岩溶地区管波解译溶洞精确尺度的探讨

赵德振

（广州市设计院广州510620）

0 引言

随着工程技术的进步，越来越多的工程项目在岩溶地区进行建设，且经常采用端承桩的基础形式。由于岩溶地区通常有溶洞、土洞溶蚀裂隙、地下河等不良地质现象发育，给工程施工的安全性带来巨大挑战。因此，现场施工中如何准确的判断溶洞的大小、位置对于桩基施工质量和建筑物安全性至关重要。依据《岩土工程勘察规范：GB50021-2001（2019 版）》的要求，对于岩溶地区施工勘察阶段大直径嵌岩桩勘探点应逐桩布置，勘探深度应不小于底面以下桩径的3 倍并不小于5 m［1］。结合以往建设的工程案例，桩基勘察一桩一孔的钻探方式往往不能完全揭露整个桩位范围内的岩溶发育情况，同时一桩多孔的勘察方式成本较高［2-4］。现阶段管波探测与钻孔相结合的方法在岩溶勘察、桩身完整性检测应用中得到重视［5-9］，该方法可以解译钻孔直径2 m 范围内溶洞、土洞、溶蚀裂隙发育情况等，即一桩一孔一管波。虽然管波的使用在一定程度上提高了溶洞的揭示效果，但此技术尚未完全成熟。本文根据广州北站综合交通枢纽开发建设项目（二期）安置区地块二使用管波探测的实际情况，对管波实际应用过程中所能解译的溶洞精确尺度进行了分析。

1 管波探测法

1.1 管波的基本原理

管波是一种在钻孔及其附近沿钻孔轴向传播的特殊弹性波。管波设备激发的大部分能量集中在以钻孔为中心、半径为半波长的圆柱形范围内，管波传播过程能量衰减慢、频率变化小［10］。

根据Bio（t1952）和Write（1956）对管波做过的研究与试验，给出了零频率时管波的波速Vt为：

式中：Vf为钻孔中流体（井液）的纵波波速；ρf为钻孔中流体（井液）的密度；Vs为钻孔周围固体介质（岩土层）的横波波速；ρ为钻孔周围固体介质（岩土层）的密度。

1.2 管波探测装置

现有管波探测法设备激发的管波，其中心频率约700 Hz，实测的管波波速与式⑴计算结果一致。如钻孔内孔液为清水、周围为中微风化硬岩、完整混凝土等高速固体介质时，测得的管波波速约为1 400 m/s；如钻孔内孔液为清水、周围固体介质为黏土层时，测得的管波波速约为250 m/s，与黏土层的横波波速相当。

管波探测法实测资料证明，管波的能量与钻孔周围介质的横波波速呈正相关性，钻孔介质横波波速高则管波的能量强，钻孔介质横波波速低则管波的能量弱。当激发或接收探头处于溶洞附近时，直达管波能量几乎为零。当激发或接收探头处于软弱岩层、土层中时，直达管波的能量、波速显著降低。管波的能量由直达管波和反射管波的波幅确定。

在管波传播范围内的波阻抗差异界面处，管波产生反射。采用收发换能器距离恒定、测点间距恒定的自激自收观测系统进行测试，垂直时间剖面中所有的反射管波以倾斜波组形式呈现，具体如图1［10］所示。

图1 管波探测法观测到的波组形态示意图Fig.1 Schematic Diagram of Wave Group Morphology Bbserved by Pipe Wave Detection Method

1.3 管波探测的流程

在实际应用管波时，探测工作往往采用管波与钻探相互配合的方式。首先在桩身位置进行钻孔钻探直至其揭露的作为持力层的岩芯长度满足设计要求停止钻探，然后再利用管波探测钻孔2 m 范围内否存在溶洞、土洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质现象。通过管波的判断结果，决定是否加深钻探深度直至满足设计要求，如图2所示。

图2 管波探测流程图Fig.2 Flow Chart of Pipe Wave Detection

1.4 资料处理与解释方法

管波的时间剖面的处理较为简单，一般进行去零漂处理即可，切忌进行振幅平衡处理。必要时可进行频率滤波，滤波通带宜为300～2 000 Hz。时间剖面中各测点的测试曲线应采用相同的显示增益，宜采用伪彩色剖面显示。同一钻孔的多次测试时间剖面应绘制在同一成果图件中，并选择适宜的测试结果拼接成最后的成果文件进行解译。管波资料的解译过程一般分为两步：

⑴ 第一步，确定分层界面。

⑵ 第二步，对分层进行地质解译。管波的地质解译以满足实际工程需要为前提，管波探测法按表1的地球物理特征对岩溶区孔旁岩土层进行分类。

表1 管波探测法对孔旁岩土分层的地球物理特征Tab.1 Geophysical Characteristics of Rock and Soil Layers near the Borehole by Pipe Wave Detection

2 管波探测法的应用实例

2.1 项目概况

广州北站综合交通枢纽开发建设项目（二期）安置区地块二位于广州市花都区广州北站南侧。项目主要包括5栋31层住宅楼。塔楼部分共布置261根灌注桩，均采用一桩一管波的方法进行施工勘察以确定桩基持力层位置。本项目共完成塔楼全部钻孔共261个，其中揭露溶洞钻孔139个，见溶率53%。

