管波探測(cè)法在基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用與發(fā)展

石學(xué)錄

（廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

巖溶地質(zhì)災(zāi)害是常見的隱蔽性地質(zhì)體，具有高度的不均勻性。利用常規(guī)地球物理方法大范圍篩查只對(duì)大范圍分布的異常體有效，對(duì)于局部和部分異常體很難做到精度識(shí)別。特別是縱向范圍內(nèi)存在多個(gè)異常體、軟弱夾層等，傳統(tǒng)方法常用地加密測(cè)點(diǎn)等措施也很難行之有效。而巖溶發(fā)育地區(qū)端承樁是最為常見的樁基礎(chǔ)形式。樁基礎(chǔ)施工前，普遍使用的普查方法是一樁一孔或一樁多孔，但由于鉆孔尺寸大小與成樁孔徑存在較大差異，也很難完全有效地揭露孔旁異常體。現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)施工質(zhì)量把控越來(lái)越嚴(yán)格，現(xiàn)有的各類施工設(shè)計(jì)、檢測(cè)與驗(yàn)收規(guī)范對(duì)樁端持力層都做了嚴(yán)格要求。因此，準(zhǔn)確地把握樁端持力層巖土形狀在各個(gè)環(huán)節(jié)中都起到至關(guān)重要的作用。管波探測(cè)是近年來(lái)興起的一種探測(cè)方法，其結(jié)合了地球物理測(cè)井與彈性波探測(cè)兩種方法，是地震學(xué)中一種自激自收的方法。對(duì)于樁位及樁位1.5m范圍內(nèi)溶洞、土洞、軟弱夾層、巖溶裂隙帶等的發(fā)育與分布具有良好的識(shí)別效果。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)樁徑的要求，可以調(diào)整震源激發(fā)頻率來(lái)改變探測(cè)范圍，做到精度識(shí)別，是一種行之有效的方法，大大降低了樁基礎(chǔ)施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

1 管波探測(cè)法

1.1 管波傳播機(jī)理

縱觀地震學(xué)的發(fā)展歷程，在最初的彈性波探測(cè)中，管波被當(dāng)作雜波，通常做濾波處理。隨著地震學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳播路徑中存在固液界面波阻抗差異較大時(shí)，在介質(zhì)的分界面會(huì)產(chǎn)生沿界面?zhèn)鞑サ慕缑娌ǎx為廣義瑞利波，也將這種在被液體充填的固液界面內(nèi)，沿孔軸向傳播的瑞利波稱作管波。研究表明，根據(jù)瑞利波的頻散特性，在傳播過程中能量不易擴(kuò)散和吸收，流體本身沒有較強(qiáng)的吸收作用，從而保證管波傳播過程中具有穩(wěn)定的頻散特性。對(duì)于單個(gè)質(zhì)點(diǎn)，鉆孔中管波運(yùn)動(dòng)軌跡為前推式，并沿鉆孔軸向傳播，在軸向切面上，質(zhì)點(diǎn)軌跡顯示呈一系列的橢圓。孔壁處，質(zhì)點(diǎn)達(dá)到最大的徑向位移，在鉆孔中心的地方，質(zhì)點(diǎn)徑向位移為零。孔壁外圍巖內(nèi)，隨著和孔壁之間距離的增大，質(zhì)點(diǎn)位移呈現(xiàn)指數(shù)減小[1]。

1.2 成像原理

根據(jù)彈性波傳播理論，管波在傳播至界面處其反射振幅如下[1-2]：

式中：A為：A0-入射波的振幅；R-固液界面的反射系數(shù)。

式中：Z1、Z2-界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗。

反射波能量的強(qiáng)弱與管波的傳播路徑、介質(zhì)屬性等存在較大的相關(guān)性，而振幅是反應(yīng)波形能量大小最關(guān)鍵的因素。一般情況下，可以通過波形的振幅強(qiáng)弱來(lái)獲取介質(zhì)波阻抗的差異性大小，從而判斷地層的不均勻性[3]。

