桩位岩溶探测新技术-管波探测法

管波探测法XX省地质物探工程勘察院XXXX年XX月

目录第一章、简介第二章、方法的用途、使用依据及可靠性一、用途二、使用依据三、可靠性第三章、方法的优势第四章、管波探测法探测原理一、管波的激发、传播机理二、管波的探测原理三、管波探测法的探测装置四、管波探测法的探测流程简介管波探测法是在钻孔中利用“管波”作为探测物理场，探测孔旁一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体的具有自主知识产权的最新孔中物探方法，是“中国创造”的物探方法。管波探测法由xx在长期的工程实践中发明，于xx年获得国家发明专利，xx年被XX省建设厅列入“XX省建设行业科技成果推广项目”。“管波探测法应用研究”项目获2004年度XX省地质勘查局地质科学研究基金资助（资助金额人民币六十万元），项目开展了管波探测的理论、管波对不良地质体的探测有效性、有效探测半径和技术方法的研究。xx年4月7日，项目通过了由XX省地质勘查局组织，有xx地质调查局、xx市水电物探研究所、xx大学、XX省水利水电科学研究院、XX省地质勘查局参加的评审专家组评审验收。应用研究项目获xx年度XX省地质勘查局地质科技成果一等奖，获xx年度XX省科技成果二等奖。

XX省建设行业科技成果推广项目证书XX省科技成果二等奖奖状

XX省地质科学技术成果奖证书

第二章、方法的用途、使用依据及可靠性一、用途这些地区进行工程项目的建设，岩面埋深较浅，土层较软弱，并且存在土洞等不良地质现象，常采用嵌岩桩的基础形式。嵌岩桩桩端的承载力大，对持力岩层的完整性要求高，特别是采用单桩单柱基础时，更是如此。灰岩地区，岩溶发育，存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体。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勘察。实践证明，采用这种方式进行嵌岩桩桩位勘察，基本查清了持力层的完整性。近年来，随着我国技术的进步、经济的发展、综合国力的增强，工程项目的建设规模越来越大，要求嵌岩桩的设计承载力较大，桩径普遍采用1.2～2.4m。近年来，在灰岩地区，在基桩抽芯检验时，常发现持力层存在规模较大的溶洞等安全隐患，并发生多起由于地基不稳造成的建筑物下沉甚至倒塌事故。大量工程实例表明，采用一桩一孔勘察，难以探明桩位范围内的岩溶发育情况，依然存在桩基半边嵌岩、持力层中存在溶洞的风险和隐患。对岩溶发育复杂地区的大直径桩，工程勘察中，渐渐采用了一桩多孔的超前钻探方式进行勘察，以此期待查明持力层的完整性，力求排除由于桩基不稳致使的安全隐患。管波探测法的作用在于：管波探测法可完全查清灰岩地区基桩持力层的完整性，确保建筑物的安全和稳定性。用途在于：用“一桩一孔+管波探测”取代“一桩多孔”的桩位勘察方式，前者比后者省钱，工期和安全更有保障。图1、管波探测法探测范围图1可很好地说明管波探测法的用途。在灰岩中存在形态复杂的溶洞，如图中左侧所示。仅根据钻孔资料（钻孔布置在桩位中心，见图中的钻孔柱状图），设计基桩桩端高程，则持力层存在溶洞。并且，在基桩抽芯检测时，溶洞很可能不被揭露。如根据管波探测法的解释成果（见图右），设计基桩桩端高程，则持力层稳定。图1、管波探测法探测范围管波探测法在桩位中心的一个勘察钻孔中进行探测，即可探明桩位范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育和分布情况，并评价嵌岩桩基桩持力层的完整性，为桩基设计提供直接依据，并指导施工。应用管波成果，可以杜绝桩基半边嵌岩、桩底持力层存在溶洞等安全隐患。管波探测法有效探测半径大于1.0米，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。特别适合于灰岩地区大口径嵌岩桩的桩位勘察。二、使用依据1、以下是摘自《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）的部分条文：1）“当采用基岩作为桩的持力层时，应查明基岩的岩性、构造、岩面变化、风化程度，确定其坚硬程度、完整程度和基本质量登记，判定有无洞穴、临空面、破碎岩体或软弱岩层”（P44，4.9.1条之2，强制性条文）。2）“拟建工程或其附近存在对工程安全有影响的岩溶时，应进行岩溶勘察”（P52，5.1.1条，强制性条文）。3）“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，并应符合下列要求：．．．．．．4施工勘察应针对某一地段或尚待查明的专门问题进行补充勘察。当采用大直径嵌岩桩时，尚应进行专门的桩基勘察。”（P52，5.1.2条）。４）“施工勘察工作量应根据岩溶地基设计和施工要求布置。．．．．．．。对大直径嵌岩桩，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5米，当相邻桩底的基岩起伏较大时应适当加深。”（P53，5.1.6条）。2、2007年，XX省建设厅将管波探测法列入“XX省建设行业科技成果推广项目”。三、可靠性管波探测法经过了工程实测、模型试验、钻探验证、基桩施工验证和基桩抽芯验证等诸多方法的验证。工程实测和模型试验重复对比观测结果表明，管波探测资料重现性好，异常的地质解释识别标志明显。模型试验结果表明，有洞则有管波异常。实测结果的钻探验证结果表明，异常的地质解释与实际地质情况一致。基桩施工情况和抽芯检验结果表明，管波探测法探测结果准确可靠。经过验证和确认，xx市南海区道路建设管理处等业主单位已经在招标文件中明确要求对灰岩地区的所有桥梁、立交的桩位勘察孔，必须采用管波探测法作为辅助勘察手段，以查明桩位范围内的岩溶发育情况。1、模型试验管波探测法应用研究项目选择在较完整的花岗岩中建立充水洞穴模型，模拟灰岩中的溶洞，使探测的岩体条件具有唯一性。洞穴模型建立前、后的管波测试表明，孔旁一定距离无洞则无管波异常，有洞则有管波异常，表明管波探测方法对探测孔旁洞穴有效。2、工程实例管波探测法自2003年底发明以来，至2007年底，累计已经在国内完成约四千个桩位的探测，实施的工程主要有：

