南京东大岩土工程勘察设计研究院有限公司 江苏省 南京市 211100
摘要：在各种建设工程实际施工过程中，经常会遇到各类复杂地质，尤其岩溶地区地质情况非常复杂，如果只依靠传统钻探技术，将会严重影响施工进度。而管波探测法不仅能够探测地质的发育情况，还能了解工程建筑桩基地质环境和提供施工依据。
关键词：岩土工程；管波探测；应用
引言
近年来，管波探测法在岩土工程中的应用越来越广泛，规模越来越大。这种管波探测法多用于探测岩溶、软弱夹层、裂缝带等不良地质情况，以及桩基周围情况。通过管波探测法对不仅能够探测岩石不同界面的情况，还能对地质进行评价，评价数据结果十分可靠，并且有效降低了岩石工程探测难度和投入资金。
1管波探测的基本原理
管波探测的基本原理是：在钻孔中利用“管波”这种特殊的弹性波，探测钻孔周围一定范围内的波阻抗变化（如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷和桩底面），与其他的弹性波一样，在波阻抗差异界面处，管波也会产生反射，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，推断孔旁桩身混凝土完整性情况。和其他类型的波动一样,管波在传播过程中,在存在波阻抗差异的界面处会发生透射和反射,在孔液和孔壁以外一定范围内沿钻孔轴向传播,除在孔径变化、孔底和孔液表面处产生反射外,在管波的有效探测范围内的(有效探测半径0.5~1.0m)任何波阻抗变化都会产生反射。根据公式:Z=V·ρ,式中:Z为波阻抗,单位为kg·m/s２,具有阻力的含义;V为介质纵波波速,单位为m/s;ρ为介质密度,单位为kg/m３。则可知反射波的振幅A=A０·R,式中:A为反射波的振幅;A０为入射波的振幅;R为反射系数,无量纲。并且R=(Z１-Z２)/(Z１+Z２),式中:Z１为界面上层波阻抗;Z２为界面下层波阻抗。反射波振幅的强弱即反映了界面的波阻抗差异的大小。
1.1工作装置及现场工作方法
根据管波的传播特性及孔中的测试环境，管波探测法的探测装置如图1。
图1管波探测法的测试装置
图1中发射仪器产生的发射脉冲信号通过发射换能器S转换成振动脉冲，在孔壁周围产生管波，管波沿钻孔轴向向上及向下传播，接收换能器R首先接收到直达管波。沿钻孔轴向传播的管波在波阻抗差异界面（孔径变化处、液面处、孔底、孔壁波阻抗差异界面）处发生反射和透射，反射管波由接收换能器R接收。现场工作时，采用自激自收观测系统。保持发射换能器S和接收换能器R之间的距离恒定（一般为60cm）。S、R的中点作为深度零点，按0.1m的测点间距，自下而上地进行逐点测试。采样间隔0.20～0.25ms，记录长度1024点。考虑管波的传播范围，波阻抗差异界面包括：
①孔径变化处；②液面处；③孔底；④孔壁波阻抗差异界面；⑤孔旁混凝土完整性变化界面。管波探测法异常判断依据主要表现为：
（1）界面处的管波反射。
（2）不良缺陷处的管波能量减弱。
管波探测法检测基桩桩身完整性正是利用其中的孔壁波阻抗差异界面的反射和不良缺陷处的管波能量衰减，来探测孔旁桩身混凝土完整性（如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷和桩底面等）。也就是说，在存在管波反射的位置，必定存在波阻抗差异界面。通过分析反射管波的波幅特征，推断孔旁桩身混凝土完整性情况。
1.2探测范围、分辨能力及探测精度
根据波动理论中的半波长理论，管波探测法探测范围是以钻孔中心为圆心，半径为管波半波长的圆柱状空间。现有管波探测设备发射的管波波长约为2m，管波探测法探测半径约为1m。管波探测法可有效分辨大于0.3m的孔旁洞穴，对洞穴的定位误差小于0.3m，具有非常高的垂向探测精度。
2管波探测法的探测流程
在岩土工程实际施工过程中，经常会出现钻孔发现的完整基础岩石已经能够满足工程的要求，而管波探测法在这钻孔发现的完整基石上去寻找和发现十分存在有一些不良地质，比如溶洞、夹层等，这样就能更好的保证完整性，所以在实际施工中，工程单位方会才有钻孔和管波探测法相结合的方式进行探测。其探测流程入下：第一步是钻孔在揭露的完整基石段的厚度符合施工要求，可以适当的增加基石厚度，以防万一，钻机准备工作；第二步是管波进行探测，在管波探测结束后，马上对管波探测仪器所探测到的数据进行处理分析，在完全确认完整的基石符合施工要求，便可停止钻机钻孔，拿出钻机。根据上述的两个步骤流程，所揭露的完整基石一般都能达到施工标准。虽然这些步骤可以一直循环，但是需要注意，循环的次数不易过多。
3判别准则与研究成果
判别准则是以管波探测法的探测原理为依据，结合钻孔揭露的完整基石的不同层面岩石情况，解释和分析不同界面波抗组之间的差异性，寻找和发现孔中的不良地质和岩石底部。其具体的判别准则如下。
①完整基石段范围内不存在倾斜反射波组基石岩。②一般在钻孔的孔中央或是孔壁存在溶洞、软弱夹层等不良地质时，管波探测的基石中产生振幅大的倾斜反射波。③如果振幅较小的倾斜反射波和直达波速度快两个条件都存在的话，则可以判断为波抗组差异小的软弱夹层。④振幅较小，直达波速度小，一般为岩石节理裂隙发育地质。
研究成果：①钻孔柱状图中能够清楚的显示出对于地质的描述。研究中，我们在钻孔中发现了较厚的溶洞，而检测出溶洞桩端以下完整基右厚度竟足以达到设计标准。钻孔描述的厚度与溶洞发育段的厚度有着明显的误差，但令人惊奇的是即使误差的存在也不影响桩端以下完整基岩厚度的设计要求。②钻孔还可以反映未发现的溶洞发育情况，并且可以探测到完整基岩段，但我们可以通过管波探测的成果反映，来详细观测钻孔反映的完整基岩段在桩径范围内尚是否存在岩溶发育段，如果存在岩溶发育段则表明揭露的完整基石的厚度不符合设计要求。
4实例分析
徐州市城东大道高架快路建设工程施工地质勘察项目(CD-KC1标段)主线高架桥Pm68墩，桥墩（台）中心桩号K2+891.000,1#、2#为2根2200钻孔灌注桩，单桩容许承载力25000kN，设计桩顶标高30.4m。地质概况如下表1所示：
表1地质概况
图2桥梁桩位与地质钻孔平面位置图
管波探测解释成果图如图3所示：
结语
管波探测法能够准确有效的探测到岩土工程周围地质的发育和具体分布情况，并且得出的数据和信息易懂、准确性高、出现异常现象能够及时做出反应，分辨能力高，并且成本低。还可以根据实际施工的具体情况进行探测调整，以便更好的符合施工要求，采用管波探测法不仅能够缩短工期，降低成本，还能提高经济利益，是岩土工程的首选方法。高山仰止，景行行止，虽不能至，然心向往之，我们应该积累前人的宝贵经验，尽最大可能使得管波探测法落实到实处，真正发挥其作用。
图3管波探测解释成果图
参考文献
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论文作者:吴紫东
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/5
标签：钻孔论文; 阻抗论文; 反射论文; 地质论文; 界面论文; 基石论文; 振幅论文; 《防护工程》2019年第7期论文;