朱振華 鄧勁松 易萍華

在巖溶地區(qū)進行工程項目建設(shè),常采用嵌巖樁的基礎(chǔ)形式。由于基巖中巖溶發(fā)育,存在溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)體。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》要求,在施工勘察階段,當采用大直徑嵌巖樁時,應(yīng)對樁位進行專門的樁基勘察,勘察點應(yīng)逐樁布置,勘探的深度應(yīng)不小于樁底面以下樁徑的3倍并不小于5 m。但一樁一孔的鉆探往往會遺漏孔旁的溶洞,難以完全查明整個樁位范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況,巖溶勘察新方法——管波探測法能探測到直徑2 m～2.5 m范圍內(nèi)溶洞、軟弱夾層及溶蝕裂隙帶的發(fā)育分布情況,能有效彌補一樁一孔的不足(見圖1)。

1 管波探測法

1.1 管波探測原理

當相互接觸的兩種介質(zhì)一種是流體另一種是固體時,流體的振動會在兩種介質(zhì)的分界面附近產(chǎn)生沿界面?zhèn)鞑サ慕缑娌?稱作廣義的瑞利波。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。管波探測利用樁位中心的一個鉆孔,通過在孔液中振動產(chǎn)生管波,管波在孔液和孔壁以外一定范圍內(nèi)沿鉆孔軸向傳播,除在孔徑變化、孔底和孔液表面處產(chǎn)生反射外,在管波有效探測范圍內(nèi)的任何波阻抗變化都會產(chǎn)生反射。在鉆孔周圍的圓柱狀空間,這種波阻抗的變化必定是由于鉆孔旁側(cè)的巖性差異及土洞、溶洞、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的存在造成的。因而可通過分析反射管波來確定鉆孔旁側(cè)是否存在巖性差異及不良地質(zhì)體。

1.2 管波探測裝置

根據(jù)管波的傳播特性及孔中的測試環(huán)境,管波探測法的探測裝置如圖2所示。圖2中發(fā)射儀器產(chǎn)生的發(fā)射脈沖信號通過發(fā)射換能器S轉(zhuǎn)換成振動脈沖,在孔壁周圍產(chǎn)生管波,管波沿鉆孔軸向向上及向下傳播,接收換能器R首先接收到直達管波。沿鉆孔軸向傳播的管波在波阻抗差異界面(孔徑變化處、液面處、孔底、孔壁波阻抗差異界面)處發(fā)生反射和透射,反射管波由接收換能器R接收。

1.3 管波探測流程

實際工程中,常常出現(xiàn)鉆孔揭露的完整基巖段厚度已經(jīng)滿足規(guī)范要求,管波探測法發(fā)現(xiàn)其“完整基巖段”中是否存在溶洞、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的情況。為了保證樁位持力層的完整性,通常采用管波探測與鉆探互動的探測流程,見圖3。

1.4 管波探測的工程地質(zhì)解釋

1)界面反射能量強、頻率低,且上下反射界面之間的能量存在消散現(xiàn)象,這是洞穴、溶洞的反映。2)當溶洞與探測孔之間存在水力聯(lián)系或軟弱夾層的剪切波速度比孔液壓縮波速度小時,在管波時間剖面中表現(xiàn)為管波能量消散,即無直達管波,同時該處的反射管波能量低、頻率高,這是溶蝕裂隙的反映。3)傾斜的反射波組即為不良地質(zhì)體邊界處的反射管波,不良地質(zhì)體的頂、底界面深度為反射管波同相軸時距曲線與零時間的交點對應(yīng)的深度。4)直達波組不存在向下彎曲變化,直達波以后,無明顯的傾斜的直線形反射波組,且不存在管波能量消散現(xiàn)象,這種特征可作為判定孔旁基巖完整的判別依據(jù)。

