管波探測法在巖溶勘察中的應用及思考

摘 要：【目的】巖溶作為一種常見的不良地質作用，在廣東省內分布面積較廣，對工程建設影響較大。因此，巖溶勘察的準確性對工程建設的安全性和經濟性具有重要意義。管波探測作為一種新興的孔內巖溶探測技術，具有較好的應用和推廣價值。【方法】在介紹管波探測工作原理和解譯、判別特征的基礎上，結合廣州市花都區某交通樞紐安置區巖溶勘察項目，對比分析鉆探和管波探測技術在巖溶勘察中的應用情況。【結果】研究結果表明：管波探測技術與鉆探所得結果基本一致，在此基礎上討論管波探測技術的工程推廣及應用價值。【結論】結合工程實際總結了管波探測的重點注意事項及限制條件，為管波探測技術的工程實踐提供重要參考。

關鍵詞：巖溶；管波探測；嵌巖樁；應用

中圖分類號：U442.2" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0073-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.017

Application and Thinking of Tube Wave Detection Method in Karst"Exploration

MA Xinlei

（Guangzhou Pearl River Foreign Investment Architectuarl Designing Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510000，China）

Abstract： [Purposes] As a common adverse geological process， karst is widely applied in Guangdong Province， and has a great impact on engineering construction. Therefore， the accuracy of karst is of great significance to the safety and economy of engineering construction. As a new detection technology， the tube wave detection has good application and promotion value. [Methods] Based on the introduction of the working principle， the characteristics of interpretation and discrimination of the tube wave detection， this paper investigated the application of drilling and tube wave detection technology in karst investigation combined with a practical project of Guangzhou Huadu transportation hub. [Findings] The results show that the tube wave detection technology is basically consistent with the drilling results. On this basis， the engineering promotion and application value of tube wave detection technology are discussed in detail. [Conclusions] Combined with the engineering practice， the key points and limitations of the tube wave detection are summarized， which provides an important reference for the engineering practice of tube wave detection technology.

Keywords： karst; tube wave detection; rock socketed pile; application

0 引言

我國碳酸鹽類分布廣泛，其在水作用下易形成溶洞。目前，廣東省碳酸鹽類分布面積近3萬m²。隨著工程建設的不斷發展，巖溶場地工程開發早已勢在必行，但由于巖溶地基的不連續性、不均勻性、起伏性大等特性，巖溶勘察成果的準確性直接影響著設計、施工的安全性和可靠性。《巖土工程勘察規范（2009版）》（GB 50021—2001）規定，巖溶勘察宜采用工程地質測繪和調查、物探、鉆探等多種手段相結合的方法進行，采用大直徑嵌巖樁應進行專門的樁基勘察^［1］；《巖溶地區建筑地基基礎技術標準》（GBT 51238—2018）規定，巖溶地區的巖土工程勘察應綜合運用工程地質測繪和調查、鉆探、物探、原位測試等方法，對于一柱一樁基礎，應在每柱點下布置勘探孔^［2］；廣東省《巖溶地區建筑地基基礎技術規范》（DBJ/T 15-136—2018）則結合地區經驗提出，巖溶中等強烈發育場地，對于荷載較大的工程或大直徑嵌巖樁，宜采用一樁多孔或鉆孔結合孔中物探方法確定持力層性狀^［3］。由此可見，由于巖溶地區自身地質條件的復雜性，建議采用多種手段綜合勘察。目前，巖溶勘察的主要方法包括工程地質測繪和調查、遙感技術、鉆探、插釬法、標貫、動探等原位測試技術，管波探測技術、垮孔CT探測等物探技術，模型試驗，以及水文勘察的示蹤試驗等^［4-8］。

本研究以廣州市花都區某交通樞紐安置區項目為例，綜合分析鉆探與管波探測技術成果，評價管波探測技術在工程實踐中的應用價值和推廣價值，為類似巖溶勘察工程建設提供參考。

1 管波探測方法

1.1 工作原理

管波探測是一種具有我國自主知識產權的新興孔內巖溶探測技術（2006年獲得國家發明專利）^［9-10］，其原理主要為波動理論，即在充滿液體的鉆孔中及孔壁上，利用司通萊波的軸向傳播，通過一發一收、固定收發距的單孔測試裝置，接收波阻抗差異界面的反射波幅，再通過解譯管波探測時間剖面，查明以約1.0 m為有效半徑的圓柱空間內的不良地質情況^［11］。一般與鉆探相結合，分辨嵌巖樁樁位處大于0.3 m的孔旁溶洞，其垂向精度高，定位誤差一般小于0.3 m^［12］。工作原理示意如圖1所示。

1.2 管波探測法解譯、判別特征

根據管波探測法工作原理及多年工程經驗總結和研究，對巖溶區地質體判別遵循以下規律，具體見表1。

2 工程實例

2.1 工程概況

廣州市花都區某交通樞紐安置區項目，總用地面積2.4萬m²，其中包括3棟11～31層住宅樓、1棟4層派出所、1棟1層垃圾收集站、1棟1層門樓及值班室等7棟地上單體建筑，地下2層車庫和室外工程等，基礎擬采用鉆（沖）孔灌注樁基礎（微風化灰巖作為基礎持力層）。

