岩溶地区管波解译溶洞精确尺度的探讨

广东土木与建筑GUANGDONGARCHITECTURECIVILENGINEERINGVol.27No.1JAN2020岩溶地区管波解译溶洞精确尺度的探讨

赵德振

（广州市设计院

广州510620）

摘要：利用管波探测法解译溶洞的发育情况是新兴的地球物理勘查方法，详细介绍了管波探测法的原理和外业施工流程，并结合广州北站安置区项目工程实践，对管波探测法在岩溶勘察中精确尺度问题进行了深入探讨。通过与钻探和实际施工对比，发现管波对于溶洞大小和顶底板位置的解译精确尺度与实际情况偏差较大；同时说明管波能够解译的溶洞精确尺寸目前来看在0.5~1.5m范围内。

关键词：岩溶；管波探测；精确尺度；溶洞大小；管波应用中图分类号：TU195+.1文献标志码：A文章编号：1671-4563（2020）01-020-04

DiscussiononthePreciseScaleofKarstCaveInterpretationbyPipeWaveinKarstAreaZhaoDezhen

（GuangzhouDesignInstitute

Guangzhou510620，China）

Abstract：Itisanewgeophysicalexplorationmethodtointerpretthedevelopmentofkarstcavesbymeansofpipewavedetection.Thispaperintroducestheprincipleandfieldconstructionprocessofpipewavedetection，anddiscussestheprecisescaleofpipewavedetectioncombinationwiththeengineeringpracticeintheresettlementareaofGuangzhouNorthstation.Throughcomparisonwithdrillingandactualconstruction，itisfoundthattheaccuratescaleofinterpretationofpipewaveforthesizeofkarstcaveandthelocationofroofandfloorisquitedifferentfromtheactualsituation；atthesametime，itshowsthattheaccuratesizeofkarstcavethatcanbeinterpretedbypipewaveisintherangeof0.5~1matpresent.

Keywords：karst；pipewavedetection；precisescale；cavesize；pipewaveapplication

0引言1

1.1

管波探测法

随着工程技术的进步，越来越多的工程项目在岩溶地区进行建设，且经常采用端承桩的基础形式。由于岩溶地区通常有溶洞、土洞溶蚀裂隙、地下河等不良地质现象发育，给工程施工的安全性带来巨大挑战。因此，现场施工中如何准确的判断溶洞的大小、位置对于桩基施工质量和建筑物安全性至关重要。依据《岩土工程勘察规范：GB50021-2001（2019版）》的要求，对于岩溶地区施工勘察阶段大直径嵌岩桩勘探点应逐桩布置，勘探深度应不小于底面以下桩径的3倍并不小于5m［1］。结合以往建设的工程案例，桩基勘察一桩一孔的钻探方式往往不能完全揭露整个桩位范围内的岩溶发育情况，同时一桩多孔的勘察方式成本较高［2-4］。现阶段管波探测与钻孔相结合的方法在岩溶勘察、桩身完整性检测应用中得到重视［5-9］，该方法可以解译钻孔直径2m范围内溶洞、土洞、溶蚀裂隙发育情况等，即一桩一孔一管波。虽然管波的使用在一定程度上提高了溶洞的揭示效果，但此技术尚未完全成熟。本文根据广州北站综合交通枢纽开发建设项目（二期）安置区地块二使用管波探测的实际情况，对管波实际应用过程中所能解译的溶洞精确尺度进行了分析。

作者简介：赵德振（1991-），男，硕士研究生，主要从事勘察和

管波的基本原理

管波是一种在钻孔及其附近沿钻孔轴向传播的特殊弹性波。管波设备激发的大部分能量集中在以钻孔为中心、半径为半波长的圆柱形范围内，管波传播过程能量衰减慢、频率变化小［10］。

根据Biot（1952）和Write（1956）对管波做过的研究与试验，给出了零频率时管波的波速Vt为：

VfρVs2式中：Vf为钻孔中流体（井液）的纵波波速；rf为钻孔中流体（井液）的密度；Vs为钻孔周围固体介质（岩土层）的横波波速；r为钻孔周围固体介质（岩土层）的密度。

1.2管波探测装置

现有管波探测法设备激发的管波，其中心频率约700Hz，实测的管波波速与式⑴计算结果一致。如钻孔内孔液为清水、周围为中微风化硬岩、完整混凝土等高速固体介质时，测得的管波波速约为1400m/s；如钻孔内孔液为清水、周围固体介质为黏土层时，测得的管波波速约为250m/s，与黏土层的横波波速相当。

管波探测法实测资料证明，管波的能量与钻孔周围介质的横波波速呈正相关性，钻孔介质横波波速高则管波的能量强，钻孔介质横波波速低则管波的能量

Vt=

1+ρfVf2⑴

岩土设计工作。

E-mail：1070786660@qq.com

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2020年1月第27卷第1期赵德振：岩溶地区管波解译溶洞精确尺度的探讨JAN2020Vol.27No.1弱。当激发或接收探头处于溶洞附近时，直达管波能量几乎为零。当激发或接收探头处于软弱岩层、土层中时，直达管波的能量、波速显著降低。管波的能量由直达管波和反射管波的波幅确定。

