浅谈管波探测法在岩溶地区桩基施工中的应用

游贵良

广州市花都区交通局广东广州510800

摘要：溶洞是土木工程基础施工过程中常见的不良地质，遇到溶洞往往轻则导致施工停顿，重则给施工人员带来大的安全隐患。因此，溶洞的探明并处理已成为各类基础施工过程中至关重要的一环。本文结合实际工程，探讨了溶洞的形成、探明溶洞的必要性、探明溶洞的一些常用方法，最后介绍了该工程中钻探法与“管波探测法+钻探法检验模式”在桩基施工前探明溶洞的效果对比，验证了管波探测法的适用范围。

关键词：溶洞；桩基；管波探测法；弹性波

1溶洞的形成

溶洞是岩溶作用所形成的的空洞的通称。在自然界里，溶有二氧化碳的雨水会使可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石（如石灰岩、石膏）构成的岩层部分溶解，使碳酸钙转变成可溶性的碳酸氢钙（CaCO3+CO2+H2O=Ca（HCO3）2）；当受热或压强突然减小时溶解的碳酸氢钙又会分解重新变成碳酸钙沉淀（Ca（HCO3）2=CaCO3↓+CO2↑+H2O），这便是地表水在进入地下过程中对岩石或沉积物的化学溶蚀作用。此外，地表水在运动过程中对所经过的沉积物或岩石还有碎屑物搬运和碎屑物在搬运过程中的磨蚀作用。溶洞便是大自然在经过长期和多次重复上述侵蚀过程后形成的。

2溶洞对桩基施工的危害及探明溶洞的重要性

在挖孔桩施工过程中，遇到溶洞，特别是在未探明溶洞的情况下，继续施工，轻则容易导致地层扰动，发生护壁坍塌，重则导致人员坠落等潜在危险。在知道有溶洞，未探明溶洞大小、规模、形状和走向的情况下，未能采用正确的溶洞处理方法，单纯靠灌浆法一是可能导致溶洞填不满造成巨大的浪费，二是导致成桩质量不佳。因此，在桩基施工中溶洞的探明至关重要[1]。

3常用的溶洞探测方法

常用溶洞探测方法有地质雷达法、高密度电法、地震反射波法、超前钻法和弹性波CT法等，具体介绍如下：

3.1地质雷达法

地质雷达法以地质雷达方程为理论基础，以地下各种介质的电阻率和介电常数差异为物理条件，通过发射机发射出频率为10-1500MHz的大功率脉冲（又称视频脉冲），在地下传播过程中，当遇到电性不均匀界面时，产生返回地面的回波。通过对回波传播特性的数据处理，介电常数校准，可以获得标明地下被探测目标的形状和空间位置的灰色电平图。

3.2高密度电法

高密度电阻率法，通过对人工施加稳定电流场的作用下电流在地层中的传导分布规律进行研究，通过数据反映的岩、土及空洞介质导电性的差异判断地质分布情况。该方法将电极置于观测剖面的各个观测点上，利用程控电极转换装置和微机工程电测仪进行数据的快速自动采集，采集的测量数据送入微机后，对数据进行处理并给出关于低层断面分布的各种图示结果，操作简单方便。

3.3地震反射波法

地震反射波法，是大陆架油气勘探的首要手段，其利用地震反射波的动力学特点进行地震地层学研究，通过分析地震相，推测沉积环境，进而确定界面的深度和形态，圈定局部构造，判断地层岩性。

3.4超前钻法

超前钻法，主要是指在岩溶地区桩基施工过程中，在成桩之前采用钻探方法探明桩底基岩情况，通常是在桩基设计图纸出来之后，挖桩到位，灌浆之前进行，岩溶地区最好一桩一孔、大桩多孔。通过此方法，查明基桩持力层以下一定范围内（3倍桩径且不小于5米范围内）有无软弱夹层、空洞等不良地质情况，确保成桩质量。

3.5弹性波CT

弹性波CT是用某一探测系统，通过弹性波在不同介质中传播的若干射线束，在探测范围内部构成切面，根据切面上每条穿过探测区的地震波初至信号射线物性参数的变化，在计算机上通过不同的数学处理方法重建图像。利用这种重建的探测区内弹性波速度场的分布，可指出各种地质异常体的位置[2]。

4管波探测法在桩基施工中探明溶洞的应用

4.1桩基施工过程中管波探测法及适用范围分析

根据现行国家规范《岩土工程勘察规范（2009版）》GB50021-2001，“当采用大直径嵌岩桩时，应对桩位进行专门的桩基勘察，勘察点应逐桩布置，勘探的深度应不小于桩底以下3倍桩径并不小于5米”，以查明桩端以下是否有连续、完整的持力层[3]。但是，该条文主要针对钻孔孔径Φ91～Φ110的情况，而此次工程桥桩桩径达Φ1300～Φ2000，鉴于溶洞发育的无规律性，根据国内外工程实践经验，即便采用一桩一孔甚至一桩多孔开展超前钻探，依然难以查明设计桩位基岩内的溶洞，可能导致桩基抽芯不合格、承载力不足，以及在桩端以下持力岩层中存在无法处理的大型溶洞而导致废桩的风险，并且可能导致施工遇到未预见到的溶洞而发生事故的风险，此外，本工程近某地铁隧道结构，加做管波探查溶洞，及时发现及时处理，可降低溶洞对地铁隧道结构的影响。为此，采用钻探辅以恰当的物探测试的综合勘察方法是解决上述难题的可能途径。

管波探测法是新开拓出来的一种岩溶地区物探方法。其利用“管波”这种特殊的弹性波，在钻孔中激发和接收，根据能量耗散的差异来探测孔旁一定范围内地质体异常的孔中物探方法。该物探方法有效探测直径大于2米，可分辨大于0.3米的孔旁洞穴，对洞穴的定位误差小于0.3米，具有非常高的垂向探测精度，能有效解决桩位岩溶探测这一关键技术难题，因此适合于灰岩地区大口径嵌岩桩的桩位勘察，以排除桩端以下持力层存在大型溶洞的可能，从而确保桩基岩体持力层的可靠性。

4.2工程实际运用

下图为管波探测法的探测成果及采用多个钻孔进行验证的一个实例。在最初于桩位中心钻探的测试孔中，孔深17.28～27.38m处揭露10.1m的完整灰岩，未发现有溶洞；管波测试发现，在孔深17.70～20.00m处有明显的能量耗散区，判断为岩溶发育段；其后沿桩周等距布置了4个验证孔进行了钻探，其中2个钻孔在管波判定的深度范围内发现了溶洞。

管波探测法成果及验证实例

5结语

作为一种物探方法，管波探测法与其他物探方法比较，具有成果准确、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。

在桩基施工过程中，尤其是较大桩径的桩基，单纯运用超前钻探方法无法精确探明溶洞，容易忽略溶洞的存在，造成误判。运用管波探测法能够较清晰地探明是否存在能量耗散区，再沿桩周布置验证孔进行钻探，能在管波探测法判定的能量耗散区的基础上，通过分析能量耗散区和钻探结果判定溶洞的大概规模。

参考文献（References）：

[1]蔡广平.浅谈桩基溶洞对工程的危害分析及处理措施[J].工程技术（建筑），2016

[2]王文德，赵炯，胡继武.弹性波CT技术及应用[J].探矿工程，2005

[3]《岩土工程勘察规范（2009版）》GB50021-2001，2009

[4]饶其荣，李学文.管波探测法：中国，ZL200310112325.0[P].2003-11-25.