SSP 物探法在橋梁樁基溶洞檢測(cè)中的應(yīng)用

張著倫 蔣忠良

（1.云南基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資股份有限公司 650501；2.云南藍(lán)達(dá)路橋技術(shù)咨詢有限公司 650021））

0 引言

西南地區(qū)喀斯特地貌分布廣泛，在該類地貌中地層溶洞較為發(fā)育，溶洞的存在對(duì)于樁基施工帶來(lái)困難，同時(shí)降低樁基承載力，甚至給橋梁的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)隱患。目前，許多專家及工程師將物探技術(shù)應(yīng)用于工程中溶洞檢測(cè)進(jìn)行了有益的探索：張志豪等[1]利用高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法等綜合物探法對(duì)某巖溶區(qū)工程項(xiàng)目的溶洞分布和發(fā)育情況進(jìn)行了探測(cè)；馬金彪[2]采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段對(duì)巖溶問題突出的滬昆高鐵中朱砂堡隧道進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好的工程效果；李曉紅等[3]采用物探及部分鉆探結(jié)合的方法，對(duì)某跨線橋樁基礎(chǔ)區(qū)域地層的溶洞及裂隙發(fā)育情況進(jìn)行了研究；李俊杰等[4]采用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法相結(jié)合的手段對(duì)某海堤樁基工程地層中的影伏塊石進(jìn)行了探測(cè)，為軟土地區(qū)樁基施工提供了探測(cè)參考；胡讓全等[5]采用跨孔地震CT 法、電阻率法、地震反射波法等6 種物探方法對(duì)廣州市白云區(qū)金沙洲地面塌陷區(qū)域的溶洞以及構(gòu)造破碎帶進(jìn)行了探測(cè)，為巖溶地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的建筑物安全評(píng)估提供了有力參考。

通過以上分析可知，目前研究人員采用多種物探方法對(duì)工程中的巖溶問題進(jìn)行探測(cè)，取得了較好的成果。本文主要介紹SSP 路基地震物探法在橋梁樁基底部持力層溶洞檢測(cè)中的應(yīng)用情況，該方法可以在開挖后的施工平臺(tái)上進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)檢測(cè)，不影響樁基施工，從而確保施工銜接與施工進(jìn)度，對(duì)探明地下溶洞有實(shí)際意義。

1 工程概況

探測(cè)應(yīng)用工點(diǎn)為某在建公路K19+575 大橋填樁基地層，該橋?yàn)榭缭洁l(xiāng)道及高填方路段而設(shè)計(jì)。該橋孔跨布置為：8×39+8×40 米T 型梁式橋，結(jié)構(gòu)形式為先簡(jiǎn)支后連續(xù)，橋梁下部結(jié)構(gòu)為重力式U 型橋臺(tái)，橋墩采用雙柱墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，為嵌巖樁類型。

橋位處于喀斯特地貌區(qū)，巖溶較為發(fā)育，溝床地形自然坡度相對(duì)較緩，橋梁中部跨越溝谷，起伏較大，溝谷以耕地、林地為主，林地植被稀疏。上覆紅黏土，厚度一般 0.5～ 5m，分布不均；下伏中風(fēng)化灰?guī)r，溶洞對(duì)橋墩樁基有潛在危害。橋址區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造總體屬華夏式構(gòu)造體系，由于受到東西向構(gòu)造體系和華夏式構(gòu)造體系的聯(lián)合與干擾而呈弧形彎曲，但區(qū)域構(gòu)造走向多趨于東西向。

2 SSP 路基地震物探法

工程物探是以地下地質(zhì)體的物性差異為基礎(chǔ)，通過儀器觀測(cè)自然或人工物理場(chǎng)的變化，確定地下地質(zhì)體的空間分布范圍（大小、形狀、位置等）及測(cè)定巖土體的物性參數(shù)，達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種物理探測(cè)方法。

SSP 路基地震物探系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)集中器、地震檢波器、沖擊源三部分組成，是工程物探法的一種類型，基于地下巖土體的物理性質(zhì)不同，通過儀器觀測(cè)自然或人工物理場(chǎng)的變化情況，據(jù)此判斷地下地質(zhì)體的空間情況。SSP地震散射是在地震反射基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，利用地震波在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)遇到波阻抗變化激發(fā)出的散射波，來(lái)對(duì)差異界面位置及介質(zhì)的波速進(jìn)行精細(xì)成像。適用于洞穴、塌陷區(qū)、斷層等不良地質(zhì)區(qū)域地質(zhì)探測(cè)，是路基巖層結(jié)構(gòu)物探，巖溶空洞地層結(jié)構(gòu)探測(cè)的有效方式。

SSP 物探法采集速度快、采樣精度高，防水防塵，適合多種工況，特點(diǎn)如下：

（1）不破壞路面，不中斷交通。對(duì)于橋梁樁基底溶洞檢測(cè)，只需在開挖后的施工平臺(tái)上進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)檢測(cè)，因其可探明一定深度和一定半徑范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)，對(duì)于具有群樁基礎(chǔ)的橋梁樁底溶洞檢測(cè)更為有利，可節(jié)省檢測(cè)時(shí)間，不影響樁基施工進(jìn)度安排，從而確保施工銜接與施工進(jìn)度。

