大直徑樁底巖溶三維探測試驗研究

張邦 劉鐵華 劉鐵 化希瑞

中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063

我國巖溶分布廣泛，總面積達到了346 萬km2，占國土面積的1/3 以上，其中以廣西、貴州和云南東部地區分布最廣，湖南、湖北、四川等地也有較廣泛的分布［1］。在巖溶地區，公鐵橋梁眾多，當地基承載力及樁的變形不能滿足設計要求時，加大鉆孔灌注樁直徑是一種常用的方法［2］。

溶洞發育的大小相差懸殊，形狀千變萬化，斷面形態極不規則，給巖溶地區的樁基設計和施工帶來了很大困難［3］，傳統方法使用鉆孔進行樁底巖溶探測，孔旁巖溶容易被遺漏，可能造成橋梁的失穩破壞，并以隱患的形式存在，在運營期逐漸暴露。

GB 50021—2009《巖土工程勘察規范》和GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》規定大直徑樁基礎施工過程中需查明樁底面以下3倍樁徑并不小于5 m 范圍巖溶發育情況。而樁周一定沖切角范圍內存在溶洞或樁底下方溶洞頂板穩定性較差時同樣存在安全隱患［4-5］。工程實踐中，由于缺少有效的探測手段，不少巖溶地區大直徑樁基施工時僅以勘察階段的鉆孔資料為依據而忽略了施工過程中的樁底巖溶探測。勘察階段巖溶探測主要有高密度電法、地震波法等地面勘探方法以及超前鉆探法、管波探測法、跨孔彈性波法等孔中探測方法［6-7］。地面物探方法探測精度與準確率較差，只能宏觀上揭示探測區巖溶發育情況。孔中探測方法雖具有較高的垂向精度，但是探測結果沒有指向性，無法指示孔周巖溶、破碎的空間分布，且探測結果易受到地層界面、孔徑變化、液面等干擾。

樁基施工成孔后灌注前是探測樁底巖溶最好的時間，此時探測設備可以深入到樁孔內，直接對樁底基巖進行近距離探測。對于人工挖孔樁，人和探測儀器可以直接下到樁底進行探測。魏昶帆、劉文峰、劉東坤等［8-10］應用探地雷達配備高頻天線來探測人工挖孔樁樁底基巖質量，通過在樁底采集的電磁波信號特征進行定性分析，取得了一定效果。該方法僅適用于人工挖孔樁，對采用泥漿護壁的灌注樁則無法有效實施。石振明等［11］提出了樁底溶洞聲吶探測方法，采用水聲換能器，利用樁底泥漿與基巖耦合，在樁底中心激發彈性波，通過多角度反射信號的定性分析來判定樁底一定范圍的基巖質量。Liu 等［12-13］通過三維有限差分模擬了彈性波在樁底巖溶探測中的傳播特征，對樁底聲吶信號進行瞬時相位分析，提出相位差強度（IPDI）指標評價巖溶發育情況。Shi 等［14］通過廣義S變換提取樁底聲吶信號特征，用于探測樁底巖溶及裂縫。該方法不能對巖溶成像，無法直觀地確定溶洞三維空間分布，且易受到孔壁反射干擾，淺部探測盲區較大。

目前，樁底巖溶探測方法主要采用地質雷達法和樁底聲吶法，通過采集到的信號特征定性分析巖溶發育與否，無法精細探測樁底巖溶的三維分布情況。為此，本文根據樁底巖溶探測環境，提出基于電磁波的瞬變電磁方法和基于彈性波的超聲成像方法，對樁底巖溶發育情況進行三維成像，通過電阻率和超聲反射波能量值的相對大小，半定量地評價巖溶發育情況。通過模型試驗，對比不同方法優缺點，總結解釋原則，為樁底巖溶探測提供更加有效的方法。

