 进行弹性波传播,如果缺乏地下水,孔内岩石面过于破损,导致管波无法在孔内进行传播,从而无法达到勘察目标。

c.在钻孔内如采用钢套管做支持,钢套管对管波探测的屏蔽作用,使得管波探测准确性下降,效率减低,无法确保完成勘察的目标

2.2.3 解决方案

针对勘察探测的过程中可采取以下解决措施:

a.在下管波探头前,应对钻孔进行处理,达到探测条件后方可下探头,同时对管波探头进行定期清理,以确保管波探头达到钻孔底部。

b.在钻孔旁边准备好水源,一旦发现钻孔内水量不足或没有水时,及时向钻孔补充水量,确保钻孔内孔液充足,保证弹性波在钻孔内的传播和反射,确保探测正常开展。

c.在进入岩层后,孔内岩石面过于破损,以减少钢套管对管波探测的屏蔽作用,提高探测的准确度和质量,确保探测工作正常开展,从而达到勘察的目标。

3 管波探测方法与技术

3.1 工作装置

依据管波的传输特点和孔中的检测环境条件, 管波探测法的主要探测设备如图2。

依据管波的轴向传播特性, 利用检测器对地层构造实施了探测。所需要的装置设备如图2 所示。由图2 中的发射脉冲仪振动产生脉冲信号,然后再利用仪器s 产生的脉冲信号,并在孔室附近振动后产生的管波,管波沿电动钻孔器的轴向驱动上或下进行管波传导[4]。沿各个钻孔轴向反射传播的管波在波阻抗不同差异反射界面,在节点处依次进行轴向反射和管波透射,反射管波后由钻孔接收器的换波功能滤波器R接收。

图2 管波探测法的探测装置示意图

3.2 野外工作方法

野地工作时,通常使用自激自收观察控制系统。图3 为自激自收观测系统示意图。利用这个探测系统,来自于不同界面上的反射管波能够更好的分离,更方便于解读信息。

图3 管波探测法观测系统示意图

3.3 数据的处理与解释方法

可以通过管波的波速、幅值、频谱判断层次界面结构与岩石层内部的土壤类型和工程特性。

根据管波探测原理, 上述判别准则确定的孔旁岩土层的工程性质如表2。

表2 岩土层的工程性质

3.4 影响因素

基于最新的研究, 对管波探测法的影响首先是套管的影响。

当硬质套筒内的所有材料全部为不锈钢管时, 放入孔内的整个套筒内部将会自发产生一种椭圆管形的波能阻隔体,当管波发射源在整个硬质套筒内传播时,由于管波能量被全部密封在硬质管波套筒内,因此大部分管波的发射能量都不能及时发射到粘土岩石和坚硬土壤中。所以,当将管波能量接收机与管波换能器全部同时置于硬质套管内时,探测准确性则会大大的降低,从而无法达到勘察目标。

故在采用铁质套管或被套管笼罩住的探测区段, 因为铁质套管的遮蔽效应,与岩土地质层套管波组之间的抗压性差的原因,与外界面的压力反射使套管波组的能力明显下降,且管波反射探测特性并不明确,因此管波探测法用来解析的实测结果可能产生影响较大偏差,无法达到勘察目标。

4 管波探测法的应用实例

4.1 工程概况

某新建铁路,大致走向东北-西南走向。铁路线路总长为70.2km。其中特大桥17 座、大桥9 座、中桥10 座、公路桥10座,总长度为20.4km,桥梁长度约占全线总长的29.1%;其中位于岩溶强烈发育桥梁总长为14.6km,岩溶弱发育桥总长位5.8km。在对部分基桩采用管波探测法进行勘察后,发现存在未被发现的不良地质体。经过深入研究探讨,决定采用“钻孔勘探+管波探测”的方法,对桥位区剩余基桩进行探测。

4.2 应用

4.2.1 探测方案

该铁路沿线存在岩溶发育强烈地区, 采用钻孔勘探与管波探测结合方法进行探测;在岩溶发育地区,在钻孔的基础上进行管波探测。

Z1、Z2为波阻抗。A0为入射波的振幅,R 为界面的反射系数。

在岩溶发育强烈的桥段,进行管波探测桩位共200 个,在180 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%;在岩溶弱发育桥段,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%。

4.2.2 判别准则

无倾斜反射波组的基岩段为完整基岩段。

存在振幅较大的倾斜反射波组的位置,一般为孔中、孔旁溶洞的边界或钻孔穿过波阻抗差异较大的软弱夹层。

存在振幅较小的倾斜反射波组的位置, 同时直达波速度较大时,一般为钻孔穿过波阻抗差异较小的软弱夹层。

存在振幅较小的倾斜反射波组的位置, 同时直达波速度较小时,一般为孔旁岩石裂隙发育。

4.3 验证

为检验管波勘探结果, 在现场对3 个桩位的管波勘探结果进行了钻探检验。检验时,在每个桩周均布4 个孔进行钻孔取芯,验证桩中心距离约在1.0m～1.5m 范围内。钻探孔的检验情况如下:

4.3.1 在完整基岩段内,未发现溶洞等不良地质体。

4.3.2 在岩溶发育段内,发现有1 个验证孔发现溶洞。

4.3.3 在溶蚀裂隙发育段内,在4 个检验孔中,有1 个检验孔发现有酸液现象。但在节理裂隙发育段内,有1 个孔发现石芯比较破碎。

5 结论

综上所述,在当前岩溶勘察中的发展过程中,管波探测技术的大量应用已是必然的趋势,管波探测法用于岩溶地区勘察是一种有效方法[6]。同时,管波探测法与钻孔技术相辅相成,钻孔是管波探测发的基础,探测的范围更大、更宽,精度更准,效率更高。但需要进行现场验证。岩溶地区勘察工作采用钻探结合可以充分发挥管波探测法的勘察速度快、费用低、周期短等优势,可有效降低施工经费、提高工程质量。可以探测桩基范围的岩溶发育情况, 为施工提供可靠的地质资料保障。管波探测法在实际的工程应用中,保证了项目的施工进度和桩基等基础建设工程的安全事故, 具有良好的经济效益。