管波探测法工程应用典型实例

国家发明专利、自主知识产权广东省建设行业科技成果推广项目管波探测法工程应用典型实例2010年4月管波探测法及其应用实例饶其荣[1]李学文[1]（1、广东省地质物探工程勘察院，广州，510800）[摘要]本文对管波探测法的主要用途、基本原理、异常特征及其解释进行了介绍，通过多年的实践论证了其在探测岩溶方面的作用。并重点阐述了，管波探测法在桩位岩溶探测方面具有其他勘察方法无法比拟的优势。文中还举例论述了管波探测法在滑坡勘察中的应用情况。[关键词]管波探测法，桩位，岩溶探测，持力层，完整性，滑动面管波探测法是一种孔中物探方法，由饶其荣、李学文在长期从事岩溶勘察的工作实践中发明，于2003年申请、2006年获得国家发明专利（专利号：ZL200310112325.0）[1]，2007年被广东省建设厅列入“广东省建设行业科技成果推广项目”。2004年，广东省地质勘查局地质科学研究基金资助了“管波探测法应用研究”项目，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[2]。“管波探测法应用研究”项目，获2006年度广东省地质勘查局地质科技成果一等奖，2006年度广东省科技成果二等奖。1、管波探测法简介1.1主要用途1）管波探测法主要用于岩溶探测（包括溶洞探测、裂隙探测、软弱层探测等）。特别适用于大口径嵌岩桩桩位的岩溶探测。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现象。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。根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）的要求，在岩溶发育地区，当采用大直径嵌岩桩时，应进行专门的桩基岩溶勘察，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，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。图1管波探测法的测试装置管波探测法有效探测半径约1.0米，可分辨大于0.3米的孔旁溶洞，对溶洞的定位误差小于0.3米，具有非常高的垂向探测精度[2]。管波探测法是通过在桩位中心的一个勘察钻孔中进行探测，即可快速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，评价嵌岩桩持力层的完整性，为桩基设计提供直接依据，并可指导基桩施工。2）管波探测法还应用于滑坡体的滑动面探测。基岩（特别是强风化基岩）中的滑动面，钻探是很难判别的，管波探测法可直观地识别基岩中的滑动面。1.2基本原理及测试装置管波探测法的基本原理是：在钻孔中利用“管波”作为探测物理场，探测孔周围一定范围内的溶洞、溶蚀、裂隙、软弱夹层等不良地质体的孔中物探方法。管波探测法的测试装置如图1所示，是一种一发一收、固定收发距的单孔测试装置。1.3异常特征及其地质解释管波探测法异常主要表现为二种：一种是在界面处的管波反射，另一种是在不良地质体处的管波能量变化。如图2所示。图2管波探测法的异常特征及其地质解释图3管波岩溶探测成果图图4广清高速流溪河大桥桥墩下陷钻孔中可能产生管波反射的界面主要有：基岩面、溶洞顶和底面、裂隙、孔底、水面等。引起管波能量变弱的不良地质体主要有：溶洞、溶蚀、软弱岩层、土层等。管波探测法的地质解释分为完整基岩段、裂隙发育段、溶蚀发育段、岩溶发育段、软弱岩层和土层等6种情况。完整基岩段的特征是：管波无能量衰减，界面反射在段内明显甚至有多次反射；岩溶发育段的特征是：管波能量严重衰减，界面反射在段内消失了；裂隙发育段、溶蚀发育段的特征是：段内界面反射多，溶蚀发育段伴随有能量衰减现象；如图2所示。软弱岩层和土层的特征是：管波速度变低和有能量衰减。图3是一个钻孔的管波岩溶探测成果图，“岩溶发育段”用“带牙三角形”表示。段内钻探有揭示的，顶角在解释柱状图最左边开始向右划，无揭示的，顶角在解释柱状图中间开始向右划。