在管波传播范围内的波阻抗差异界面处，管波产生反射。采用收发换能器距离恒定、测点间距恒定的自激自收观测系统进行测试，垂直时间剖面中所有的反射管波以倾斜波组形式呈现，具体如图1［10］所示。

时间直达波同和轴溶洞顶面反射同和轴溶洞R'Rd探测范围溶洞底界反射同和轴孔底反射同和轴图1管波探测法观测到的波组形态示意图

Fig.1

SchematicDiagramofWaveGroupMorphologyBbservedbyPipeWaveDetectionMethod

1.3

在实际应用管波时，管波探测的流程探测工作往往采用管波与钻探相互配合的方式。首先在桩身位置进行钻孔钻探直至其揭露的作为持力层的岩芯长度满足设计要求停止钻探，然后再利用管波探测钻孔2m范围内否存在溶洞、土洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质现象。通过管波的判断结果，决定是否加深钻探深度直至满足设计要求，如图2所示。

按技术要求钻探，完整基岩段达到设计要求时终孔钻孔清孔加深钻进现场进行管波探测确定钻探加深深度判断完整基岩段是否是存在溶洞、软弱夹层否可以终孔图2管波探测流程图

Fig.2

FlowChartofPipeWaveDetection

1.4

管波的时间剖面的处理较为简单，资料处理与解释方法

一般进行去零漂处理即可，切忌进行振幅平衡处理。必要时可进行频率滤波，滤波通带宜为300~2000Hz。时间剖面中各测点的测试曲线应采用相同的显示增益，宜采用伪彩色剖面显示。同一钻孔的多次测试时间剖面应绘

制在同一成果图件中，并选择适宜的测试结果拼接成

最后的成果文件进行解译。管波资料的解译过程一般分为两步：

⑴解译以满足实际工程需要为前提，⑵第一步，第二步，确定分层界面。对分层进行地质解译。管波的地质管波探测法按表1的地球物理特征对岩溶区孔旁岩土层进行分类。

表1管波探测法对孔旁岩土分层的地球物理特征Tab.1GeophysicalCharacteristicsofRockandSoilLayersneartheBoreholebyPipeWaveDetection孔旁岩土分类管波异常特征土层①②直达波速低，波组到达时间长、能量微弱；岩溶①无反射管波同轴穿过。射组能量强、直达波能量很弱或不可见；频率低，在本段以外发育；②顶底界面反③顶发育段底界面以外的反射波组穿过本段顶底界面进入本段后，能量突然消散。①不可见；直达波速变低、②顶底界面反射波组向外的一支能波组向下弯曲，能量很弱或软弱量强、频率低，向内的一支能量弱、频率低、速岩层度低；③顶底界面以外的反射波组穿过本段顶底界面进入本段后，能量突然变低，频率低，速度变低。溶蚀①裂隙发育②直达波速稍低、射密集分布；顶底界面反射波组能量低、波组向下弯曲，③顶底界面以外的反射波组穿频率较高、能量变弱；、反过本段顶底界面进入本段后，能量突然变低。节理①在层内可见，直达波速高、能量强、能量较强；速度高，②顶底界面反射组并可能有多次裂隙发育反射；③段内存在多组“八”字形的层内反射，层内反射能量低、频率高。完整①层内能量强，直达波速高、速度高，能量强；并有多次反射，②顶底界面反射组在基岩顶底界面反射无能量消散现象；③段内无反射界面。2

管波探测法的应用实例

2.1

广州北站综合交通枢纽开发建设项目项目概况

（二期）安置区地块二位于广州市花都区广州北站南侧。项目主要包括5栋31层住宅楼。塔楼部分共布置261根灌注桩，均采用一桩一管波的方法进行施工勘察以确定桩基持力层位置。本项目共完成塔楼全部钻孔共261个，2.2其中揭露溶洞钻孔139个，见溶率53%。本文分别以管波揭露溶洞大小的精确尺度分析

0.5m和1m间距对管波揭露的溶洞大小进行了统计，统计结果如表2所示。从统计结果分析可知，当以0.5m为间距统计溶洞分布时，管波解译的0.5m以下的溶洞仅占全部溶洞数量的0.465%，同时在1.5~2.0m这个区间段管波解译的溶洞占全部

21

2020年1月第27卷第1期广东土木与建筑JAN2020Vol.27No.1溶洞数量的比例也较小，仅为6.511%。而以1m为间准确性低于钻孔揭露溶洞的准确性，管波对于溶洞大距统计溶洞分布时，管波解译溶洞大小的分布较均小和顶底板位置的解译精确尺度与实际情况偏差较匀。分析可知管波在小溶洞（小于0.5m尺度）解译方表2不同尺度溶洞大小统计结果面的精度有待提高；同时说明管波能够解译的溶洞精Tab.2StatisticalResultsofCaveSizeatDifferentScales确尺寸目前来看在0.5~1.5m范围内。