1 樁底巖溶特征與方法選擇

1.1 樁底探測環境

巖溶地區大直徑嵌巖樁通常采用人工挖孔灌注樁、鉆孔灌注樁，而鉆孔灌注樁常見的成孔方式主要有沖擊鉆成孔和旋挖鉆成孔。樁底的探測環境主要有以下特點：

1）空間狹小。樁基直徑通常大于0.8 m，最大不超過4 m，鐵路橋梁樁基常見樁徑為1 ～ 2 m。該直徑范圍若采用常規的地面物探方法，無法在樁底采集到有效數據。

2）深度大。我國鉆孔灌注樁最大深度達150 m，人工挖孔樁最大深度達53 m，即便是人可以下到樁底的人工挖孔樁，也存在很大的安全風險。

3）沉渣、泥漿環境。對于干作業的人工挖孔樁，樁底沉渣可以清理干凈，但是鉆孔灌注樁，樁孔內通常充滿泥漿，常規方法無法下到樁內，且樁底即使清孔后還會有沉渣殘留。

在復雜的樁底環境下，只能將采集數據設備吊放到樁底，測點位置不可控，此外還要面對惡劣的沉渣、泥漿環境，難以進行樁底高精度三維探測。

1.2 樁底巖溶物理特征分析

嵌巖樁樁底巖溶探測時樁底已深入灰巖，探測環境主要有水、黏土、碎石、灰巖等介質，各類介質的相關物理性能參數見表1。樁底基巖、巖溶等介電常數差異明顯，當存在巖溶或裂隙時，無論洞內干燥或充水、充泥都會引起局部介電常數顯著變化。此外，巖溶邊界或裂隙則是較強的阻抗界面。根據巖溶中可能存在的充填物與正常圍巖的物性（相對介電常數、電導率、波速等）差異，可以使用電磁波和彈性波方法。

表1 樁底介質的物理性能參數

本文主要研究在大直徑樁施工階段成孔后進行樁底巖溶探測，考慮到樁底巖溶特征和探測環境，需使用能適應狹小空間的方法。為此，提出使用基于電磁波的瞬變電磁方法和基于彈性波的超聲成像方法與既有地質雷達法和樁底聲吶法進行對比研究，不同方法特征及適用情況見表2。

表2 樁底巖溶探測方法特征及適用情況

2 樁底巖溶三維探測方法

2.1 樁底地質雷達方法

地質雷達法作為一種應用電磁波的探測技術，由于其分辨率高、效率高，在工程檢測中應用廣泛。但是在樁底環境使用時會受到狹小空間以及樁側壁干擾等諸多限制。大直徑挖孔灌注樁成孔后，將雷達天線放至孔底進行探測，要求孔底無積水且相對平整。

使用地質雷達在樁底進行巖溶環形探測，如圖1所示，在樁底部選定一點為起點，沿孔壁按順時針方向，布設環行測線，采用勻速移動或等間距點測方式探測。

圖1 雷達探測樁底巖溶

2.2 樁底瞬變電磁法基本原理與探測方法

瞬變電磁法也稱時間域電磁法，是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，通過線圈或接地電極觀測二次渦流場，進而反演地下地質結構。

樁底巖溶探測時，對瞬變電磁的線圈結構有以下要求：①尺寸小，能適應樁底狹小空間；②小盲區，能探測樁底10 m以內巖溶發育情況。

基于以上要求，本文研究使用反磁通瞬變電磁裝置用于樁底巖溶探測。等值反磁通瞬變電磁法采用上下平行共軸的兩個相同線圈同步施加反向電流作為發射源，并在兩發射線圈中間平面接收地下二次場（圖2）。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面，其一次場磁通始終為0，因此一次場關斷時，接收線圈測量的是地下的純二次場響應，具有較小的探測盲區。

圖2 等值反磁通瞬變電磁法裝置

等值反磁通瞬變電磁法用于樁底狹小空間巖溶探測，可采用環形測點水平采集方式和錐形測點傾斜采集方式。

1）環形測點水平采集方式：采用環形測線的方式沿樁底一周布置測點，如圖3（a）所示，以正北為起點，間隔30°夾角移動裝備采集數據。

圖3 樁底瞬變電磁法測量測點布置

2）錐形測點傾斜采集方式：將探測天線置于樁底正中心，測量時抬起天線的一側20 cm（天線直徑0.8 m，此時天線傾角15°），傾向以正北為起點，間隔30°夾角抬高天線側邊采集數據。如圖3（b）所示。

2.3 樁底聲吶法

樁底聲吶法是在樁底泥漿中利用高頻換能器激發和接收彈性波，根據回波的特性分析樁底不良地質體情況。

現場探測時，將一發四收探頭放置于樁底，使發射和接收換能器盡可能垂直樁底面，如圖4 所示。探頭放置好后，控制主機采集數據，完成當次采集后，牽引探頭旋轉一定的方向后再次采集數據，重復多次采集直到各接收點方位均勻覆蓋樁底一周。將所有接收信號按接收點的方位順序排列生成探測聲吶應力波剖面圖，并進行綜合處理分析。

圖4 樁底聲吶法探測

2.4 樁底超聲成像法基本原理與探測方法

超聲波換能器被激發時，以一定的輻射角度呈錐體向下發射超聲波，超聲波在向下傳播過程中遇到巖溶、節理裂隙等不連續界面時發生反射、透射、折射現象，反射回的超聲波信號被換能器接收，透射的超聲波繼續向下傳播，對接收到的超聲信號進行一定的處理可反映介質結構。

本文提出使用超聲相控陣換能器采集高密度超聲波全矩陣數據，使用全聚焦成像算法對介質結構進行三維高精度成像。使用M行N列的面陣相控陣換能器采集全矩陣數據，面陣中每個換能器具有發射和接收超聲信號的功能。采集過程［15］如圖5 所示，以8 × 8的64陣元換能器為例，每個陣元均是一個獨立的通道，可以單獨發射和接收超聲波信號，編號為E1—E64。

