管波探测法在岩溶勘察中的应用

彭曙光,王霁霞,张苑辉

（广东省工程勘察院，广东 广州 510510）

1 概述

岩溶地质指的是由于水流的冲刷作用形成的地质地貌。岩溶地区在我国的分布面积占总面积的30%以上，分布极为广泛，主要集中在中南和西南地区。由于岩溶地区地下空洞多，土质疏散，所以地下岩石体的力学强度非常容易在岩溶作用下改变，从而影响上层建筑，也加大了岩溶上方的土木建设的难度。而管波探测法的应用能够对岩溶周围地区的地质环境进行勘察，从而保证了土木工程建设的安全。

2 管波探测法的原理

管波探测法是我国自主研发的一种岩溶勘察技术，它的工作方式是首先在地下打深孔，再在钻孔中利用管波来勘察钻孔旁一定范围内的地质，从中发现软夹层、溶洞等不良地质，为之后的工程施工打下基础。

根据弹性波理论，当震动在弹性介质中传播时，按照传播空间可以分为面波和体波两种。其中面波由瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波组成，面波在波阻抗附近传播；体波则由纵波和横波组成，体波可以在无限空间中传播。当钻孔中充满液体时，钻孔会与周围的地质形成一个波阻抗，经过的波与该界面相交时就会形成一个新震源，从而产生沿着钻孔向下传播的波，这就是管波。在界面处会发生振幅，公式如下：

式中：A——反射波的振幅；

A0——入射波的振幅；

R——界面的反射系数；

Z1、Z2——界面两侧介质的波阻抗。

界面的波阻抗差别可以通过反射波的强弱得到，通过分析放射波的特征，可以了解到波阻抗差异界面的情况，通过对波阻抗界面的分析就能够得知到钻孔周围是否存在岩溶洞和软夹层。在现有技术下，管波探测仪器能够接收到的频率在650～750Hz之间，而管波探测的频率一般在150～3100Hz。根据半波长理论，管波探测法可以探测到直径和管波波长相等的柱形范围。即以钻孔为中心，半径为1.2m。管波探测有以下优点：首先是工期短、成本低，在钻探过程中即可完成勘察；第二点是管波的能量强、衰减速度慢，波形容易识别；第三点是探测精度高，受干扰因素低。

3 管波探测法的工作流程和影响因素

3.1 工作流程

图1为管波探测法的基本工作流程。

图1 管波探测法的基本工作流程图

（1）根据工程的设计方案，将钻孔钻探至所要探测的地下岩体深度；

（2）做好钻探清孔工作，在比较特殊的地区还必须在钻孔内放入PVC管，以防止设备被破坏，为孔内的管波测试提供良好条件；

（3）根据地层的复杂程度和钻孔深度的不同，使用相关设备进行重复测试，从而获取管波测试的时间剖面图：

（4）对管波测试的时间剖面图进行分析，判断该钻孔的深度能否在该地质下满足要求；

（5）如果钻孔的深度可以承受压力，则可以结束钻孔；否则的话则返回第二步继续探测，直到钻孔深度满足需要。

3.2 影响因素

管波探测法主要会受到套管材质和井液清澈度的影响：

一般当套管的材质为金属时，比如钢性管，就会影响设备对于反射波的吸收。这是因为硬材料的波阻抗与井液的波阻抗差别较大，导致钢管屏蔽了反射波，削弱了土壤层波阻抗差异界面的管波能量。从而导致了金属管钻孔会产生管波特征弱的现象。所以现在钻孔套管所用的材质一般为强度高塑料等软材，这时井液的波阻抗会基本等同于塑料软管，几乎不会屏蔽反射波。但是会在管波时间剖面里产生与直达波相似的震动干扰，该干扰震动频率低、能量强、长度稳定，并且在直达管波后到达，且非常容易观察到。

管波测试要求钻孔内必须灌满液体，当井液杂质少的泥水或者清水时，测试的精准度和灵敏度会很高；而当井液浑水或者杂质较多时，井液会严重削弱反射管波和直道管波的能量，管波的时间剖面会出现非常明显的弯曲现象，从而严重影响测试结果。因此钻孔必须要进行清口处理。

4 管波探测法的工程实例

4.1 工程实例1

某工程准备建造地上3层地下2层的大型一体化超市，场地位于河流下游的冲积平原地形，上层土质主要为粗砂层、细砂层、淤泥、粘质土、人为填土等，下层基层岩石为石灰岩。场地底部的砂层下方几乎全部为可溶性岩层，溶洞的比例超过70%，线岩的溶洞率更是高达37.5%,其中发现的最大的溶洞超过19m，溶洞为串联状连接。部分地区土洞裸露，最大的土洞高度为12.9m，上层砂层的表层水与岩溶水流通，基岩中存在软弱夹层，地质情况十分复杂。岩溶的强作用对于工程地基处理、基坑开挖以及其它基础施工工作影响极大，在工程进行期间或者完工后，很有可能会因为地表建筑质量过大发生地陷、塌方等灾害，造成严重的后果。查明钻孔持力层以及周边的地质情况，对于工作人员的定桩长度和溶洞的处理十分重要。

