趙德振

（廣州市設(shè)計(jì)院廣州510620）

0 引言

隨著工程技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的工程項(xiàng)目在巖溶地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，且經(jīng)常采用端承樁的基礎(chǔ)形式。由于巖溶地區(qū)通常有溶洞、土洞溶蝕裂隙、地下河等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，給工程施工的安全性帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)場施工中如何準(zhǔn)確的判斷溶洞的大小、位置對于樁基施工質(zhì)量和建筑物安全性至關(guān)重要。依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范：GB50021-2001（2019 版）》的要求，對于巖溶地區(qū)施工勘察階段大直徑嵌巖樁勘探點(diǎn)應(yīng)逐樁布置，勘探深度應(yīng)不小于底面以下樁徑的3 倍并不小于5 m［1］。結(jié)合以往建設(shè)的工程案例，樁基勘察一樁一孔的鉆探方式往往不能完全揭露整個(gè)樁位范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，同時(shí)一樁多孔的勘察方式成本較高［2-4］?，F(xiàn)階段管波探測與鉆孔相結(jié)合的方法在巖溶勘察、樁身完整性檢測應(yīng)用中得到重視［5-9］，該方法可以解譯鉆孔直徑2 m 范圍內(nèi)溶洞、土洞、溶蝕裂隙發(fā)育情況等，即一樁一孔一管波。雖然管波的使用在一定程度上提高了溶洞的揭示效果，但此技術(shù)尚未完全成熟。本文根據(jù)廣州北站綜合交通樞紐開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目（二期）安置區(qū)地塊二使用管波探測的實(shí)際情況，對管波實(shí)際應(yīng)用過程中所能解譯的溶洞精確尺度進(jìn)行了分析。

1 管波探測法

1.1 管波的基本原理

管波是一種在鉆孔及其附近沿鉆孔軸向傳播的特殊彈性波。管波設(shè)備激發(fā)的大部分能量集中在以鉆孔為中心、半徑為半波長的圓柱形范圍內(nèi)，管波傳播過程能量衰減慢、頻率變化小［10］。

根據(jù)Bio（t1952）和Write（1956）對管波做過的研究與試驗(yàn)，給出了零頻率時(shí)管波的波速Vt為：

式中：Vf為鉆孔中流體（井液）的縱波波速；ρf為鉆孔中流體（井液）的密度；Vs為鉆孔周圍固體介質(zhì)（巖土層）的橫波波速；ρ為鉆孔周圍固體介質(zhì)（巖土層）的密度。

1.2 管波探測裝置

現(xiàn)有管波探測法設(shè)備激發(fā)的管波，其中心頻率約700 Hz，實(shí)測的管波波速與式⑴計(jì)算結(jié)果一致。如鉆孔內(nèi)孔液為清水、周圍為中微風(fēng)化硬巖、完整混凝土等高速固體介質(zhì)時(shí)，測得的管波波速約為1 400 m/s；如鉆孔內(nèi)孔液為清水、周圍固體介質(zhì)為黏土層時(shí)，測得的管波波速約為250 m/s，與黏土層的橫波波速相當(dāng)。

管波探測法實(shí)測資料證明，管波的能量與鉆孔周圍介質(zhì)的橫波波速呈正相關(guān)性，鉆孔介質(zhì)橫波波速高則管波的能量強(qiáng)，鉆孔介質(zhì)橫波波速低則管波的能量弱。當(dāng)激發(fā)或接收探頭處于溶洞附近時(shí)，直達(dá)管波能量幾乎為零。當(dāng)激發(fā)或接收探頭處于軟弱巖層、土層中時(shí)，直達(dá)管波的能量、波速顯著降低。管波的能量由直達(dá)管波和反射管波的波幅確定。

在管波傳播范圍內(nèi)的波阻抗差異界面處，管波產(chǎn)生反射。采用收發(fā)換能器距離恒定、測點(diǎn)間距恒定的自激自收觀測系統(tǒng)進(jìn)行測試，垂直時(shí)間剖面中所有的反射管波以傾斜波組形式呈現(xiàn)，具體如圖1［10］所示。

圖1 管波探測法觀測到的波組形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Wave Group Morphology Bbserved by Pipe Wave Detection Method