2.2 管波揭露溶洞大小的精确尺度分析

本文分别以0.5 m 和1 m 间距对管波揭露的溶洞大小进行了统计，统计结果如表2 所示。从统计结果分析可知，当以0.5 m 为间距统计溶洞分布时，管波解译的0.5 m 以下的溶洞仅占全部溶洞数量的0.465%，同时在1.5～2.0 m 这个区间段管波解译的溶洞占全部溶洞数量的比例也较小，仅为6.511%。而以1 m 为间距统计溶洞分布时，管波解译溶洞大小的分布较均匀。分析可知管波在小溶洞（小于0.5 m 尺度）解译方面的精度有待提高；同时说明管波能够解译的溶洞精确尺寸目前来看在0.5～1.5 m范围内。

2.3 施工验证管波解译溶洞的精确尺度

本文选用5-1、5-9、5-38三个钻孔揭露溶洞位置和管波解译溶洞位置有差异的典型钻孔，在桩基施工过程中来进行验证管波解译溶洞的精确尺度。3 个钻孔柱状图与对应桩位施工记录如图3所示。

对于图 3a 的 5-1 柱状图，钻探揭露溶洞顶板标高-7.61 m（本文所用标高均为广州城建高程系统）、底板标高-8.71 m，层厚1.1 m；管波解译同一位置溶洞顶板标高-5.81 m、底板标高-8.21 m，层厚2.4 m；实际施工中冲击施工记录溶洞顶板标高-7.94 m、底板标高-9.04 m，层厚1.1 m（见表3）。通过对比分析，钻探结果更接近实际施工情况，尤其对于溶洞底板底标高的揭露管波和实际施工结果误差0.83 m。

对于图 3b 的 5-9 柱状图，钻探揭露溶洞顶板标高-7.91 m、底板标高-9.61 m，层厚1.7 m；管波解译同一位置溶洞顶板标高-7.61 m、底板标高-9.11 m，层厚1.5 m；实际施工中冲击施工记录溶洞顶板标高-8.17 m、底板标

高-9.62 m，层厚1.45 m（见表3）。通过对比分析，钻探结果更接近实际施工情况，尤其对于溶洞底板底标高的揭露管波和实际施工结果误差0.51 m。

对于图3c的5-38柱状图，钻探揭露溶洞顶板标高-7.86 m、底板标高-9.36 m，层厚1.5 m；管波解译同一位置溶洞顶板标高-8.36 m、底板标高-10.76 m，层厚2.4 m；实际施工中冲击施工记录溶洞顶板标高-8.09 m、底板标高-9.79 m，层厚1.7 m（见表3）。

通过对比分析，钻探结果更接近实际施工情况，尤其对于溶洞底板底标高的揭露管波和实际施工结果误差0.97 m。

以上施工结果充分验证了，管波运用过程中对溶洞解译的准确性低于钻孔揭露溶洞的准确性，管波对于溶洞大小和顶底板位置的解译精确尺度与实际情况偏差较大。这说明管波的使用尚不能完全替代传统的钻探手段，同时由于管波解译精确尺度偏大，对于管波的大面积推广使用有一定影响。

表2 不同尺度溶洞大小统计结果Tab.2 Statistical Results of Cave Size at Different Scales

图3 钻探、管波探测成果与桩位施工记录Fig.3 Drilling，Pipe Wave Detection Results and Pile Position Construction Record

表3 同一位置溶洞对比结果Tab.3 Comparison Results of Karst Caves in the Same Location

2.4 管波应用过程的几点认识

⑴ 在实际工程应用中，虽然管波能够探测钻孔旁2 m 范围内是否存在溶洞、土洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质现象，但是管波不能解译溶洞、土洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质现象在水平方向上的位置。

⑵ 溶洞地区桩基础施工，需要对钻探发现的溶洞进行注浆处理后，再施工灌注桩。当钻孔未揭露溶洞，但管波解译钻孔旁存在溶洞时，仍然需要在桩位范围内补充钻探，与直接一桩多孔的施工方法相比，造成了工期的增加。

⑶ 由于管波解译溶洞精确尺寸偏大，造成嵌岩桩实际桩底持力层偏深，增加了嵌岩桩桩长，造成施工成本增加。

3 结论与建议

⑴ 管波作为一种新技术，在施工勘察阶段大面积使用仍存在一定的不确定性。建议在初步勘察和详细勘察阶段，管波可作为判断溶洞发育情况的辅助手段进行使用。

⑵ 从施工工序和桩基施工质量检测的角度，结合《建筑基桩检测技术规范：JGJ 106-2014》有关规定，桩径小于1.2 m 的桩的钻孔数量可为1～2 个孔，桩径为1.2～1.6 m 的桩的钻孔数量宜为2 个孔，桩径大于1.6 m的桩的钻孔数量宜为3个孔［11］，建议施工勘察阶段采用一桩多孔的形式与检测抽芯所要求钻孔数量一致。

⑶ 目前对管波解译的现场验证研究仍较少，建议增加对管波现场应用与钻探结果的对比性试验。