溶洞大小H≤0.50.5＜H≤11＜H≤1.51.5＜H≤2H＞22.3施工验证管波解译溶洞的精确尺度

个数181611458本文选用5⁃1、5⁃9、5-38三个钻孔揭露溶洞位置和占比/%0.46537.67428.3726.51126.977管波解译溶洞位置有差异的典型钻孔，在桩基施工过占比/%38.13934.88326.977程中来进行验证管波解译溶洞的精确尺度。3个钻孔柱状图与对应桩位施工记录如图3所示。

对于图3a的5⁃1柱状图，钻探揭露溶洞顶板标高-7.61m（本文所用标高均为广州城建高程系统）、底板标高-8.71m，层厚1.1m；管波解译同一位置溶洞顶板标高-5.81m、底板标高-8.21m，层厚2.4m；实际施工中冲击施工记录溶洞顶板标高-7.94m、底板标高-9.04m，层厚1.1m（见表3）。通过对比分析，钻探结果

⒜钻孔5-1

更接近实际施工情况，尤其对于溶洞底板底标高的揭露管波和实际施工结果误差0.83m。

对于图3b的5⁃9柱状图，钻探揭露溶洞顶板标高-7.91m、底板标高-9.61m，层厚1.7m；管波解译同一位置溶洞顶板标高-7.61m、底板标高-9.11m，层厚1.5m；实际施工中冲击施工记录溶洞顶板标高-8.17m、底板标高-9.62m，层厚1.45m（见表3）。通过对比分析，钻探结果更接近实际施工情况，尤其对于溶洞底

⒝钻孔5-9

板底标高的揭露管波和实际施工结果误差0.51m。

对于图3c的5⁃38柱状图，钻探揭露溶洞顶板标高-7.86m、底板标高-9.36m，层厚1.5m；管波解译同一位置溶洞顶板标高-8.36m、底板标高-10.76m，层厚2.4m；实际施工中冲击施工记录溶洞顶板标高-8.09m、底板标高-9.79m，层厚1.7m（见表3）。

通过对比分析，钻探结果更接近实际施工情况，尤其对于溶洞底板底标高的揭露管波和实际施工结果误差0.97m。⒞钻孔5-38

以上施工结果充分验证了，图3钻探、管波探测成果与桩位施工记录管波运用过程中对溶洞解译的Fig.3Drilling，PipeWaveDetectionResultsandPilePositionConstructionRecord22

2020年1月第27卷第1期赵德振：岩溶地区管波解译溶洞精确尺度的探讨JAN2020Vol.27No.1大。这说明管波的使用尚不能完全替代传统的钻探手段，同时由于管波解译精确尺度偏大，对于管波的大面积推广使用有一定影响。

表3同一位置溶洞对比结果

Tab.3ComparisonResultsofKarstCaves

intheSameLocation

钻孔同一位置溶洞顶板溶洞底板层厚溶洞标高/m标高/m钻探5-1管波-7.611.1/m施工记录-5.81-8.71-8.212.4钻探-7.94-9.041.15-9管波-7.91-9.611.7施工记录-7.61钻探-8.17-9.115-38管波-7.86-9.62-9.361.451.51.5施工记录-8.36-8.09-10.76-9.792.42.4

1.72等不良地质现象，m范围内是否存在溶洞、⑴管波应用过程的几点认识

在实际工程应用中，虽然管波能够探测钻孔旁但是管波不能解译溶洞、土洞、溶蚀裂隙、土洞、软弱夹层溶蚀裂隙、洞进行注浆处理后，⑵软弱夹层等不良地质现象在水平方向上的位置。

溶洞地区桩基础施工，再施工灌注桩。当钻孔未揭露溶需要对钻探发现的溶洞，但管波解译钻孔旁存在溶洞时，仍然需要在桩位范围内补充钻探，与直接一桩多孔的施工方法相比，造成了工期的增加。

桩实际桩底持力层偏深，⑶由于管波解译溶洞精确尺寸偏大，增加了嵌岩桩桩长，造成嵌岩造成施工成本增加。

3结论与建议

积使用仍存在一定的不确定性。建议在初步勘察和⑴管波作为一种新技术，在施工勘察阶段大面详细勘察阶段，管波可作为判断溶洞发育情况的辅助

手段进行使用。

合《建筑基桩检测技术规范：⑵从施工工序和桩基施工质量检测的角度，JGJ106-2014》有关规定，结桩径小于1.2m的桩的钻孔数量可为1~2个孔，桩径为1.61.2~1.6m的桩的钻孔数量宜为m的桩的钻孔数量宜为3个孔2个孔，桩径大于［11］，建议施工勘察阶段采用一桩多孔的形式与检测抽芯所要求钻孔数量一致。

议增加对管波现场应用与钻探结果的对比性试验。

⑶目前对管波解译的现场验证研究仍较少，建参

考

文

献

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