中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308

相較于傳統(tǒng)孔中物探方法（如跨孔CT法、孔中地質(zhì)雷達(dá)法等），管波探測(cè)法具有可靠性高、分辨能力強(qiáng)、易于解釋、設(shè)備輕便等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于灰?guī)r地區(qū)嵌巖樁基礎(chǔ)的巖溶探測(cè)[1]和基樁完整性檢測(cè)[2-3]，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)物探方法的不足，已經(jīng)被列入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市工程地球物理探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 7—2017）。管波探測(cè)法由廣東省地質(zhì)物探工程勘察院饒其榮、李學(xué)文于2003年提出，同年申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利[4]。管波探測(cè)法具有良好的應(yīng)用效果和前景，但是其應(yīng)用仍然存在一定局限性。文章結(jié)合管波探測(cè)實(shí)際工程案例，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行探討。

1 管波探測(cè)法概述

在液體填充的孔內(nèi)及孔壁上，廣義的瑞利波沿孔的軸向傳播，稱作管波[5]。常見(jiàn)的管波有斯通利波和準(zhǔn)瑞利波兩種類型，和其他類型的波動(dòng)一樣，管波在孔中傳播過(guò)程中，除了在孔徑變化、孔底和孔液表面處產(chǎn)生反射，在管波有效探測(cè)范圍內(nèi)的任何波阻抗變化界面會(huì)也發(fā)生發(fā)射。管波探測(cè)法就是通過(guò)分析反射管波的波幅特征，探測(cè)波阻抗差異界面，通過(guò)對(duì)界面的解釋，推斷孔旁溶洞或軟弱夾層的發(fā)育情況。管波探測(cè)法的有效探測(cè)半徑為1.0～2.0m，可分辨大于0.3m的孔旁洞穴，對(duì)洞穴的垂向定位誤差小于0.3m，具有非常高的探測(cè)精度。

管波探測(cè)法的探測(cè)裝置如圖1所示。將發(fā)射儀的發(fā)射換能器和記錄儀的接收換能器按固定間隔放入測(cè)試鉆孔中，在某一深度位置，發(fā)射儀發(fā)射同一主頻的脈沖信號(hào)，發(fā)射換能器產(chǎn)生的震動(dòng)與孔液作用，在孔液和孔壁上產(chǎn)生管波，記錄儀同步記錄接收換能器輸出的振動(dòng)信號(hào)。然后改變探測(cè)深度，這樣即可得到按深度排列的時(shí)間剖面。通過(guò)對(duì)時(shí)間剖面的分析，判別溶洞、溶蝕裂隙和軟弱夾層的存在及其頂?shù)茁裆頪6]。管波探測(cè)法判斷異常依據(jù)主要表現(xiàn)為兩種：一種是在界面處具有明顯的管波反射，另一種是在不良缺陷處具有管波能量衰減[2]。

圖1 管波探測(cè)法工作裝置示意圖

根據(jù)管波探測(cè)機(jī)理和以往工程實(shí)例，管波探測(cè)法主要用于灰?guī)r地區(qū)樁位巖溶探測(cè)、基樁完整性檢測(cè)和地質(zhì)勘察等三個(gè)領(lǐng)域。由于該方法探測(cè)半徑范圍較小，因此在實(shí)際工程中前兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。

（1）樁位巖溶探測(cè)。在對(duì)嵌巖樁進(jìn)行基樁勘察時(shí)，一般采用一樁一孔的鉆探方式，對(duì)于大直徑嵌巖樁，這樣一般會(huì)遺漏孔旁的巖溶，產(chǎn)生基樁半邊嵌巖的現(xiàn)象。根據(jù)管波探測(cè)法在樁位中心鉆孔進(jìn)行探測(cè)，即可查明樁徑范圍內(nèi)是否存在巖溶和軟弱夾層，確定持力層的完整情況，在指導(dǎo)基樁設(shè)計(jì)和施工方面具有良好的應(yīng)用效果，探測(cè)結(jié)果可以為設(shè)計(jì)確定樁端位置提供可靠的指導(dǎo)依據(jù)[5]。

（2）基樁完整性檢測(cè)。近年來(lái)，管波探測(cè)法逐漸應(yīng)用于基樁完整性檢測(cè)。在進(jìn)行樁身缺陷檢測(cè)時(shí)，當(dāng)樁的聲測(cè)和動(dòng)測(cè)與鉆芯法檢驗(yàn)出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)，可利用管波探測(cè)法進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)，對(duì)評(píng)價(jià)樁身完整性提供可靠的依據(jù)。而且管波探測(cè)法具有快速、全面、準(zhǔn)確和探測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