圖5 全矩陣采集與全聚焦成像原理

首先激發E1陣元發射超聲波，所有64個陣元同時接收信號，其中第j個陣元接收到的數據記為W（1，j）。然后依次按順序激發第i個陣元激發超聲波，并由所有陣元接收信號得到數據，最終得到全矩陣數據W（i，j），其中1 ≤i≤ 64，1 ≤j≤ 64。

對超聲全矩陣數據進行三維聚焦成像，首先確定三維成像區域，然后根據分辨率劃分成像網格，利用全矩陣數據在成像范圍內的每個成像點聚焦成像。成像點P的成像幅值（IP）計算式為

式中：Wi，j為第i個陣元S 發射，第j個陣元G 接收的單道記錄；tS，P，G為發射陣元S到成像點P再到接收陣元G的傳播時間之和。

對探測區域中所有成像點的成像值IP歸一化顯示即可得到探測區域的三維探測結果。

現場探測時，將裝置放在孔口，使探頭中心與樁孔中心重合，勻速下放探頭至樁底。在采集終端設置發射電壓、頻率、掃描方式等參數進行數據采集。采集的數據傳回采集終端，實時計算樁底探測結果，通過成像切片初步顯示樁底巖溶發育情況。

3 樁底巖溶探測模型試驗

3.1 模型設計與制作

為對比不同樁底巖溶探測方法對樁底10 m 范圍內巖溶探測效果，設計大型混凝土模型，在灰巖地層中澆筑，以模擬真實情況的邊界條件，如圖6（a）所示。選擇覆蓋層厚度1 m，基底為較完整灰巖地層，使用旋挖鉆挖出直徑1.5 m、入巖深度11 m的鉆孔樁。

圖6 物理模型（單位：m）

制作了邊長分別為0.1、0.3、0.6、0.9 m 的溶腔模型。將溶腔模型焊接固定在孔壁上，然后向模型樁內澆筑C50 素混凝土，并使用振動棒振搗密實。澆筑完成的混凝土模型中，溶腔的平面位置如圖6（b）所示，4個溶腔頂面深度分別為1、3、6、9 m。

3.2 地質雷達法模型試驗

使用無線頻率200 MHz地質雷達在樁基巖溶模型中探測試驗，沿樁周布置環形測線，采用點測的方式采集數據。清理樁底沉渣、采用人工方式移動雷達天線進行數據采集，以正北為起點，測點夾角30°。

數據經濾波、去噪、增益后得到探測結果，見圖7。第1 道位置在3 m 溶腔上方，第5—第8 道位置在6、9 m 溶腔上方。可知：第1 道在3 m 深度處出現明顯的低頻強反射。第5—第8 道在6 m 以下（圖中藍色虛線范圍）存在雙曲繞射形態的波形，雷達波形能量、相位出現明顯變化，圖中紅框處異常對應兩個溶腔模型的深度與位置，但是無法有效區分兩個模型。

圖7 樁基巖溶模型地質雷達探測結果

3.3 瞬變電磁法模型試驗

使用反磁通瞬變電磁設備在樁基巖溶模型中進行探測試驗，以環形測點水平采集方式和錐形測點傾斜采集方式進行探測。以正北方向為起始測點，測點在樁中心以及沿樁周布置，樁周測點間隔30°。

使用瞬變電磁法探測樁底巖溶模型數據反演后展開的反演結果剖面見圖8。橫坐標為角度，其中0°為開始方向（圖中PVC 管方向），360°為樁中心測點。

圖8 傾斜探測展開平面圖

由圖8（a）可知，在250°方位6 m 深度處出現明顯高阻異常。由圖8（b）可知，在50°方位6 m深度處出現明顯高阻異常。

環形測點平面測量方式更直觀，與實際位置相近，而錐形測點傾斜測量方式由于天線傾斜，測量結果與實際位置有180°的角度差，將探測結果的坐標換算到以樁底中心為原點的三維空間進行三維顯示，見圖9。

圖9 樁底瞬變電磁法模型試驗三維探測結果

使用瞬變電磁法通過環形測點水平采集方式與錐形測點傾斜采集方式探測時，二者對6 m 及以下深度的探測結果具有較好的一致性，但是對淺部的探測結果存在一定差異。使用錐形測點傾斜采集方式能探測樁底更大的范圍，而且對淺部3 m 處的溶腔也有較好的反應。

3.4 樁底聲吶法模型試驗

使用樁底聲吶裝置在巖溶模型進行探測試驗，將一發四收探頭吊放至樁底，通過探頭自帶的姿態傳感器查看傾角和俯仰角，調整位置使裝置水平。裝置包含四個方位傳感器，調整探頭方位，使采集到的數據對應的角度均勻覆蓋樁底一周。