詳勘階段揭露地層自上而下依次為：①第四系人工填土層，以雜填土為主，局部素填土，層厚0.50～6.50 m，平均厚度2.96 m；②沖洪積層包括細砂（層厚0.40～19.60 m，平均厚度4.12 m）、粗砂（層厚0.80～6.60 m，平均厚度2.40 m）、礫砂（層厚0.30～17.40 m，平均厚度3.96 m）、粉質黏土（層厚0.50～20.7 m，平均厚度4.38 m）；③殘積粉質黏土層主要為軟塑～硬可塑，個別為硬塑；④石炭系（強風化、中風化、微風化）灰巖（灰巖、泥質灰巖、炭質灰巖）；⑤石炭系（強風化、中風化）砂巖。

詳勘階段溶洞鉆孔見洞隙率為34.08%，巖溶發育程度等級為巖溶強發育區。從平面位置來看，整個場區均可見有溶洞分布，溶洞分布無規律性溶洞的洞頂埋深為11.20～37.60 m，洞頂高程為-28.63～-2.34 m；溶洞洞高為0.10～29.50 m，平均洞高度為3.92 m；溶洞頂板基巖厚度為0.00～4.40 m，平均厚度0.90 m。溶洞充填方式包括全充填、半充填及無充填，充填物多為粉質黏土及砂，局部夾灰巖巖塊，部分溶洞呈串珠狀發育。

因該項目基礎形式為嵌巖樁（樁徑1 m、1.2 m、1.5 m），且巖溶強發育，為保證設計、施工安全，控制施工成本和降低施工風險，確定項目超前鉆布孔原則為“一樁一孔，逐樁布置”，而對于荷載較大、高度較高的3棟塔樓則采用“一樁一孔+一管波”的綜合勘探方法。

2.2 鉆探與管波探測成果對比

本項目共完成“一樁一孔+一管波”163孔，其中鉆探鉆孔見洞隙率為46.0%，溶洞洞高0.3～15.4 m；而管波探測揭示為巖溶發育段而鉆探未揭露或局部未揭露的樁位共21個（其中，經管波探測需加深鉆孔6個），管波揭露為溶蝕裂隙發育段而鉆探未揭露的樁位共5個；管波探測揭示溶洞的洞高為0.7～16.3 m，相對鉆探成果洞高有所增大，最小增大0.1 m，最大為5.2 m。本研究每棟塔樓選取一個鉆探成果和管波探測成果進行對比說明，具體如圖2至圖4所示。

鉆孔ZK6-2鉆探成果分別于廣州高程系絕對標高（以下簡稱“標高”）-6.79～7.29 m和8.39～10.39 m揭露溶洞，兩者之間有0.9 m微風化灰巖，而管波探測則解釋溶洞范圍為標高-6.49～-10.39 m，規模稍偏大，但兩者基本一致。

鉆孔ZK7-40鉆探成果于標高-5.82～-6.92 m揭露溶洞，鉆探擬于標高-15.3 m終孔，但是經管波探測標高-5.42～-6.22 m和-10.32～-11.52 m均揭露有溶洞，故此鉆孔加深鉆探至-21.52 m，但管波探測于標高-17.82～18.82 m揭露有溶蝕裂隙發育段，為確認此鉆孔是否可以終孔，于距樁位中心點約1.2 m處進行4個點位的鉆探驗證，其中有2孔于標高-10.32～-11.52 m附近揭露有溶洞，而標高-17.82～18.82 m附近4個驗證點位均未揭露溶洞或溶蝕裂隙發育段，僅相應位置巖芯較為破碎，故本鉆孔可以終孔。

鉆孔ZK8-48鉆探成果于標高-3.54 ～-4.54 m和-10.44～-16.44 m揭露溶洞，而管波探測于標高-3.74～-4.94 m、-8.74～13.14 m、-13.94～-16.64 m揭露溶洞，-13.14～13.94 m揭露溶蝕裂隙發育段，總體而言管波探測揭露的地質不良段范圍有所增大，但基本與鉆探成果一致。

該項目通過鉆探和管波探測的綜合勘察手段，準確揭露了場地地層情況，樁基施工過程中，溶洞揭露情況與勘察成果基本一致，樁基抽芯檢測合格率100%，為節省施工工期、降低安全隱患和工程造價提供了有力保障。

3 結論

本研究以廣州市花都區某交通樞紐安置區巖溶勘察項目為例，對鉆探法和管波探測法進行對比分析。結果表明，管波探測法精度相對較高，且管波探測溶洞揭露率和溶洞大小總體上大于鉆探揭露，可揭露“隱藏”溶洞，對保證工程安全和經濟性具有重要意義。同時，通過該工程實踐，對管波探測法有以下幾點認識。

①管波探測應嚴格遵照基本工作流程，做好下鋼套管、鉆探清孔、調配合理泥漿濃度、下探頭等基礎工作，避免因鋼套管隔絕信號、井液無法傳播信號、探頭無法放置到位等原因影響管波探測精度，甚至探測失敗。

②管波探測主要利用波動理論進行探測，故探測過程中應注意工程擾動，以免影響探測結果的準確性。

③以目前的技術水平，管波探測僅能探測1.0 m左右有效半徑的圓柱空間，無法探測宏觀巖面的起伏情況、鉆孔旁邊溶洞的準確位置等。

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收稿日期：2023-05-06

作者簡介：馬鑫磊（1990—），女，碩士生，工程師，研究方向：巖土工程勘察設計。