因此工程单位要求在一桩一孔钻孔的基础上,利用管波探测技术来探测桩底是否存在岩溶层和软弱夹层。图2是ZK11b孔的柱状图及探测说明,钻孔在高程-5.39m处钻入石灰岩,至高程-13.20m处停止钻孔,钻孔内岩石连接完整，没有发现空洞。在管波探测法时间剖面中位于土层的-2.4m处和基岩层附近-5.3m处以及-9.5m附近的反射管波十分强烈,其中-9.5m附近的能量很强。根据管波探测法原理，此处钻孔旁存在着岩溶强发育的现象,岩溶顶底界面高程为-8.39m、-9.39m,由此可以证明岩溶洞的确存在。

图2 ZK11b孔的柱状图及探测结果

4.2 工程实例2

该工程为某地高架桥，G15钻孔为桩位的中心钻孔,探测发现在-17.19m以下全部为石灰岩。根据管波探测技术分析-17.5～-19.65m处有多个并行溶洞,-19.65m深处下才是连续的基岩层。根据工程方的需要,技术人员在G15孔周围钻4个钻孔来验证管波解释的岩溶发育段的存在情况和完整基岩段的完整情况，以G15孔为中心，其余验证孔距离中心孔为70cm。结果见图3。

图3 G15钻孔探测结果及验证情况

在对4个验证孔进行分析后,运用管波探测法分析G15-2的基岩面处于岩溶洞的下方位置,而且基岩面的圆石是溶洞中水流冲刷的结果。而G15-3则发现溶洞。经过对比发现,确实存在管波探测显示的岩溶发育段,而测试结果也与岩溶发育段的底界吻合。在所有测试孔中，管波解释的基岩(-19.65～-26.9m高程段)均完整。在管波法解释的“溶蚀裂隙发育段”内在各自的4个验证孔中②至少有1个验证孔在相应深度位置的岩芯较破碎。而管波法解释的“溶蚀裂隙发育段”内的各自的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。

5 管波探测技术的弊端与发展方向

用管波探测法可以确定钻孔旁是否存在溶洞，但不能确定溶洞的位置，也无法确定溶洞和钻孔中心的位置。因此，管波探测法并不适用于直径在2m之上的桩位勘察。

土洞与土层之间并没有明显的物理性质差异，因为两者之间的管波波阻抗差异界面近乎相似，所以管波法对于土洞的反映不明显。两者的波形均为低能量的“白色带”，管波的波形图像特征都很相似。土洞的存在给施工人员和设备带来了巨大的隐患，威胁着基础施工的进行。

当前，管波探测设备产生的管波并不能够彻底通过钻孔套管的护壁，套管内可获得的所得的信息不准确，很难判断出周围溶洞的发育和分布情况。

管波探测法已经在我国的工程建设中广泛应用。根据目前的应用效果来说，在超前探测时期，管波探测技术能够只依靠一个钻孔，就能直接确定钻孔直径范围内是否有软弱夹层和溶洞的存在，了解持力层是否完整，在桩位设计、施工和保持钻孔持力层完整方面有着良好的作用，从而可以为设计更准确地定桩端位置提供可靠依据。

管波探测法的成功率几乎是100%，使用了该技术的工程，在抽芯检验时土层往往连续，没有发现地下空洞。目前，管波探测技术只能检测周围是否存在溶洞，却无法确定其具体位置与距离。距离的问题可以通过改变管波频率的方式来解决，但这一技术仍在开发中；方位的问题其实并没有解决的必要，对选择桩端位置的意义不大。

而对于已经施工完成的工程，通常会利用钻芯法、反射波法以及声波透射法来检测工程是否存在隐患。钻芯法往往只能观测到钻孔内的情况，发射波法由于设备在基桩顶部发射和接收讯号，离溶洞位置过远而失去作用，而声波透射法发出的是高频声波，所以往往只能穿透部分岩层。而管波探测法则可以与钻芯法相结合，在基桩的抽芯钻孔中利用管波探测技术来检测基桩存在的问题。

6 结语

根据以上分析，我们可以得出有关于管波探测法的相关结论：第一点是管波探测法的灵敏度和准确度相当高，能够避免取芯率低和操作人员失误以及设备操作不当带来的误差；第二点是管波探测法要优于其他技术手段，管波探测法得到的溶洞数据要更清晰，能够测得的最大溶洞高度也高于其他手段，对于隐蔽的溶洞也有一定的勘察能力；最后一点是管波探测在桩身质量检测以及桩端持力层质量检测中都能起到较好的作用，将管波探测法与钻芯法相结合能够更加直接、有效、全面地发现桩基持力层的岩溶发育情况。

虽然管波探测法还需要很多方面的改进，但其在岩溶勘察中要远远优于其它勘察手段，特别是在评估桩端持力层的完整度、指导桩基础设计以及施工方面有更多优势，因此值得在更多的石灰岩地区推广、使用。