1.3 管波探測的流程

在實(shí)際應(yīng)用管波時(shí)，探測工作往往采用管波與鉆探相互配合的方式。首先在樁身位置進(jìn)行鉆孔鉆探直至其揭露的作為持力層的巖芯長度滿足設(shè)計(jì)要求停止鉆探，然后再利用管波探測鉆孔2 m 范圍內(nèi)否存在溶洞、土洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)現(xiàn)象。通過管波的判斷結(jié)果，決定是否加深鉆探深度直至滿足設(shè)計(jì)要求，如圖2所示。

圖2 管波探測流程圖Fig.2 Flow Chart of Pipe Wave Detection

1.4 資料處理與解釋方法

管波的時(shí)間剖面的處理較為簡單，一般進(jìn)行去零漂處理即可，切忌進(jìn)行振幅平衡處理。必要時(shí)可進(jìn)行頻率濾波，濾波通帶宜為300～2 000 Hz。時(shí)間剖面中各測點(diǎn)的測試曲線應(yīng)采用相同的顯示增益，宜采用偽彩色剖面顯示。同一鉆孔的多次測試時(shí)間剖面應(yīng)繪制在同一成果圖件中，并選擇適宜的測試結(jié)果拼接成最后的成果文件進(jìn)行解譯。管波資料的解譯過程一般分為兩步：

⑴ 第一步，確定分層界面。

⑵ 第二步，對分層進(jìn)行地質(zhì)解譯。管波的地質(zhì)解譯以滿足實(shí)際工程需要為前提，管波探測法按表1的地球物理特征對巖溶區(qū)孔旁巖土層進(jìn)行分類。

表1 管波探測法對孔旁巖土分層的地球物理特征Tab.1 Geophysical Characteristics of Rock and Soil Layers near the Borehole by Pipe Wave Detection

2 管波探測法的應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

廣州北站綜合交通樞紐開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目（二期）安置區(qū)地塊二位于廣州市花都區(qū)廣州北站南側(cè)。項(xiàng)目主要包括5棟31層住宅樓。塔樓部分共布置261根灌注樁，均采用一樁一管波的方法進(jìn)行施工勘察以確定樁基持力層位置。本項(xiàng)目共完成塔樓全部鉆孔共261個(gè)，其中揭露溶洞鉆孔139個(gè)，見溶率53%。

2.2 管波揭露溶洞大小的精確尺度分析

本文分別以0.5 m 和1 m 間距對管波揭露的溶洞大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知，當(dāng)以0.5 m 為間距統(tǒng)計(jì)溶洞分布時(shí)，管波解譯的0.5 m 以下的溶洞僅占全部溶洞數(shù)量的0.465%，同時(shí)在1.5～2.0 m 這個(gè)區(qū)間段管波解譯的溶洞占全部溶洞數(shù)量的比例也較小，僅為6.511%。而以1 m 為間距統(tǒng)計(jì)溶洞分布時(shí)，管波解譯溶洞大小的分布較均勻。分析可知管波在小溶洞（小于0.5 m 尺度）解譯方面的精度有待提高；同時(shí)說明管波能夠解譯的溶洞精確尺寸目前來看在0.5～1.5 m范圍內(nèi)。

2.3 施工驗(yàn)證管波解譯溶洞的精確尺度

本文選用5-1、5-9、5-38三個(gè)鉆孔揭露溶洞位置和管波解譯溶洞位置有差異的典型鉆孔，在樁基施工過程中來進(jìn)行驗(yàn)證管波解譯溶洞的精確尺度。3 個(gè)鉆孔柱狀圖與對應(yīng)樁位施工記錄如圖3所示。

對于圖 3a 的 5-1 柱狀圖，鉆探揭露溶洞頂板標(biāo)高-7.61 m（本文所用標(biāo)高均為廣州城建高程系統(tǒng)）、底板標(biāo)高-8.71 m，層厚1.1 m；管波解譯同一位置溶洞頂板標(biāo)高-5.81 m、底板標(biāo)高-8.21 m，層厚2.4 m；實(shí)際施工中沖擊施工記錄溶洞頂板標(biāo)高-7.94 m、底板標(biāo)高-9.04 m，層厚1.1 m（見表3）。通過對比分析，鉆探結(jié)果更接近實(shí)際施工情況，尤其對于溶洞底板底標(biāo)高的揭露管波和實(shí)際施工結(jié)果誤差0.83 m。