（2）分辨率高，探測(cè)深度大。該方法因使用沖擊震源，其能量可以疊加，多個(gè)檢波器獲得數(shù)據(jù)豐富，探測(cè)范圍更深更寬。

（3）對(duì)巖溶、空洞、孤石敏感。

（4）可提供地質(zhì)界面和巖土波速分布。

3 樁基區(qū)域地層探測(cè)及結(jié)果分析

3.1 樁基區(qū)域地層探測(cè)

以該橋2#橋墩為例，應(yīng)用SSP 物探法進(jìn)行樁基溶洞檢測(cè)，探測(cè)的目的是探測(cè)樁底 3 倍樁徑深度內(nèi)是否有溶腔，2#橋墩（右幅）橫斷如圖1 所示。

圖1.2#橋墩（右幅）橫斷圖

SSP 物探法采集數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2.SSP 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)布置圖

3.2 探測(cè)結(jié)果圖色說(shuō)明

探測(cè)結(jié)果主要由地震偏移圖與地震波速圖組成，但主要以波速圖為主，偏移圖輔助驗(yàn)證。地震偏移圖像是對(duì)反射、散射系數(shù)成像，反應(yīng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面分布。反射/散射系數(shù)有正負(fù)、強(qiáng)弱之分。紅色表示正，藍(lán)色表示負(fù)，深紅和深藍(lán)表示反射/散射強(qiáng)。紅色界面表示介質(zhì)的波阻抗增加，藍(lán)色表示介質(zhì)波阻抗下降。地震波速圖則表示地震波的反射傳播速度，一般巖土堅(jiān)硬，完整性好波速較快，土層及軟巖，風(fēng)化程度越高的巖層波速較慢。

3.3 樁基地層探測(cè)結(jié)果分析

樁基設(shè)計(jì)深度均為19 米，樁徑為 1.9 米，即樁底 3 倍樁徑深度范圍為19-25 米深度。2#橋墩樁基測(cè)線地層波速分布圖和地質(zhì)偏移圖如圖3 所示。

圖3.2#墩地層波速分布圖和地質(zhì)偏移

根據(jù)底層波速分布圖和地質(zhì)偏移圖結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況知：

（1）右幅 2-1 樁基 22-25 米深度和左幅 2-1 樁基 23-26 米深度處存在溶腔。

（2）左幅 2-0 和右幅 2-0 樁底 3 倍樁徑深度范圍（19-26 米）內(nèi)未見溶洞。

9#樁探測(cè)結(jié)果如圖4 所示，通過分析可以得出：波速分布圖中0～10m 為藍(lán)色區(qū)，波速在 1000-1460m/s 之間，對(duì)應(yīng)位置為上覆黏土層以及平臺(tái)開挖后的碎石土回填層；10m～30m 為綠色至紅色漸變區(qū)，波速由 1460m/s 增到2200m/s，該層為中風(fēng)化基巖地層；埋深 30m 以下為紅色區(qū)，波速在 2200m/s以上，對(duì)應(yīng)為微風(fēng)化-未風(fēng)化層灰?guī)r，波速高且均勻，承載力提高，地層穩(wěn)定。

圖4.9#樁基地層波速與地質(zhì)偏移圖

SSP 物探法只需在開挖后的施工平臺(tái)上進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)檢測(cè)，不需要成孔后檢測(cè)，因而不影響樁基施工進(jìn)度安排。通過上述檢測(cè)分析，為橋梁樁基施工及采取工程措施提供了依據(jù)。

12#樁探測(cè)結(jié)果如圖5 所示，通過分析可以得出：波速分布圖中0～6m 為藍(lán)色區(qū)，波速在 1000-1340m/s 之間，對(duì)應(yīng)位置為上覆黏土層以及平臺(tái)開挖后的碎石土回填層；中部層埋深 6～30m 范圍存在低波速異常區(qū)，圖中橢圓圈出的區(qū)域?yàn)楫惓｜c(diǎn)，異常體為低波速體。上界面波阻抗高變低，藍(lán)色界面；下界面波阻抗低變高，兩界面之間為低阻區(qū)，此為異常體的位置，埋深分別為 9-18m、和 23-28m，推斷主要為充填巖溶區(qū)，波速中等，不存在大的巖溶空腔；30m 以下底部波速增高且均勻，承載力提高，地層趨于穩(wěn)定。橋墩樁基深度約 30m，對(duì)右幅 9b-0、右幅 9b-1 樁基存在一定影響，建議充填后再進(jìn)行樁基澆筑。

圖5.12#樁基地層波速與地質(zhì)偏移圖

4 結(jié)論

通過采用SSP 路基地震物探系統(tǒng)技術(shù)對(duì)該橋橋墩樁基地層進(jìn)行了探測(cè)，通過分析地層的地震反射波速圖以及地質(zhì)偏移圖的情況，可以準(zhǔn)確地探明巖溶在樁底的埋藏深度；且該探測(cè)法探測(cè)時(shí)無(wú)須復(fù)雜的準(zhǔn)備工作，探測(cè)過程由設(shè)備控制，簡(jiǎn)單快捷。綜合來(lái)說(shuō)采用該探測(cè)方法有利于指導(dǎo)施工提前做好應(yīng)對(duì)措施，提高樁基施工質(zhì)量，有效規(guī)避因溶洞產(chǎn)生的樁基質(zhì)量問題。