2 管波探測法的應(yīng)用實例

2.1 工程概況

南京—安慶新建鐵路(鐵三院設(shè)計段),位于長江南岸,大致走向NE—SW。正線線路全長60.35 km,銅九改線段長5.015 km,池州疏解線長3.731 km,線路總長68.827 km。全段橋梁特大橋12座、大橋8座、中橋6座、公路橋6座,總長度為32.47 km,橋梁長度約占全線總長的47.2%;隧道 5座,總長度1.44 km;可溶巖分布線路總長34.0 km。巖溶橋總長24.224 km,其中巖溶中等發(fā)育～強烈發(fā)育橋總長17.592 km,巖溶不發(fā)育～弱發(fā)育橋總長6.632 km;溶巖發(fā)育地段軟土、松軟及膨脹土路基5段長約9.6 km,溶巖發(fā)育路塹2處。

2.2 應(yīng)用

寧安城際鐵路沿線(鐵三院設(shè)計段)在巖溶發(fā)育強烈橋段,實行逐樁勘探與管波探測相結(jié)合的方式;巖溶不發(fā)育～弱發(fā)育橋段,在一樁一孔基礎(chǔ)上,再進行管波探測。巖溶發(fā)育強烈橋段,共192個樁位進行了管波探測,在153個已被鉆探揭露的溶洞中,管波探測到的溶洞范圍增大的有46個,占30.1%,最大增高溶洞為6.9 m;巖溶不發(fā)育～弱發(fā)育橋段,共98個樁位進行了管波探測,有溶洞而未被鉆探揭露的有34個樁位,占已探測樁位的34.7%。

以09-BZD-1224號鉆孔為例,鉆孔勘察資料顯示,-15.23 m高程以下即可作為樁端持力層。而管波解釋結(jié)果表明,-19.43 m高程以上仍為巖溶發(fā)育段,只是未被鉆孔揭露。根據(jù)管波探測資料,該孔-19.43 m高程以下方可作為樁端持力層。

2.3 驗證

為了驗證管波探測成果,現(xiàn)場對09-BZD-1087,09-BZD-3218,09-BZD-3276 3個樁位的管波探測成果進行了鉆探驗證。驗證時,在每個樁的樁周各布4個孔進行鉆探取芯,驗證孔距樁中心約1.0 m～1.5 m。鉆探孔的驗證情況如下:

1)在管波法解釋的“完整基巖段”內(nèi),驗證鉆探均揭露為弱風化巖石,未發(fā)現(xiàn)溶洞。

2)在管波法解釋的“巖溶發(fā)育段”內(nèi),雖然在先前的探測孔中未揭露到溶洞,但在后來鉆探驗證樁位的4個驗證孔中,至少有1個驗證孔在相應(yīng)深度位置揭露到溶洞。

3)管波法解釋的“溶蝕裂隙發(fā)育段”內(nèi),在各自的4個驗證孔中,至少有1個驗證孔在相應(yīng)深度位置揭露有溶蝕現(xiàn)象。而在管波法解釋的“節(jié)理裂隙發(fā)育段”內(nèi),在各自的4個驗證孔中,至少有1個驗證孔在相應(yīng)深度位置的巖芯較破碎。

4)管波法解釋的“軟弱夾層”一般為夾層狀分布。

3 結(jié)語

從管波探測法在寧安城際鐵路中的應(yīng)用和驗證情況,我們可以發(fā)現(xiàn):1)管波探測法可探明鉆孔旁側(cè)的巖溶、溶蝕裂隙,其探測范圍遠大于鉆探口徑,彌補了鉆探“一孔之見”的不足,適用于可溶巖分布區(qū)嵌巖樁樁位的勘察。2)應(yīng)用管波探測法探測過的樁位,基樁在抽芯檢驗時從未發(fā)現(xiàn)樁底溶洞和半邊嵌巖情況。

[1]李學(xué)文,郭金根,饒其榮.樁位巖溶探測新技術(shù)——管波探測法[J].工程地球物理學(xué)報,2006(2):34-36.

[2]李劍波.管波探測計算方法[J].廣東科技,2007(170):27-29.

[3]張玉池.管波探測方法及其應(yīng)用[J].礦產(chǎn)與地質(zhì),2006(6):79-81.