摘要：我国溶岩地区分布范围极广,溶蚀裂隙普遍发育,这对工程建设中桩基础的安全危害极大。传统方法通过钻探来进行岩溶勘察,不仅工作量繁重、耗资巨大,且通常岩溶发育情况复杂、现场施工干扰极大,严重增加了岩溶勘察难度。针对诸多问题,采用地震CT与管波探测法综合勘察,结合钻孔资料,详细介绍了地震CT法及管波探测法在井间岩溶勘察的应用效果。
关键词：跨孔弹性波CT法；管波探测法；岩溶勘察；应用
1 概述
跨孔弹性波CT法在塔楼范围内布置，在沿建筑物周边和角点的控制性钻孔之间布置剖面，用于探明持力层、下卧层的完整性及岩溶洞穴、临空面、破碎岩体或软弱岩层的发育分布情况和连通性。要求精度优于跨孔间距的1/10。
管波探测法在塔楼范围内桩直径≧1000mm的超前钻孔中开展，用于查明桩身直径范围的持力层的完整性及岩溶洞穴、临空面、破碎岩体或软弱岩层的整体发育分布情况，要求精度不低于0.3m。
2 施工方法技术
2.1 跨孔弹性波CT法
本次工作使用跨孔式CT观测系统，即以一个钻孔为发射孔，另一个钻孔为接收孔，在发射孔按1.0m间距设置激发点，在接收孔按1.0m间距设置接收点，对于每一个激发点，在全部接收点进行接收，具体见图2-1。
2.2 管波探测法
现场试验确定，采用自激自收观测系统，发射电压为414～857V，收发探头间距0.6m，测点间距0.1m，测试方式按从下至上进行。
3 资料的地质解释
3.1跨孔弹性波CT法资料解释原则
根据工程需要，本次勘察工作中，跨孔弹性波CT法资料的地质解释主要解释跨孔弹性波CT法剖面中存在的溶洞、软弱夹层、节理裂隙发育带及中（微）风化岩面，地质解释的原则为：
1)先对钻探资料及波速影像图进行充分的综合分析、对比，确定各类岩土层的波速范围及特征。
2)根据综合分析、对比确定的岩土层波速范围和特征进行岩土层分类。
3)根据岩土层分类对波速影像进行地质解释。
3.2 管波探测法原理及资料解释原则
根据波动理论，在充满液体的钻孔中，任何扰动，都会产生沿钻孔轴向传播的管波（司通莱波），管波在孔液和孔壁外一定范围内传播。管波在传播过程中，在存在波阻抗差异（波阻抗Z为介质的弹性波速度V与介质密度的乘积）的界面处发生透射和反射，反射波的振幅：A=A0R，[R=(Z1-Z2)／(Z1+Z2)]
其中A0为入射波的振幅，R为界面的反射系数，Z1、Z2为界面两侧介质的波阻抗。反射波的振幅的强弱反映了界面的波阻抗差异。
根据现有观测系统，反射管波的同相轴为视速度稳定的倾斜波组。当岩土层中不存在波阻抗差异界面或界面两侧波阻抗差异不大时，管波扫描剖面（时间剖面）中只有与（平行与钻孔轴线的）空间轴平行的直达波组，无明显的反射波组（剖面中的倾斜波组）。当岩土层中存在明显的波阻抗差异界面时，管波扫描剖面（时间剖面）中除存在明显的直达波组外，还存在明显的反射波组，即剖面中的倾斜波组。
也就是说，在剖面中存在明显的倾斜反射波组的位置，必定存在波阻抗差异界面。对灰岩地区，波阻抗差异界面即为孔中、孔旁溶洞边界或软弱夹层顶底界面。管波探测法的原理就是通过分析反射管波的波幅特征，探测波阻抗差异界面，通过对界面的解释，推断孔旁溶洞或软弱夹层的发育情况。根据波动理论中的半波长理论，管波探测法的探测范围为以钻孔中心为圆心，半径为管波波长的1/2的圆柱状空间。考察管波探测时间剖面，各钻孔中管波的波长均不相同，但总体上，约2.0m，即管波探测法的探测半径约为1.0m。
根据管波探测法的探测原理，结合钻孔揭露的岩土分层情况，对发现的波阻抗差异界面进行地质解释，找寻孔中及孔旁岩溶边界或软弱夹层顶底界面。其判别准则如下：
a、无倾斜反射波组的基岩段为完整基岩段。
b、存在振幅较大的倾斜反射波组的位置，一般为孔中、孔旁溶洞的边界，或钻孔穿过波阻抗差异较大的软弱夹层。
c、存在振幅较小的倾斜反射波组的位置，同时直达波速度较大时（直达波同相轴平直），一般为钻孔穿过存在波阻抗差异较小的软弱夹层。
d、存在振幅较小的倾斜反射波组的位置，同时直达波速度较小时（直达波同相轴向下弯曲），一般为孔旁岩石裂隙发育。
根据上述解释原则确定的岩土层物探分类，对反演波速影像进行解释。CT成果中红色的区域波速高，即为完整基岩。岩溶发育区与周围的完整基岩之间存在明显的波速差异，在反演的波速影像图中十分容易识别，一般在红色的基岩中出现的蓝色或绿色的区域即解释为岩溶发育区。对于部分浅绿色、灰色的区域，波速介于岩溶发育区与完整基岩之间，即解释为溶蚀裂隙发育区。