2、在桩基岩溶勘察上的应用2.1灰岩地区桩基持力层的岩溶问题目前，在岩溶发育地区，大直径嵌岩的桩基岩溶勘察，一般采用“一桩一孔钻探”的方式进行。近年来，在桩基施工时，经常出现掉锤，在桩基抽芯检测时，发现持力层存在溶洞等图5管波岩溶探测的作用安全隐患，如广州地铁二号线北延段、五号线高架段、云（浮）梧（州）高速公路高锋大庆桥、大连保税区疏港高速公路、花都天马丽苑一期等工程的大直径嵌岩桩，在抽芯检测时，在基桩持力层发现了溶洞，又如，阳（江）阳（春）高速公路在桩基施工时，发生两次掉锤事故。而上述这些工程项目都已进行了“一桩一孔钻探”的桩基岩溶勘察。实践表明，在岩溶发育地区，采用“一桩一孔钻探”的桩基岩溶勘察，难以探明桩位范围内的岩溶发育情况，依然会存在桩基半边嵌岩、持力层中存在溶洞的隐患，如果这些隐患不被及早发现并处理，则在日后的施工或使用中，存在建（构）筑物下沉甚至倒塌的风险。如广清高速流溪河大桥墩下陷（见图4）。管波岩溶探测的主要作用在于扩展勘探半径范围。把“一桩一孔钻探”进行桩基岩溶勘察，只能观察到约Φ76~110mm孔径范围的岩溶，经管波探测后，可探测到约Φ2000mm的直径范围的岩溶，如图5所示。2.2应用实例管波探测法的实测应用从2003年开始，至今已经历了7年的时间，表1是已完成的主要岩溶探测项目一览表（未完全包括授权给外单位探测的项目），有二十个单位委托探测，项目三十六个，共计完成了7682个桩位，涉及的行业主要有公路、铁路和房地产。表1已完成的主要管波探测法岩溶探测项目一览表序号工程名称委托单位完成工作量（桩位）1广清高速公路与环城高速公路连接线工程广东省公路勘察规划设计院512佛山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1883佛山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964佛山市和顺至北滘公路主干线工程DS13、DS15、DS16、DS17标段广东省佛山市路桥工程总公司4805佛山市三水二桥广东省公路勘察规划设计院306佛山市南海区江厦立交至东西二线段加宽改造工程雅瑶桥、大冲桥工程佛山市南海区道路建设管理处2807佛山市和顺棠溪至料美公路主干线勘察第HLK-01～03合同段工程佛山市南海区道路建设管理处2508广州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广州市地下铁道总公司1889广州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广州市地下铁道总公司25110佛山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广东省公路勘察规划设计院8211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广东云梧高速公路河口至双凤段第4合同段施工阶段广东云梧高速公路筹建处29714广东云梧高速公路河口至双凤段第5合同段施工阶段广东云梧高速公路筹建处5015广东云梧高速公路双凤至平台段灰岩区施工阶段广东云梧高速公路筹建处37316佛山中海金沙湾高层住宅小区中海地产发展有限公司62417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1520广州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（补勘）广州市地下铁道总公司35021佛山市高明区人和至西安河村段公路工程广东省公路勘察规划设计院2322花都天马丽苑高层（32层）住宅区广州市天马河房地产有限公司196323阳春市春天花园高层（28层）住宅区阳春市建筑工程公司5624广东韶赣高速公路广东韶赣高速公路筹建处5025花都锦东花园二期骏威房地产有限公司25026珠三角洲经济区外环公路江门至肇庆段广东省高速公路有限公司26127阳山县文塔桥阳山县交通局2028广清高速扩建工程流溪河大桥广东省公路勘察规划设计院8229阳江至罗定高速公路阳江至阳春段广东省高速公路有限公司18530云