管波探测法完成的主要工程一览表序

号工程名称委托单位工作量

（桩位）工程进展1广清高速公路与环城高速公路连接线工程XX省公路勘察规划设计院51竣工通车一年多2xx市和顺至北滘公路主干线工程DS17标段和顺南立交桥工程上海市政工程设计研究院188竣工通车3xx市狮山至和顺公路主干线工程桂和互通立交、里和互通立交工程天津市市政工程设计研究院96竣工通车4xx市和顺至北滘公路主干线工程DS13、DS15、DS16、DS17标段XX省xx市路桥工程总公司480竣工通车5xx市三水二桥XX省公路勘察规划设计院30竣工通车6xx市南海区江厦立交至东西二线段加宽改造工程雅瑶桥、大冲桥工程xx市南海区道路建设管理处280桩基工程已完工7xx市和顺棠溪至料美公路主干线勘察第HLK-01～03合同段工程xx市南海区道路建设管理处2508xx市轨道交通五号线滘口～大坦沙石灰岩分布范围高架桥工程xx市地下铁道总公司188桩基工程已完工9xx市轨道交通六号线浔峰岗～河沙石灰岩分布范围高架桥工程xx市地下铁道总公司25110xx市南海区广佛公路至沙涌公路改造工程广佛高速分离式立交XX省公路勘察规划设计院82桩基工程已完工11广西玉林凯旋世纪广场（21层）广西玉林凯旋世纪广场14412桂林市平山环卫工人廉租房桂林市市政局3013云（浮）至梧（州）高速公路第4标段广东云梧高速公路筹建处278桩基工程已完工14云（浮）至梧（州）高速公路第5标段广东云梧高速公路筹建处50桩基工程已完工15云（浮）至梧（州）高速公路第9～11标段广东云梧高速公路筹建处369桩基工程施工中16佛山中海金沙湾高层住宅小区中海地产发展有限公司43517广贺高速贺州段广贺高速贺州段筹建处28018辽宁大连保税区大窑湾疏港高速公路港区段特大桥大连市保税区规划土地管理局11619惠州念山至深圳白沙沿海高速公路惠州惠深岩海公路有限公司153、探测结果的工程验证上述工程中，云梧高速公路4标段（共278桩位）为人工挖孔桩，其余工程为冲孔桩。上述工程中，基桩工程完工后，质检部门采用低应变反射波法和钻芯法对基桩进行检测，其中钻芯法抽检比例为10%。基桩检测从未发现桩底及持力层存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层或半边嵌岩等缺陷。根据收集到的基桩施工记录、基桩的抽芯检验报告及委托方的用户意见来看，管波探测法对岩溶的探测准确可靠，深度误差在0.3m以内。委托单位均认为管波探测法是一种很有效的探测手段，可查明灰岩地区嵌岩桩桩位范围内岩溶的发育和分布情况，为桩基的设计和施工提供可靠的地质依据。根据管波探测成果确定的理想桩端高程，可避免桩端持力层存在溶洞或半边嵌岩的风险。4、探测结果的钻孔验证1)xx市狮和公路工程2004年8月，受xx市市政设计研究院的委托，对xx市狮山至和顺公路主干线工程桂和里和互通立交进行了96个桩位的管波探测工作，并对其中ZK-Y29和ZK-Y34二个桩位的管波探测成果进行了钻探验证。桩位钻探、管波探测及钻探验证结果如图1、图2所示。ZK-Y29桩位钻孔资料表明，微风化基岩（灰岩）面高程为-17.28m，以下无溶洞，为完整基岩。进行管波探测后，管波探测法解释在-17.60～-19.74m高程段为岩溶发育段，-19.74m以下才是完整基岩段。ZK-Y34桩位钻孔资料表明，微风化基岩（灰岩）面高程为-33.36m，以下无溶洞，为完整基岩。