管波探测法在基础施工中的应用与发展

石学录

（广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广东广州 510000）

0 引言

岩溶地质灾害是常见的隐蔽性地质体，具有高度的不均匀性。利用常规地球物理方法大范围筛查只对大范围分布的异常体有效，对于局部和部分异常体很难做到精度识别。特别是纵向范围内存在多个异常体、软弱夹层等，传统方法常用地加密测点等措施也很难行之有效。而岩溶发育地区端承桩是最为常见的桩基础形式。桩基础施工前，普遍使用的普查方法是一桩一孔或一桩多孔，但由于钻孔尺寸大小与成桩孔径存在较大差异，也很难完全有效地揭露孔旁异常体。现阶段我国对施工质量把控越来越严格，现有的各类施工设计、检测与验收规范对桩端持力层都做了严格要求。因此，准确地把握桩端持力层岩土形状在各个环节中都起到至关重要的作用。管波探测是近年来兴起的一种探测方法，其结合了地球物理测井与弹性波探测两种方法，是地震学中一种自激自收的方法。对于桩位及桩位1.5m范围内溶洞、土洞、软弱夹层、岩溶裂隙带等的发育与分布具有良好的识别效果。此外，根据设计桩径的要求，可以调整震源激发频率来改变探测范围，做到精度识别，是一种行之有效的方法，大大降低了桩基础施工过程中的风险。

1 管波探测法

1.1 管波传播机理

纵观地震学的发展历程，在最初的弹性波探测中，管波被当作杂波，通常做滤波处理。随着地震学的发展，发现当传播路径中存在固液界面波阻抗差异较大时，在介质的分界面会产生沿界面传播的界面波，定义为广义瑞利波，也将这种在被液体充填的固液界面内，沿孔轴向传播的瑞利波称作管波。研究表明，根据瑞利波的频散特性，在传播过程中能量不易扩散和吸收，流体本身没有较强的吸收作用，从而保证管波传播过程中具有稳定的频散特性。对于单个质点，钻孔中管波运动轨迹为前推式，并沿钻孔轴向传播，在轴向切面上，质点轨迹显示呈一系列的椭圆。孔壁处，质点达到最大的径向位移，在钻孔中心的地方，质点径向位移为零。孔壁外围岩内，随着和孔壁之间距离的增大，质点位移呈现指数减小[1]。

1.2 成像原理

根据弹性波传播理论，管波在传播至界面处其反射振幅如下[1-2]：

式中：A为：A0-入射波的振幅；R-固液界面的反射系数。

式中：Z1、Z2-界面两侧介质的波阻抗。

反射波能量的强弱与管波的传播路径、介质属性等存在较大的相关性，而振幅是反应波形能量大小最关键的因素。一般情况下，可以通过波形的振幅强弱来获取介质波阻抗的差异性大小，从而判断地层的不均匀性[3]。

1.3 测试方法

管波野外采集采用自激自收观测系统，主要仪器设备有发射机、发射换能器、接收换能器、记录仪器等部分（见图1），激发采用12V的蓄电池充电激发[2、4]。

图1 管波探测法的探测装置

其中，S和R之间距离恒定，一般观测系统均设定为60cm，将发射换能器S与接收换能器R之间中点的位置设定为采集的零点位置，按照步距10cm的间隔进行自下而上或自上而下进行采集，获取波探测时间剖面。采集中，采集点数可设置为1024、2048、4096、8192；根据不同的探测范围，采样频率可设置为50～250Hz，对应采样长度81.9～16.4ms。

现场采集工程中，要准确地确定孔口三维坐标，详细的岩土分层资料，漏水、溶洞、节理裂隙、溶蚀等情况，套管安装的详细情况与现场钻探紧密配合。

2 工程实例

桩端持力层的探测：

场区位于广东省韶关市，属于北江复向斜：该向斜位于瑶山复背斜之东，仁化、韶关市区、英德一带，构造线变化多端，相当于黄汲清所称之“北江干涉带”。该复向斜主要由曲江复向斜和枫湾向斜组成，两者呈北东向雁行排列，轴部及两翼主要由泥盆系及石炭系地层组成，向斜槽部还出现次级短轴向斜。场区内地层自上而下按成因类型分为第四系人工填土层（Qml）、冲积层（Qal）、残积层（Qel），下伏基岩为石炭系灰岩（C）。