1.3 測(cè)試方法

管波野外采集采用自激自收觀測(cè)系統(tǒng)，主要儀器設(shè)備有發(fā)射機(jī)、發(fā)射換能器、接收換能器、記錄儀器等部分（見圖1），激發(fā)采用12V的蓄電池充電激發(fā)[2、4]。

圖1 管波探測(cè)法的探測(cè)裝置

其中，S和R之間距離恒定，一般觀測(cè)系統(tǒng)均設(shè)定為60cm，將發(fā)射換能器S與接收換能器R之間中點(diǎn)的位置設(shè)定為采集的零點(diǎn)位置，按照步距10cm的間隔進(jìn)行自下而上或自上而下進(jìn)行采集，獲取波探測(cè)時(shí)間剖面。采集中，采集點(diǎn)數(shù)可設(shè)置為1024、2048、4096、8192；根據(jù)不同的探測(cè)范圍，采樣頻率可設(shè)置為50～250Hz，對(duì)應(yīng)采樣長(zhǎng)度81.9～16.4ms。

現(xiàn)場(chǎng)采集工程中，要準(zhǔn)確地確定孔口三維坐標(biāo)，詳細(xì)的巖土分層資料，漏水、溶洞、節(jié)理裂隙、溶蝕等情況，套管安裝的詳細(xì)情況與現(xiàn)場(chǎng)鉆探緊密配合。

2 工程實(shí)例

樁端持力層的探測(cè)：

場(chǎng)區(qū)位于廣東省韶關(guān)市，屬于北江復(fù)向斜：該向斜位于瑤山復(fù)背斜之東，仁化、韶關(guān)市區(qū)、英德一帶，構(gòu)造線變化多端，相當(dāng)于黃汲清所稱之“北江干涉帶”。該復(fù)向斜主要由曲江復(fù)向斜和楓灣向斜組成，兩者呈北東向雁行排列，軸部及兩翼主要由泥盆系及石炭系地層組成，向斜槽部還出現(xiàn)次級(jí)短軸向斜。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層自上而下按成因類型分為第四系人工填土層（Qml）、沖積層（Qal）、殘積層（Qel），下伏基巖為石炭系灰?guī)r（C）。

整個(gè)場(chǎng)區(qū)溶洞強(qiáng)發(fā)育，見洞率為75.23%。揭露洞身高度0.20～28.40m，平均5.05m；洞頂埋深5.30～43.20m，平均16.59m；洞頂高程12.74～50.75m，平均38.48m。工區(qū)內(nèi)巖溶水豐富且與上部砂層孔隙水聯(lián)系密切，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，部分鉆孔在鉆探完畢后，未及時(shí)封孔，常見地下水突涌現(xiàn)象。針對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)狀況，一樁一孔很難滿足設(shè)計(jì)需求；部分一樁兩孔的鉆孔存在初見巖面與溶洞發(fā)育狀況存在極大的差距。因此，針對(duì)巖溶極度發(fā)育的區(qū)域，一樁一孔或多孔很難完全保證的持力層穩(wěn)定性。針對(duì)上述問題，該場(chǎng)區(qū)引入管波探測(cè)新技術(shù)，采用管波與鉆孔來(lái)同時(shí)確定樁底持力層巖土現(xiàn)狀，從而快速探明樁位及樁周范圍內(nèi)的巖溶、軟弱夾層及裂隙帶的發(fā)育和分布情況。

圖2是某鉆孔柱狀圖及管波成果：鉆孔結(jié)果顯示，整個(gè)鉆孔存在三層溶洞發(fā)育，溶洞最大深度11.0m。該鉆孔揭露，在0～5.60m的位置未進(jìn)行探測(cè)，對(duì)成樁于后期施工無(wú)較大影響。鉆孔柱狀圖揭露，在底層標(biāo)高47.88～35.58為中風(fēng)化灰?guī)r，裂隙較發(fā)育，局部見溶蝕現(xiàn)象，巖芯呈塊-短柱狀，巖質(zhì)較軟，敲擊聲稍脆，以碎塊狀～短柱狀為主[5-6]。

