管波探測(cè)技術(shù)在灰?guī)r溶洞地層中的應(yīng)用研究

摘" 要：以臨沂市沂河路快速化改造工程（京滬高速—清河西路）為研究對(duì)象，運(yùn)用管波探測(cè)技術(shù)對(duì)場(chǎng)區(qū)巖溶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和解譯。結(jié)果表明：場(chǎng)地巖體中巖溶發(fā)育形態(tài)各異，分布規(guī)律性差或無規(guī)律性；鉆孔見洞隙率為43.9%，大于30%；線巖溶率最大值為31%，最小值為0，平均值為4.1%；巖溶發(fā)育強(qiáng)度等級(jí)為“巖溶強(qiáng)發(fā)育”；場(chǎng)地巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果為不穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：灰?guī)r溶洞" " 管波探測(cè)" " 線巖溶率" " 發(fā)射換能器" " 接收換能器

中圖分類號(hào)：P631

Research on the Application of Tube Wave Detection Technology in Limestone Cave Strata

LI Junming

Shandong Geotechnical Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 246000 China

Abstract： Taking the rapid transformation project of Yihe Road in Linyi City （Beijing Shanghai Expressway Qinghe West Road） as the research object， the pipe wave detection technology is used to collect and interpret karst data in the site area. The results show that the karst development forms in the rock mass of the site are diverse， with poor or irregular distribution patterns. The porosity rate of boreholes is 43.9%， which is greater than 30%. The maximum linear karst rate is 31%， the minimum is 0%， and the average is 4.1%. The intensity level of karst development is \"strongly developed karst\"， and the stability evaluation of the karst foundation of the site is unstable.

Key Wwords： Limestone cave; Tube wave detection; Engineering surveyLinear karst rate; Transmitting transducer; Receiving transducer

灰?guī)r溶洞地層作為一種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，廣泛分布于我國(guó)南部地區(qū)，對(duì)工程建設(shè)構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) [1]。因此，準(zhǔn)確探測(cè)和評(píng)估灰?guī)r溶洞地層的地質(zhì)情況，對(duì)于工程設(shè)計(jì)和施工至關(guān)重要。管波探測(cè)技術(shù)作為一種新興的孔內(nèi)巖溶探測(cè)手段，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在巖溶勘察中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

任士房[3]基于聲電效應(yīng)模擬了隧道工程中的管波傳播規(guī)律，研究成果已應(yīng)用于實(shí)際隧道工程超前預(yù)報(bào)中；陳政道等人[4]運(yùn)用管波探測(cè)技術(shù)對(duì)碼頭工程中的巖溶地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，指出管波技術(shù)在不規(guī)則分布巖溶探測(cè)的有效性；孫中科依托貴陽市城市軌道交通3號(hào)線區(qū)間隧道，運(yùn)用管波探測(cè)技術(shù)分析了溶洞的發(fā)育情況，探測(cè)出了施工過程中34處大小溶洞，為控制巖溶發(fā)育地區(qū)的地鐵隧道施工地質(zhì)分析的降低提供了案例。本文以臨沂市沂河路快速化改造工程為研究對(duì)象，運(yùn)用管波探測(cè)技術(shù)對(duì)場(chǎng)區(qū)巖溶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和解譯，以期為區(qū)域類似工程提供參考。

1" "工程概況

臨沂市沂河路快速化改造工程（京滬高速-清河西路）位于臨沂市羅莊區(qū)，大致為東西走向，西起京滬高速，東至濱河西路，全長(zhǎng)約15.5 km。研究路段里程為K9+200～K13+665.7，全長(zhǎng)4.46 km；項(xiàng)目勘探深度范圍內(nèi)所揭露的地層主要為第四系土層及下伏基巖—奧陶系石灰?guī)r?；?guī)r的飽和單軸抗壓強(qiáng)度如表1所示。

2" " 管波探測(cè)技術(shù)的基本原理

管波探測(cè)技術(shù)探測(cè)巖溶的本質(zhì)是利用了物性之間的波阻抗差異。管波探測(cè)專注于在鉆孔內(nèi)部利用特定類型的彈性波來精確探測(cè)和識(shí)別不良地質(zhì)條件，在中國(guó)巖溶地形的精細(xì)勘探中扮演著先驅(qū)角色。如圖1所示，管波探測(cè)的基本原理是通過在鉆孔內(nèi)配置發(fā)射換能器和接收換能器，發(fā)射儀器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，經(jīng)由發(fā)射換能器S高效轉(zhuǎn)換為振動(dòng)形式的管波，這些管波隨后沿著鉆孔的軸向方向產(chǎn)生向上或向下的機(jī)械振動(dòng)。在傳播過程中，管波最快被接收換能器R接收的波被稱為直達(dá)管波，其能量大部分為壓縮波。然而，當(dāng)管波遇到鉆孔中的波阻抗差異界面時(shí)，管波遵循一般機(jī)械波的傳播規(guī)律，即發(fā)生反射和透射。反射回來的管波（即反射管波）同樣被接收換能器R接收，并攜帶了關(guān)于這些界面特性的關(guān)鍵信息。通過分析接收到的直達(dá)管波和反射管波的特征，包括它們的傳播時(shí)間、振幅、頻率變化等，勘探人員可以推斷出鉆孔周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況，包括不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模及性質(zhì)，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)和施工提供重要的地質(zhì)依據(jù)。