进行管波探测后，管波探测法解释在-32.80～－33.5m高程段为岩溶发育段，－33.50以下为完整基岩段。为了验证管波探测法的有效性，分别在ZK-Y29和ZK-Y34孔四周各布置四个钻探验证孔（共八个），钻探验证孔均距离原管波测试孔0.7m，以验证：=1\*GB3①管波探测法解释的岩溶发育段是否存在；=2\*GB3②解释的完整基岩段是否完整。在ZK-Y29探测孔的四个验证孔（编号为ZK-Y29－1～ZK-Y29－4）中，ZK-Y29－3在高程-18.55～-19.66m发现一处溶洞，四个验证孔的基岩面高程分别为-17.73、-20.02、-17.53、-16.93m，除ZK-Y29－3外，其余孔基岩面以下岩石完整，ZK-Y29－3孔在高程-19.66m以下岩石完整。从ZK-Y29－2孔基岩面以上存在大于2m的卵砾石溶洞充填物分析，ZK-Y29桩位钻孔旁存在一开口型溶洞，其高程为-17.73～-20.02m，高程-20.02m以下岩石完整。这与管波探测法解释的高程-17.6～-19.74m为岩溶发育段，高程-19.74m以下为完整基岩段吻合，高程误差小于0.3m。在ZK-Y34探测孔的四个验证孔（编号为ZK-Y34－1～ZK-Y34－4）中，ZK-Y34－2在高程-27.60～-33.55m发现一处溶洞，四个验证孔的基岩面高程分别为-32.85、-26.70、-32.05、-31.70m，除ZK-Y34－2外，其余孔基岩面以下岩石完整，ZK-Y34－2孔在高程-33.55m以下岩石完整。分析这四个验证孔的地质资料，我们认为ZK-Y34－2孔在高程-26.70～-27.60的灰岩为一残留岩块或“鹰嘴”，ZK-Y34桩位钻孔旁存在一开口型溶洞，其高程为-32.85～-33.55m，高程-33.55m以下岩石完整。这与管波探测法解释的高程-32.80～-33.5m为岩溶发育段，高程-33.50m以下为完整基岩段吻合，高程误差小于0.1m。通过验证孔揭露的地质情况，可得到如下结论：（1）管波解释的完整基岩段在全部验证孔中均是完整的，管波解释的完整基岩段是可信的；（2）管波解释的岩溶发育段的确存在，管波探测法的确可探测到测试孔外一定范围内的岩溶。图1、ZK-Y29钻孔的管波探测成果及其验证

图2、ZK-Y34钻孔的管波探测成果及其验证

2)xx地铁五号线工程受xx市地下铁道总公司委托,在详勘阶段对xx地铁五号线滘口至大坦沙区间灰岩分布段进行管波探测。为了验证管波探测成果，业主委托xx市地下铁道设计院对W8D、D6D、D6A、D4A等4个桩位的管波探测成果进行了钻探验证。验证时，在每个桩的桩周各布四个孔进行钻探取芯，验证孔距桩中心约1.5m，图3为其中W8D桩的验证情况。xx市地下铁道设计院在验证报告中总结4个桩共16个钻探孔的验证情况，出具的验证意见如下：（1）管波探测法发现了钻孔旁侧的岩溶、溶蚀裂隙，其探测范围远大于钻探口径，弥补了钻探“一孔之见”的不足，适用于灰岩分布区嵌岩桩桩位的勘察，特别是大型的重点工程项目；（2）管波探测法解释的“完整基岩段”内，钻探验证证明绝对正确，地质解释的“岩溶发育段”，钻探验证证明大部分正确,个别存在着程度上的误差；（3）根据管波探测成果确定的理想桩端高程，可避免桩端持力层存在溶洞或半边嵌岩的风险。图3、地铁五号线W8D桩位管波探测成果的钻探验证情况