廣西灰?guī)r地區(qū)某個(gè)在建火車站共完成25個(gè)樁位鉆孔的管波探測(cè)工作，外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的TTS3型一體化管波探測(cè)儀，運(yùn)用自激自收觀測(cè)系統(tǒng)，收發(fā)探頭間距為0.6m，測(cè)點(diǎn)間距為0.1m，測(cè)試方向從下至上進(jìn)行。下面以19-BZ-35-2號(hào)和19-BZ-35-4號(hào)鉆孔為例，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行討論。

19-BZ-35-2號(hào)鉆孔深度為25m，管波探測(cè)成果解釋如圖2所示，管波時(shí)間剖面顯示在地面以下11.2～12.7m深度管波能量變?nèi)酰茢啻嬖趲r溶發(fā)育區(qū)，與鉆孔揭露溶洞（地面以下11.4～12.5m）位置吻合，規(guī)模稍偏大。19-BZ-35-4號(hào)鉆孔深度為20m，鉆孔未揭露溶洞，管波探測(cè)成果解釋如圖3所示，管波時(shí)間剖面顯示在地面以下10.7～12.1m深度存在巖溶發(fā)育區(qū)，應(yīng)業(yè)主要求，在該鉆孔周圍均勻布設(shè)4個(gè)驗(yàn)證孔，驗(yàn)證孔距離該鉆孔中心均為0.6m，其中一個(gè)驗(yàn)證孔在10.5～12.4m深度揭露溶洞，其他3個(gè)驗(yàn)證孔巖芯完整，未揭露溶洞，說(shuō)明了管波探測(cè)的可靠性。

圖2 19-BZ-35-2號(hào)鉆孔管波探測(cè)成果解釋圖

圖3 19-BZ-35-4號(hào)鉆孔管波探測(cè)成果解釋圖

以上工程實(shí)例說(shuō)明管波探測(cè)具有較高的準(zhǔn)確率，但同時(shí)也暴露了其應(yīng)用的局限性。第一，19-BZ-35-4號(hào)鉆孔探測(cè)結(jié)果說(shuō)明，管波探測(cè)不能判別孔旁洞穴具體位于鉆孔哪個(gè)方向以及到鉆孔的準(zhǔn)確距離，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決方法，目前尚在進(jìn)行理論研究。第二，從圖2可以看出，管波在0～6.8m深度時(shí)能量衰減迅速，接收器接收到的信號(hào)非常弱，無(wú)法判斷巖溶異常，說(shuō)明無(wú)孔液段管波法探測(cè)效果較差。根據(jù)管波探測(cè)法的基本原理可知，管波的激發(fā)和傳播依賴于液體介質(zhì)，因此發(fā)射器和接收器必須在有液體的鉆孔內(nèi)進(jìn)行，并且液體應(yīng)和圍巖直接接觸，中間不能有空隙。在工區(qū)地下水位較低的地質(zhì)條件下，如果鉆孔附近溶蝕破碎比較發(fā)育，孔中無(wú)法充滿液體時(shí)，管波探測(cè)的使用就變得沒(méi)有意義。例如，湖北恩施青云崖空鐵勘察項(xiàng)目工區(qū)位于巖溶比較發(fā)育的灰?guī)r地區(qū)，工作方案將管波探測(cè)法作為基樁巖溶探測(cè)和持力層評(píng)價(jià)的一個(gè)重要勘察手段，但在實(shí)際工作中鉆探未見(jiàn)水位線，且大部分鉆孔周圍巖體溶蝕破碎發(fā)育，孔中無(wú)法充填液體，整孔深度時(shí)間剖面和圖2中0～6.8m段類似，導(dǎo)致管波探測(cè)法在該工區(qū)中應(yīng)用受限。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)以上討論可知，管波探測(cè)法在實(shí)際工程中具有良好的應(yīng)用效果和前景。由孔旁巖溶、軟弱夾層及裂隙帶引起的管波異常易于識(shí)別，異常的地質(zhì)解釋具有唯一性，勘察成果可靠性高。

（2）由于管波探測(cè)法原理的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中有兩點(diǎn)值得重視和借鑒：一是其探測(cè)半徑有限，且探測(cè)到的孔旁巖溶異常不具有方向性；二是其探測(cè)效果受場(chǎng)地地質(zhì)條件影響較大，地下水位以下探測(cè)效果較好，地下水位以上探測(cè)效果變差。