圖2 某鉆孔管波測(cè)試及管波成果

根據(jù)管波探測(cè)結(jié)果，該段PSD曲線峰值較低，但從管波時(shí)間剖面圖中清晰見到一條傾斜的剖面，分析發(fā)現(xiàn)，該段巖層裂隙較為發(fā)育，巖體間裂隙縱橫交叉，能量傳播過程中在裂隙間存在多層反射，導(dǎo)致接收器接收到的能量較為微弱，故而為軟弱巖層發(fā)育段。管波探測(cè)時(shí)間剖面圖上底層標(biāo)高33.38～30.58m，頂?shù)捉缑婀懿ㄐ盘?hào)反射能量低、頻率較高、反射密集分布，解釋為溶洞裂隙發(fā)育段，與鉆孔柱狀圖揭露的位置基本相符，一般溶洞的上頂蓋與下頂蓋之間巖層由于地下水的長(zhǎng)期侵蝕，巖層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。在底層標(biāo)高30.58～19.38m，PSD曲線顯示能量嚴(yán)重缺失，且無(wú)明顯反射波，該段為巖溶發(fā)育段，與鉆孔柱狀圖結(jié)果相近。

按照設(shè)計(jì)要求，鉆孔在鉆探中鉆至6.50m連續(xù)完整中/微風(fēng)化巖層即可用管波驗(yàn)證，保證樁底存在連續(xù)5.00m持力層（微風(fēng)化嵌巖0.50m，其余0.50m保證探測(cè)的完整性）。第一探測(cè)結(jié)果顯示，在鉆孔柱狀圖揭露為完整巖的情況下，管波探測(cè)揭露了在孔旁底層標(biāo)高17.28～16.08m處存在縱向大小為1.20m的溶洞。因此，在原有鉆孔的基礎(chǔ)上，加深鉆孔3.70m，進(jìn)行二次溶洞探測(cè)。在后續(xù)的探測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在底層標(biāo)高16.08～9.88m處，PSD曲線顯示能量逐漸飽滿，巖層質(zhì)體越來(lái)越飽滿，但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔依然存在一定量的裂隙，因此該段為解釋為節(jié)理裂隙發(fā)育段[5、7]。

3 結(jié)論

根據(jù)原孔的兩次探測(cè)結(jié)果顯示：①管波探測(cè)法對(duì)孔旁溶洞可實(shí)現(xiàn)精度識(shí)別，是現(xiàn)階段最為實(shí)用的一種方法，對(duì)樁基礎(chǔ)后續(xù)施工有一定的指導(dǎo)意義；②自上而下的不同深度的巖體PSD曲線越來(lái)越飽滿，反射波能量越來(lái)越強(qiáng)，從縱向尺寸而已，一定意義上揭露了巖溶發(fā)育強(qiáng)烈程度的縱向梯度，對(duì)后續(xù)研究地下水的發(fā)育與溶蝕范圍有一定的指導(dǎo)意義；③根據(jù)PSD曲線的強(qiáng)弱，也可在一定范圍內(nèi)判斷巖體的強(qiáng)弱；并且PSD曲線的強(qiáng)弱與該巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度是否存在定量的關(guān)系，也是后續(xù)值得探討的問題。

4 展望

管波探測(cè)法在探測(cè)孔旁溶洞中具有無(wú)可替代的作用，但是無(wú)法定對(duì)探查鉆孔周圍巖體有害地質(zhì)體的距離、形狀、方位進(jìn)行有效的識(shí)別。針對(duì)有害地質(zhì)體方位識(shí)別的問題，國(guó)內(nèi)外很多專家都做了一定量的研究，目前已經(jīng)有相關(guān)投入使用的相關(guān)儀器[7]。其識(shí)別原理主要是在不同的方位角，反射波的能量有很大的差別，主要為在方位角接收器可以有效識(shí)別反射信號(hào)方向。因?yàn)槊嫦虍惓ｓw的接收器獲得的反射波振幅塊比其他方位的接收機(jī)獲得的能量更大。因此，利用方位角接收機(jī)和中值濾波來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理，去確定鉆孔附近溶洞的方位是可行的[7-8]。在后續(xù)的研究中，將地質(zhì)異常體方位角的識(shí)別與管波探測(cè)相結(jié)合，將會(huì)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工提供極大的便利。