第三章、方法的优势在石灰岩场地进行勘察，。岩溶发育在宏观上具有规律性，但在桩位范围的局部区域，岩溶形态、延伸及分布缺乏规律。目前，一般工程通常采用规范强制规定的一桩一孔的方法进行桩位勘察。根据一桩一孔资料设计桩端高程，在抽芯检验时，往往会发现桩基部分嵌岩、桩底持力层中溶洞发育等等安全隐患。一旦发现，将耗费大量的资金及时间进行补强。部分工程采用成本高、工期长的一桩多孔超前钻探方式进行桩位勘察，虽然可降低上述风险，但是不能完全避免。为了查明岩溶发育情况，工程物探可划分为地面物探和孔中物探。地面物探可查明场地土洞和岩溶发育的宏观规律，但由于受其精度及准确性的限制，难以满足桩位勘察的要求。孔中物探也可分为跨孔法和单孔法。现时的跨孔物探方法主要有跨孔CT层析成像（如弹性波CT、电磁波CT、电阻率CT等）。由于跨孔法需要邻近钻孔的配合，勘察成本高、工期长，不常用于桩位勘察中。跨孔法的探测范围为钻孔之间的切面，无测线穿过的区域是探测的盲区。现时的单孔物探方法主要有弹性波测井（如PS测井、声波测井）、放射性测井（如γ测井、γ–γ测井、中子测井和能谱测井等）、电测井（如电阻率测井等）、孔中电视、电磁测井（如孔中雷达）。除孔中雷达外，其他单孔物探方法的作用主要是获取孔壁岩土的物理参数、辅助钻探进行地质分析。孔中雷达可探测到孔旁目的体的分布情况，但由于采集得到的雷达图像中包含较多与目的物无关的反射（假异常），容易导致错误的地质解释结果，且孔中雷达设备的价格昂贵，依赖进口，难以大量用于桩位勘察中。管波探测法的发明很好地弥补了上述各方法的不足之处，非常适用于桩位岩溶、软弱夹层的勘察。管波探测法具有以下特点：=1\*GB3①管波具有能量强、衰减慢、传播速度与孔旁围岩切剪波速度密切相关等特点，由孔旁岩溶、软弱夹层及裂隙带引起的管波异常易于识别，异常的地质解释具有唯一性，勘察成果可靠性高；=2\*GB3②探测孔旁洞穴大小的分辨能力强，垂向探测精度高；=3\*GB3③对勘察仪器设备的技术要求低，勘察设备投资少；=4\*GB3④施工工期短，成本低；以下为管波探测法与其它桩位勘察方法之间的对比：方法需要钻孔数勘察费用勘察工期优势缺陷一桩一孔1低短工期短、费用低无法探明孔旁（桩位）岩溶、桩侧临空面一桩多孔3~5较高较长“眼见为实”，可探明基桩范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱层等地质情况，可评价基桩持力层的完整性难于探明桩侧临空面。工期长、费用高跨孔CT3~5高长可详细探明桩位、桩侧岩溶、基岩面起伏、临空面等地质情况，可评价基桩持力层的完整性，精度高工期长、费用高、存在盲区孔中雷达1较低较短可调查桩位的不良地质体，工期较短、费用较低地质解释结果多解性强、可靠性低，不适宜评价基桩持力层的完整性，不能分析不良地质体平面上的方位管波探测法1较低较短可探明基桩范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱层等地质情况，可评价基桩持力层的完整性。工期较短、费用较低、精度高不能探明基桩范围外的不良地质体、临空面，不能分析溶洞距探测孔的距离及平面上的方位