浮岑溪高速公路双凤至榃滨(粤境段)广东省公路勘察规划设计院7831地铁六号线沙背站广州市地下铁道总公司2632新广从公路快速化改选黄石东至北二环段广州市市政设计院7633新建南京至安庆城建铁路（铜池段）补充定测岩溶区墩台及桩位岩溶勘察铁道第三勘察设计院集团有限公司11034英德北江三桥广东省公路勘察规划设计院7635新建沪昆客运专线（长昆段）定测岩溶区墩台及桩位岩溶勘察铁道第三勘察设计院集团有限公司24636高明步洲大桥广东省公路勘察规划设计院25根据对广州地铁五号线滘口～大坦沙高架桥工程管波岩溶探测的统计，管波探测发现的溶洞比钻探揭露的溶洞增加了32.18%，新发现的溶洞高度0.5~3.7m，平均洞高1.43m；管波探测发现的溶洞比钻探揭露的溶洞增大的有58.97%，增加洞高0.5~5.6m，平均增加洞高1.77m；经管波探测后发现持力层厚度未达到规范（或设计）要求的桩位占14.58%。根据对广梧高速公路河口至平台段工程第4合同段管波岩溶探测的统计[3]，管波探测发现有岩溶而未被钻探揭露的钻孔有74个桩位，占已探测桩位的27.6％；最小洞高为0.2m，最大洞高为3.8m，平均洞高为1.8m。在65个已被钻探揭露的岩溶中，管波探测到的岩溶范围增大的有6O个，占92.3％；最小增加洞高为0.1m，最大增加洞高为5.2m，平均增加洞高为0.97m。原有268个钻孔，根据钻孔资料，已经满足桩基持力层设计要求，经管波探测后，持力层厚度未满足设计图6管波探测到的桩底岩溶图7管波探测到岩溶比钻探揭露的大一倍要求，需加深的桩位有11个，占4.1％，共加深63.76m，平均每孔加深5.80m。从这些数据来看，管波岩溶探测的作用是显然的。上表所列工程项目中，除今年完成的几个项目（序号27~32）还在进行桩基施工外，其他的项目已竣工使用或已经过抽芯检测，根据收集到的施工单位冲桩或挖桩记录，从冲桩的快慢、漏浆、偏锤，挖桩观察到的岩溶等记录分析，施工记录的情况与管波探测结果吻合。从抽芯检测结果和业主反馈的信息来看，有3个项目各有一支桩的持力层发现有一个溶洞（由管波测试孔位偏离了桩位引起），按抽芯检测桩数为10%计，持力层有问题的桩只占抽芯检测桩的0.43%。从而可知，管波岩溶探测的应用效果是显著的。图6是业主（广东云梧高速公路筹建处）委托我们进行管波岩溶探测前，在云梧高速公路工程的一个基桩抽芯检测孔中进行管波岩溶探测的成果，管波探测反映的岩溶比抽芯检测到的溶洞要大（桩底下就是岩溶）。成果提交给业主以后，业主当即决定，云梧高速公路工程所有灰岩地区的桥梁桩位都要进行管波岩溶探测。现在，工程的桩基部分已全部经过验收，在进行抽芯检测时，再没发现有持力层存在溶洞的情况。从图7可看到，管波探测到的岩溶比钻探揭示的溶洞顶面浅且洞高大了1倍，在这种情况下，进行冲桩施工时，很可能发生掉锤故事。从图8、图9可知，如果按钻探成果设计桩端高程，持力层就会存在足以影响桩基安全的溶洞。如果在桩基检测时不被发现，就会埋下安全隐患，在使用过程中可能发生桩墩下陷事故。2.3管波探测法的优势作为一种物探方法，管波探测法与其他物探方法比较，具有成果快速、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、探测岩溶分辨能力强、垂向探测精度高、仪器设备投资少、不受工作场地限制等特点和优势。作为一种大直径嵌岩桩的桩基岩溶勘察的方法，“一桩一孔钻探＋管波岩溶探测”与“一桩一孔钻探”、“一桩多孔钻探”、“一桩一孔钻探＋其他孔中物探”等方法比较，前者更加全面、安全、可靠，可避免发生安全和质量责任事故的风险，并最终可达到缩短建设工期、节省建设投资的经济目的。2.4开展管波岩溶探测的意义在岩溶发育的灰岩地区，进行大直径嵌岩桩的桩基岩溶勘察时，有必要在“一桩一孔钻探”的基础上，增加管波岩溶探测工作。“一桩一孔钻探＋管波岩溶探测”的桩基岩溶勘察方法，更加符合《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）的要求。1）对于勘察工作而言，在进行钻探工作时，有可能会有人为的因素，造成漏记甚至隐瞒溶洞的情况发生，如果进行了管波岩溶探测，