模型試驗共采集數據4組，共16道，如圖10所示，1—16 道數據按方位從小到大排列，大致分布在360°范圍內。可知：2 m 深度范圍內的波形穩定，一致性好，該部分波形主要為震源激發后到達接收傳感器的直達波，直達波能量較強會掩蓋反射信號，產生約2 m 的盲區。1—5 道數據3 m 深度處出現波動異常，對應方位0°～ 90°，與3 m 深度溶腔模型對應。在6 m深度處所有記錄道均存在明顯的反射信號，對應6 m深處溶腔模型。對9 m 深度的溶腔，該方法沒有明顯的反應。

圖10 樁底聲吶法探測剖面

3.5 超聲成像模型試驗

將超聲相控陣換能器下放至模型樁正中心，如圖11 所示，使用主頻為40 kHz 雷克子波作為發射信號，采集超聲全矩陣數據，并使用全聚焦成像算法計算。

圖11 樁底巖溶模型超聲成像數據采集

探測結果見圖12。x、y方向切片圖以探頭中心為原點，x切片方位角185°，y切片方位角95°。

圖12 模型樁超聲成像探測結果

由圖12 可知：①1、3、6、9 m 深度處巖溶強反射異常，其中1 m 深度處異常對應邊長0.1 m 溶腔模型，由于反射面積太小，反射能量相對較弱。3、6 m 深度處反射能量團對應邊長為0.3、0.6 m 的溶腔模型，在方位角為185°的x切片圖上，3 m 深度處巖溶異常偏左，6 m 深度處巖溶異常偏右，與模型的位置關系相對應。9 m 深度反射能量團對應邊長為0.9 m 的溶腔模型，由于該溶腔模型上部存在三個大小不一的空腔，超聲波在向下傳播過程中經多次反射造成能量損耗，導致該溶腔對應的反射能量較弱。②由三維成像可知，4 個溶腔模型的位置與探測結果中的強反射能量團吻合較好。

3.6 大直徑樁底巖溶模型試驗綜合分析

基于本次試驗采用的方法和裝備，對探測結果進行綜合分析，地質雷達法和瞬變電磁法探測過程中，需要人工移動天線采集數據，實際操作難度較大、危險系數高，無法適應樁內泥漿環境，僅適用于較淺的人工挖孔樁。

地質雷達法探測最大有效深度5 ～ 8 m，盲區小于1 m，分辨率較高，不利于發現垂向串珠狀巖溶，探測成果形式為波形數據，通過人工經驗定性解譯，三維顯示困難。瞬變電磁法探測最大有效深度大于10 m，淺部盲區不大于3 m，分辨率較低，探測成果形式為電阻率，通過電阻率值進行半定量解譯，可對探測成果三維成像。

樁底聲吶法和超聲成像法可以適應泥漿環境，適用于絕大多數大直徑的樁基。在探測過程中，樁底聲吶法要均勻調整裝置方位，操作難度較大。探測最大有效深度小于9 m，盲區2 ～ 3 m，分辨率較高，探測成果形式為波形數據，通過人工經驗定性解譯，三維顯示困難。樁底超聲成像法裝置較小，探測過程中只需要把裝置下放到樁底即可，數據采集時不需要移動裝置，可以一次性完成數據采集，操作難度小。超聲成像法探測最大有效深度為10 m，淺部盲區小于1 m，分辨率高，探測成果形式為超聲反射能量，通過反射能量幅值進行半定量解譯，可對探測成果三維成像。

對4 種在大直徑樁底探測的方法從適應環境、操作難度、探測深度、盲區、分辨率、解譯、三維成像等方面進行定性比較，見表3。

表3 樁底巖溶探測方法特點

根據各種方法原理以及模型試驗結果總結了各種樁底巖溶探測方法的適用樁型與異常解釋原則，見表4。

表4 不同方法適用樁基類型及解釋原則

4 結語

本文從施工階段大直徑樁底巖溶探測環境與地球物理特征出發，提出了基于電磁波的瞬變電磁法和基于彈性波的超聲成像法，通過試驗總結出不同探測方法特點與異常解釋原則。

瞬變電磁法采用環形測點或錐形測點方式采集數據，對反演結果三維展示，可以直觀地展示樁底巖溶空間發育形態，該方法探測深度大于10 m，但分辨率較低，盲區較大，對樁底環境要求高，適用于人工挖孔樁探測。

樁底超聲成像法基于相控陣超聲換能器采集高密度超聲數據進行聚焦成像，可實現樁底10 m 范圍的地質結構三維成像，探測盲區小于1 m、精度優于0.1 m。該方法操作簡單，環境適應能力強，具有較強的推廣與應用價值。