3" 管波探測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1" 管波探測(cè)的數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用廣州量米勘探科技有限公司生產(chǎn)的TTS-3B型管波測(cè)試儀，如圖3所示，整套儀器包括主機(jī)、電腦、電纜、發(fā)射探頭、接收探頭、主機(jī)電源線、主機(jī)供電電池。電腦中安裝了采集軟件TTS、處理軟件TWP。軟件整合了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋、結(jié)果成圖等功能，具有操作簡(jiǎn)單、成圖準(zhǔn)確直觀、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。管波探測(cè)直徑大于2 m；可以分辨大于0.3 m的孔旁巖溶，以及大于5 cm的裂隙、軟弱巖層、樁底沉渣。

3.2" 管波探測(cè)的數(shù)據(jù)解譯

研究共完成7個(gè)鉆孔管波測(cè)試，觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)從儀器傳輸?shù)诫娔X中，使用專業(yè)處理軟件（TWPV3.4—管波探測(cè)法處理解釋系統(tǒng)）進(jìn)行處理，生成管波探測(cè)時(shí)間剖面圖[6]?？着圆涣嫉刭|(zhì)體頂?shù)捉缑娴牟ㄗ杩共町悾诠懿ㄌ綔y(cè)法判別孔壁周圍巖土工程性質(zhì)如表2所示。

3.3" "管波探測(cè)結(jié)果分析

管波探測(cè)場(chǎng)地內(nèi)發(fā)育巖溶類型主要為埋藏型巖溶。從區(qū)域地層和鉆探揭露巖層埋深變化情況分析：場(chǎng)地巖體中巖溶發(fā)育形態(tài)各異，可以表現(xiàn)為溶隙、溶洞等形態(tài)；巖石局部破碎、巖面埋深變化大，并且分布規(guī)律性差或無規(guī)律性，縱橫向展布無序，形態(tài)規(guī)模復(fù)雜；鉆探揭露巖溶洞體充填以可塑～硬塑狀黏土及碎石為主，部分孔為巖溶碎屑、砂充填及無充填。據(jù)現(xiàn)有鉆孔統(tǒng)計(jì)：鉆孔見洞隙率為43.9%，大于30%；線巖溶率最大值31%，最小值0，平均值4.1%；巖溶發(fā)育強(qiáng)度等級(jí)為“巖溶強(qiáng)發(fā)育”。管波探測(cè)的典型解譯圖像如圖2所示。

場(chǎng)地巖層上部分布黏土層且直接與巖層接觸，巖層頂部巖溶洞隙多，溶洞、溶蝕孔洞、裂隙等巖溶現(xiàn)象均有發(fā)育，溶洞多為串珠狀分布，巖溶破碎帶及溶洞的厚度、大小、空間分布變化大且很不均勻，溶洞、溶蝕孔隙大小不一且不規(guī)則分布，橫向無大型連續(xù)發(fā)育的空洞型溶洞，多為多個(gè)大小不一的小型溶洞呈串珠狀分布或?yàn)榉涓C狀巖溶孔洞，空間展布延伸規(guī)模較小，溶洞以全填充或半填充狀態(tài)存在，偶見空洞型溶洞及溶蝕裂隙，場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育程度等級(jí)為巖溶強(qiáng)發(fā)育。場(chǎng)地巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果為不穩(wěn)定。

4" "結(jié)論

（1）根據(jù)測(cè)試結(jié)果，場(chǎng)地巖體中巖溶發(fā)育形態(tài)各異，分布規(guī)律性差或無規(guī)律性，場(chǎng)地內(nèi)巖溶強(qiáng)發(fā)育，溶洞、溶蝕孔洞、裂隙等巖溶現(xiàn)象均有發(fā)育，溶洞多為串珠狀分布，溶洞內(nèi)多為全填充，少量半填充及空洞，不存在較大型的空洞，加固處理難度不大，其穩(wěn)定性稍差。

（2）查明了所測(cè)試鉆孔周圍2 m直徑范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況及完整基巖的分布情況：鉆孔見洞隙率為43.9%，大于30%；線巖溶率最大值31%，最小值0%，平均值4.1%；巖溶發(fā)育強(qiáng)度等級(jí)為“巖溶強(qiáng)發(fā)育”；場(chǎng)地巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果為不穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]陶俊文.管波探測(cè)在巖溶勘察中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2022（8）：161-164.

[2]張午陽，郭都城，葉東昌，等.管波探測(cè)法和跨孔彈性波CT法在巖溶場(chǎng)地勘察中的聯(lián)合應(yīng)用研究[J].廣州建筑，2021，49（1）：3-7.

[3]任士房.聲電效應(yīng)在隧道地震波場(chǎng)物理模擬中的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[4]陳振道，楊克勤，黃雯雯. 巖溶地區(qū)某碼頭工程的勘察與樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化策略[J].水運(yùn)工程，2024（8）：282-287.

[5]孫中科.城市軌道交通隧道綜合巖溶勘察技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用[J].鐵道勘察，2024，50（2）：71-78.

[6]張?jiān)份x，王霽霞.樁基巖溶勘察中管波探測(cè)法的應(yīng)用效果分析[J].西部探礦工程，2024，36（9）：32-36.