4、场地物探地质解释成果综合分析
本次工作主要分三个区域，分别为1区，3区和4区。平面位置及测线编号见下图：
图4-1 测区平面图
4.1 岩土分层
根据物探成果，将本区岩土划分为两层：土层及基岩。由于覆盖土层、全强风化岩层波速差异较小，物探解释将其归为一层，通称为土层。并根据溶蚀、节理裂隙的发育情况，将中、微风化岩划分为溶蚀裂隙发育区和完整基岩区。基岩面顶面高程等值线图如下：
4.2 岩溶及其充填物
本次物探过程中，跨孔弹性波CT法主要用于探明规模较大的岩溶的发育和分布规律、岩溶的连通性等。因此，岩溶发育情况的综合分析主要应用跨孔弹性波CT法成果。
从1区的跨孔弹性波CT法成果可见，1区整体岩溶发育强烈，但具有不均匀性。岩溶主要集中在两条岩溶强烈发育带上，两条岩溶强烈发育带呈北东向展布，带内岩溶规模大、基本连通。呈现为溶沟、溶槽。且这两个溶沟、溶槽的走向与场地东南的断裂构造走向大致基本一致，可能为伴随河流处断裂构造的破碎带，经过地下水和地表渗透水的冲刷形成的溶沟、溶槽。两条岩溶强烈发育带以外岩溶零星发育。1区1号测线跨孔弹性波CT成果剖面见下图：
从3区的跨孔弹性波CT法成果可见，3区整体岩溶强烈发育，岩溶发育区域面积大，连通性强。3区2号测线跨孔弹性波CT成果剖面见下图：
从4区的跨孔弹性波CT法成果可见，本区岩溶发育数量少，规模小，基本不连通，整体岩溶发育程度为微弱。
由于溶洞充填物与水的波速差异不大，物探方法难于反映岩溶的充填情况。根据钻孔资料，带内岩溶基本为全充填，充填物主要为可塑状粘性土、粉细砂、中砂及圆砾，钻探时漏水。少量溶洞为半充填，充填物主要为可塑状粘性土、粉细砂、碎块石及圆砾，钻探时漏水。另有少量位于深部、规模较小的溶洞为空洞，钻探时钻杆自动下落、漏水。
岩溶发育区厚度等值线图如下：
图4-5 岩溶发育区厚度等值线图
4.3 持力层、下卧层完整性
持力层、下卧层完整性分析主要应用跨孔弹性波CT法成果。
1区在两条岩溶强烈发育带以外的区域，完整基岩顶面埋藏浅，持力层、下卧层完整。
在两条岩溶强烈发育带以内，有两种情况。一种为完整基岩顶面埋藏较深，持力层、下卧层完整。其实这是上部岩体大部分已经被溶蚀，仅仅残留小规模岩体，被溶蚀的局域又被土体充填的结果。另一种为上部存在满足厚度的完整岩体，或可作为基桩持力层，完整岩体的顶面埋藏浅，但其下卧层中存在规模较大的连通溶洞。对于这种情况，需要对上部岩体进行验算，如不满足要求，其上的基桩需穿过完整岩体及下卧的岩溶。
3区的桩基持力层、下卧层完整性存在有四种情况。一种为完整基岩顶面埋藏较深，持力层、下卧层完整。其实这是上部岩体大部分已经被溶蚀，仅仅残留小规模岩体，被溶蚀的区域又被土体充填的结果。第二种为上部存在岩溶发育，但岩溶以下存在6.5m的完整岩，可作为持力层，且下卧层完整，第三种为上部存在满足厚度的完整岩体，或可作为基桩持力层，完整岩体的顶面埋藏浅，但其下卧层中存在规模较大的连通溶洞。
4区由于设计底板标高已经调整到49.6m，跨孔弹性波CT法成果表明，岩面最深处标高约39m，并存在一定的起伏，已经不存在采用天然地基的可能。宜采用桩墩结合的基础类型。
持力层顶面高程等值线图见下图：
4.4 桩位完整性
管波探测法主要用于探明桩位岩溶的发育和分布规律，为桩端高程的设计提供依据，并指导基桩施工。
管波探测法探明了实施的桩位的岩溶发育情况及完整性。根据管波探测法成果，均可为每个桩位确定完整的岩体作为持力层。
由于管波探测法能的探测范围以钻孔为中心，直径约两米，故部分溶洞的深度和钻探揭示的深度存在一定差异，或者管波探测法解释为溶洞的地方钻探并无溶洞，均属正常情况。桩端高程的设计应以管波解释成果为主要依据。某钻孔管波测试成果见下图：
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5、结束语
本次工作使用跨孔弹性波CT法解决了持力层、下卧层完整性及岩溶的空间发育情况，同时使用管波探测法探明了实施的桩位的岩溶发育情况及完整性。经过多个项目的验证，上述两种方法的结合，可以避免一桩多孔，从而节省开支。
论文作者:孙义
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/28
标签：岩溶论文; 波速论文; 基岩论文; 钻孔论文; 完整论文; 剖面论文; 阻抗论文; 《基层建设》2017年第24期论文;