整个场区溶洞强发育，见洞率为75.23%。揭露洞身高度0.20～28.40m，平均5.05m；洞顶埋深5.30～43.20m，平均16.59m；洞顶高程12.74～50.75m，平均38.48m。工区内岩溶水丰富且与上部砂层孔隙水联系密切，地质条件十分复杂，部分钻孔在钻探完毕后，未及时封孔，常见地下水突涌现象。针对复杂的地质状况，一桩一孔很难满足设计需求；部分一桩两孔的钻孔存在初见岩面与溶洞发育状况存在极大的差距。因此，针对岩溶极度发育的区域，一桩一孔或多孔很难完全保证的持力层稳定性。针对上述问题，该场区引入管波探测新技术，采用管波与钻孔来同时确定桩底持力层岩土现状，从而快速探明桩位及桩周范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育和分布情况。

图2是某钻孔柱状图及管波成果：钻孔结果显示，整个钻孔存在三层溶洞发育，溶洞最大深度11.0m。该钻孔揭露，在0～5.60m的位置未进行探测，对成桩于后期施工无较大影响。钻孔柱状图揭露，在底层标高47.88～35.58为中风化灰岩，裂隙较发育，局部见溶蚀现象，岩芯呈块-短柱状，岩质较软，敲击声稍脆，以碎块状～短柱状为主[5-6]。

图2 某钻孔管波测试及管波成果

根据管波探测结果，该段PSD曲线峰值较低，但从管波时间剖面图中清晰见到一条倾斜的剖面，分析发现，该段岩层裂隙较为发育，岩体间裂隙纵横交叉，能量传播过程中在裂隙间存在多层反射，导致接收器接收到的能量较为微弱，故而为软弱岩层发育段。管波探测时间剖面图上底层标高33.38～30.58m，顶底界面管波信号反射能量低、频率较高、反射密集分布，解释为溶洞裂隙发育段，与钻孔柱状图揭露的位置基本相符，一般溶洞的上顶盖与下顶盖之间岩层由于地下水的长期侵蚀，岩层结构破坏严重。在底层标高30.58～19.38m，PSD曲线显示能量严重缺失，且无明显反射波，该段为岩溶发育段，与钻孔柱状图结果相近。

按照设计要求，钻孔在钻探中钻至6.50m连续完整中/微风化岩层即可用管波验证，保证桩底存在连续5.00m持力层（微风化嵌岩0.50m，其余0.50m保证探测的完整性）。第一探测结果显示，在钻孔柱状图揭露为完整岩的情况下，管波探测揭露了在孔旁底层标高17.28～16.08m处存在纵向大小为1.20m的溶洞。因此，在原有钻孔的基础上，加深钻孔3.70m，进行二次溶洞探测。在后续的探测中发现，在底层标高16.08～9.88m处，PSD曲线显示能量逐渐饱满，岩层质体越来越饱满，但结合现场钻孔依然存在一定量的裂隙，因此该段为解释为节理裂隙发育段[5、7]。

3 结论

根据原孔的两次探测结果显示：①管波探测法对孔旁溶洞可实现精度识别，是现阶段最为实用的一种方法，对桩基础后续施工有一定的指导意义；②自上而下的不同深度的岩体PSD曲线越来越饱满，反射波能量越来越强，从纵向尺寸而已，一定意义上揭露了岩溶发育强烈程度的纵向梯度，对后续研究地下水的发育与溶蚀范围有一定的指导意义；③根据PSD曲线的强弱，也可在一定范围内判断岩体的强弱；并且PSD曲线的强弱与该岩层饱和单轴抗压强度是否存在定量的关系，也是后续值得探讨的问题。

4 展望

管波探测法在探测孔旁溶洞中具有无可替代的作用，但是无法定对探查钻孔周围岩体有害地质体的距离、形状、方位进行有效的识别。针对有害地质体方位识别的问题，国内外很多专家都做了一定量的研究，目前已经有相关投入使用的相关仪器[7]。其识别原理主要是在不同的方位角，反射波的能量有很大的差别，主要为在方位角接收器可以有效识别反射信号方向。因为面向异常体的接收器获得的反射波振幅块比其他方位的接收机获得的能量更大。因此，利用方位角接收机和中值滤波来进行信号处理，去确定钻孔附近溶洞的方位是可行的[7-8]。在后续的研究中，将地质异常体方位角的识别与管波探测相结合，将会为基础设计与施工提供极大的便利。