對于圖 3b 的 5-9 柱狀圖，鉆探揭露溶洞頂板標(biāo)高-7.91 m、底板標(biāo)高-9.61 m，層厚1.7 m；管波解譯同一位置溶洞頂板標(biāo)高-7.61 m、底板標(biāo)高-9.11 m，層厚1.5 m；實(shí)際施工中沖擊施工記錄溶洞頂板標(biāo)高-8.17 m、底板標(biāo)

高-9.62 m，層厚1.45 m（見表3）。通過對比分析，鉆探結(jié)果更接近實(shí)際施工情況，尤其對于溶洞底板底標(biāo)高的揭露管波和實(shí)際施工結(jié)果誤差0.51 m。

對于圖3c的5-38柱狀圖，鉆探揭露溶洞頂板標(biāo)高-7.86 m、底板標(biāo)高-9.36 m，層厚1.5 m；管波解譯同一位置溶洞頂板標(biāo)高-8.36 m、底板標(biāo)高-10.76 m，層厚2.4 m；實(shí)際施工中沖擊施工記錄溶洞頂板標(biāo)高-8.09 m、底板標(biāo)高-9.79 m，層厚1.7 m（見表3）。

通過對比分析，鉆探結(jié)果更接近實(shí)際施工情況，尤其對于溶洞底板底標(biāo)高的揭露管波和實(shí)際施工結(jié)果誤差0.97 m。

以上施工結(jié)果充分驗(yàn)證了，管波運(yùn)用過程中對溶洞解譯的準(zhǔn)確性低于鉆孔揭露溶洞的準(zhǔn)確性，管波對于溶洞大小和頂?shù)装逦恢玫慕庾g精確尺度與實(shí)際情況偏差較大。這說明管波的使用尚不能完全替代傳統(tǒng)的鉆探手段，同時(shí)由于管波解譯精確尺度偏大，對于管波的大面積推廣使用有一定影響。

表2 不同尺度溶洞大小統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical Results of Cave Size at Different Scales

圖3 鉆探、管波探測成果與樁位施工記錄Fig.3 Drilling，Pipe Wave Detection Results and Pile Position Construction Record

表3 同一位置溶洞對比結(jié)果Tab.3 Comparison Results of Karst Caves in the Same Location

2.4 管波應(yīng)用過程的幾點(diǎn)認(rèn)識

⑴ 在實(shí)際工程應(yīng)用中，雖然管波能夠探測鉆孔旁2 m 范圍內(nèi)是否存在溶洞、土洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)現(xiàn)象，但是管波不能解譯溶洞、土洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)現(xiàn)象在水平方向上的位置。

⑵ 溶洞地區(qū)樁基礎(chǔ)施工，需要對鉆探發(fā)現(xiàn)的溶洞進(jìn)行注漿處理后，再施工灌注樁。當(dāng)鉆孔未揭露溶洞，但管波解譯鉆孔旁存在溶洞時(shí)，仍然需要在樁位范圍內(nèi)補(bǔ)充鉆探，與直接一樁多孔的施工方法相比，造成了工期的增加。

⑶ 由于管波解譯溶洞精確尺寸偏大，造成嵌巖樁實(shí)際樁底持力層偏深，增加了嵌巖樁樁長，造成施工成本增加。

3 結(jié)論與建議

⑴ 管波作為一種新技術(shù)，在施工勘察階段大面積使用仍存在一定的不確定性。建議在初步勘察和詳細(xì)勘察階段，管波可作為判斷溶洞發(fā)育情況的輔助手段進(jìn)行使用。

⑵ 從施工工序和樁基施工質(zhì)量檢測的角度，結(jié)合《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范：JGJ 106-2014》有關(guān)規(guī)定，樁徑小于1.2 m 的樁的鉆孔數(shù)量可為1～2 個(gè)孔，樁徑為1.2～1.6 m 的樁的鉆孔數(shù)量宜為2 個(gè)孔，樁徑大于1.6 m的樁的鉆孔數(shù)量宜為3個(gè)孔［11］，建議施工勘察階段采用一樁多孔的形式與檢測抽芯所要求鉆孔數(shù)量一致。

⑶ 目前對管波解譯的現(xiàn)場驗(yàn)證研究仍較少，建議增加對管波現(xiàn)場應(yīng)用與鉆探結(jié)果的對比性試驗(yàn)。