第四章、管波探测法探测原理一、管波的激发、传播机理根据弹性波理论，在弹性介质中传播的振动，按传播空间可分为体波和界面波。体波在无限空间中传播，包括纵波（压缩波）和横波（剪切波）。界面波在波阻抗界面附近传播，包括瑞利波、斯通莱波、勒夫波等。当相互接触的两种介质一种是流体另一种是固体时，流体的振动会在两种介质的分界面及其附近产生沿界面传播的界面波，称做广义的瑞利波（Rayleighwaves）。在液体填充的孔内及孔壁上，广义的瑞利波沿孔的轴向传播，称作管波（Tubewaves）。常见的管波有两种类型，一种是斯通莱波（Stoneleywaves），沿孔壁传播，并在围岩中呈指数衰减；另外一种是准瑞利波（又称为伪瑞利波），它是一种导波，大部分能量集中在流体内，在围岩中也呈指数衰减。这两种波都有波散特性，相速度随频率的不同而变化。在横波波速高于流体纵波波速的介质（高速介质）中，斯通莱波有轻微的波散现象。在低频端，斯通莱波的相速度和群速度都接近孔内流体的纵波波速的0.9倍。在高频端，斯通莱波的波速趋于围岩中的横波速度。准瑞利波具有明显的波散特性，并有一个最低频率，低于该频率的准瑞利波不存在，在该频率处其速度等于围岩的横波速度Vsr。在充填液体的硬质岩石钻孔中，这个最低频率约为10kHz。因而准瑞利波具有低截特性。在高频端，准瑞利波的波速趋于围岩中的横波速度。孔中流体的任何振动，几乎都能产生管波（斯通莱波及是准瑞利波），管波的初始频率和管波源的频率相同。两种类型管波均沿钻孔的轴向传播，都具有前推式的质点运动轨迹，在轴向切面内是一系列椭圆。质点位移的径向分量在钻孔中心是0，在孔壁处，径向位移达到最大值，在孔壁以外的围岩中随着离开孔壁的距离按指数规律减小。质点位移的轴向分量在流体中相对来说是一常数，在孔壁上发生间断，振幅下降了几百倍，在孔壁以外的围岩中亦随着离开孔壁的距离按指数规律减小。根据管波探测法现有发射设备的情况，发射振动的频带范围为400~3000Hz。实际采集到的管波为斯通莱波。图5为斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及幅度的示意图。图5、斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度由于孔内流体吸收作用很小，管波频率和幅度变化缓慢，所以，尽管经过了一定距离的传播，管波能量依然很强，管波的频谱与管波源的频谱基本一致。和其它类型的波动一样，在传播方向遇到波阻抗差异界面时，管波也会发生反射。在钻孔孔液和孔壁外一定范围内，发生反射的波阻抗界面有：图5、斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度a、孔径变化处；b、液面处；c、孔底；d、孔壁波阻抗差异界面。以往对界面波的研究表明，界面波的能量集中在界面以外半波长的范围内。实测资料表明，管波的探测范围亦可以用管波的半波长确定，管波的探测范围为以钻孔中心为轴心，管波的半波长为半径的圆柱状区域。管波的传播速度极为稳定，可通过改变管波源的频率来改变管波的探测范围。二、管波的探测原理从管波的传播机理可以得出：a、管波在孔液和孔壁以外一定范围内沿钻孔轴向传播，除在孔径变化、孔底和孔液表面处产生反射外，在管波的有效探测范围内的任何波阻抗变化都会产生反射。在钻孔周围的圆柱状空间，这种波阻抗的变化必定是由于钻孔旁侧的岩性差异及土洞、溶洞、软弱夹层等不良地质体的存在造成的。因而可通过分析反射管波来确定钻孔旁侧是否存在岩性差异及不良地质体。b．管波在孔液和孔壁以外一定范围内沿钻孔轴向传播，可把孔液和孔壁以外一定范围内的岩土层等效成一维杆件，管波在等效的一维杆件中沿轴向传播。其运动学方程可大为简化，解释方法更为简单。与一维杆件中沿轴向传播的振动的区别在于，一般认为，在一维杆件中沿轴向传播的振动在相同的杆件横截面上，振动的能流密度处处相等。而管波传播的等效一维杆件中，振动的能流密度是不相等的，距钻孔近的区域能流密度大，远离钻孔的区域能流密度小。c．由于管波具有能量强、衰减慢、传播速度与孔液纵波波速相当的特征，反射管波的能量很强，在使用固定收发间距的一发一收探测装置采集的时间剖面上很容易识别，异常明显。

三、管波探测法的探测装置图6管波探测法的工作装置管波探测法的探测装置如图6所示，把发射仪的发射换能器和记录仪的接收换能器按固定间隔放入有孔液的钻孔中，在每个探测位置发射仪发射同一主频的脉冲信号，发射换能器产生的振动与孔液作用，在孔液和孔壁上