管波探测法在岩土工程桩基施工中的应用

管波探测法在岩土工程桩基施工中的应用

郭然

广东省地质物探工程勘察院510800

摘要：随着经济社会的不断发展促使相关建设工程项目的数量和规模在不断增加，岩土工程是项目建设的重要组成部分，基础地质勘察技术是确保岩土工程设计科学以及岩土工程施工建设质量和安全的重要技术基础。在我国碳酸盐岩分布广泛，种类繁多，且碳酸盐岩埋藏较浅，岩溶发育且上覆土层较软弱，存在土洞、溶洞等不良地质现象。对于工程中常常采用的嵌岩桩桩基础形式，由于嵌岩桩桩端持承载力大，对持力层的完整性要求很高，特别是单桩单柱基础时，持力层能否满足要求成为决定工程施工质量和安全的决定性条件。本文通过具体工程实例，把传统的勘察手段与管波探测法进行对比，以揭示管波探测法的优越性。

关键词：基础地质勘察技术；岩土工程；技术应用；管波探测法

根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）：“在岩溶发育地区，当采用大直径嵌岩桩时，应进行专门的桩基岩溶勘察，岩溶勘察宜采用工程地质测绘和调查、物探、钻探等多种手段结合的方式进行，勘察点应逐桩布置，勘探深度应不小于（桩）底面以下桩径的3倍并不小于5m，当相邻桩底的基岩起伏较大时应适当加深”。为保证嵌岩桩持力层的完整性，在施工阶段常采用一桩一孔的超前钻探方式进行桩位勘察。但是大量的工程实例表明，采用一桩一孔进行勘察，甚至一桩多孔，均难以有效探明桩位范围内的岩溶发育情况，依然存在基桩半边嵌岩，持力层中存在溶洞等情况，对基桩的安全存在风险隐患。在进行基桩钻芯法检测时，由于钻芯孔检测范围有限，难以发现钻孔旁侧的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等，造成对持力层完整性的误判。而管波探测法有效探测范围为半径一米，可发现钻孔旁侧的岩溶，溶蚀裂隙，软弱夹层等，具有钻芯法不可比拟的优势。因此管波探测法在桩底溶洞、桩基检测中有良好的应用前景。

1.管波探测法原理

管波探测法的原理是在充填液体的孔内采用发射探头反射一个频率低能量高的脉冲信号，发射探头产生的振动与孔液作用，将在孔液与孔壁上产生管道波，管道波沿着孔液与孔壁传播一定距离后，被接收探头接收并用记录仪器记录；同步移动发射探头与接收探头改变探测位置，把不同深度探测点的振动记录按深度排列，得到管波探测时间剖面，通过分析管波探测时间剖面中直达波振幅的大小、反射波强弱等信息，即可判定孔旁岩溶裂隙和软弱夹层等所在深度及范围。

根据波动理论，在充满液体的钻孔中，任何扰动，都会产生沿钻孔轴向传播的管波（司通莱波）。管波在孔液和孔壁外一定范围内传播。管波在传播过程中，在存在波阻抗差异（波阻抗Z为介质的弹性波波速V与介质密度ρ的乘积）的界面处发生透射和反射。

根据现有观测系统，反射管波的同相轴为视速度稳定的倾斜波组。当岩土层中不存在波阻抗差异界面或界面两侧波阻抗差异不大时，管波时间剖面中只有与（平行于钻孔轴线的）空间轴平行的直达波组，无明显的反射波组（剖面中的倾斜波组）。当岩土层中存在明显的波阻抗差异界面时，管波扫描剖面（时间剖面）中除存在明显的直达波组外，还存在明显的反射波组，即剖面中的倾斜波组。

也就是说，在剖面中存在明显的倾斜反射波组的位置，必定存在波阻抗差异界面。对灰岩地区，波阻抗差异界面即为孔中、孔旁溶洞边界或软弱夹层顶底界面。管波探测法的原理就是通过分析反射管波的波幅特征，探测波阻抗差异界面，通过对界面的解释，推断孔旁溶洞或软弱夹层的发育情况。根据波动理论中的半波长理论，管波探测法的探测范围为以钻孔中心为圆心，半径为管波波长的1/2的圆柱状空间。考察本项目管波探测时间剖面，各钻孔中管波的波长各不相同，但总体上，约为2m，即管波探测法的探测半径约为1m。

根据管波探测法理论研究成果和工程实践成果，管波探测法可分辨大于0.3米的孔旁洞穴，对洞穴的定位误差小于0.3米，具有非常高的垂向探测精度。

2.工程应用

2.1工程概况

山东省临沂市双岭高架桥路桩基础钻孔勘察一标段总长约3.2km，工程主要构筑物采用大口径嵌岩桩基础类型。

根据场地前期勘察资料，场地大部分地处岩溶地区，岩溶极其发育，工程地质条件异常复杂，部分桩位基岩持力层起伏变化大。常规一桩一孔的钻探勘察难以准确判定岩溶的发育情况，采用一桩多孔经济上成本高。经业主、设计、勘察等相关单位讨论，确定对该项目主要构筑物的桩位采用钻探加管波探测法的综合勘探方案，进行施工阶段的专项岩溶地质勘察工作。

2.2勘察目的与任务

本次勘察工作的具体目的与任务是：

采用管波探测法查明桩位钻孔为中心，半径1.0米范围内基岩岩溶的发育情况。以满足设计桩底标高以下有3倍桩径，且不小于5m的稳定（连续完整）基岩的要求，即探测深度不小于桩底标高以下（3D+2）m且不小于7m的要求。

3.任务完成情况

接受委托后，于2016年3月13日进场工作，至2016年7月2日完成野外工作。共完成管波探测140孔。

4.管波法成果及钻孔资料的对比和综合分析

根据管波法及钻孔资料的对比情况，可以归纳出如下结论：

1、钻孔揭露的岩溶，在管波探测成果中必定有反映，具有很好的吻合性；

2、管波发现了较多钻孔未揭露岩溶发育段；

3、管波发现的岩溶比钻孔揭露的要大。

上述结论中说明：对于钻孔揭露的岩溶，管波法均有发现，并且是吻合的。管波法还可发现钻孔未揭露的岩溶发育段，并且管波发现的岩溶比钻孔揭露的要大，说明了管波法对“隐蔽”岩溶（钻孔未发现的岩溶）的发现能力要优于钻孔。管波探测法揭露岩溶范围看似与钻孔不吻合，但与真实岩溶发育情况更加吻合。

这种不吻合是由于探测范围的不同引起的，图1可说明了两种探测方法的有效范围。

钻孔对岩溶的探测有效范围为钻孔直径范围，用“一孔之见”形容十分贴切；管波探测法的探测有效范围是以钻孔为圆心，直径约2米的圆柱形（圆筒形）区域。二者对比，管波探测法的探测范围更加适合于桩位岩溶的探测。

结论

管波探测法目前仍然是一个新兴的物探勘察方法，其在岩溶勘察中的优越性与经济性目前还尚未被广泛认识与认可。相比常规的钻探勘察，管波探测法具有成本低，准确性高，施工简便等特点，具有比常规钻探有更大的优越性，在岩溶发育地区具有非常广阔的前景。

参考文献：

[1]李望明，吴述来，易强.利用管波信息进行定量解释的方法[J].物探与化探，2017，（2）.