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管波探测法宣传材料NN
国家发明专利
自主知识产权
管波探测法
广东省地质物探工程勘察院
饶其荣、李学文
地址:
广州市花都区秀全大道59号邮编:
510800
电话:
(020)86821939传真:
(020)86821364
手机:
13926293329(饶)13602234270(李)
电子邮箱:
RQR123@163.COM、AV8740@126.COM
2006年11月
第一章、简介
第二章、适用范围及可靠性
一、适用范围
二、可靠性
第三章、方法的优势
第四章、管波探测法探测原理
一、管波的激发、传播机理
二、管波的探测原理
三、管波探测法的探测装置
四、管波探测法的探测流程
第五章、评审意见及用户评价
第一章、简介
管波探测法是在钻孔中利用“管波”作为探测物理场,探测孔旁一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体的具有自主知识产权的最新孔中物探方法,是“中国创造”的物探方法。
管波探测法由饶其荣、李学文在长期的工程实践中发明,并已获得国家发明专利,专利号:
ZL200310112325.0。
管波探测法应用研究项目获2004年度广东省地质勘查局地质科学研究基金资助(资助金额人民币六十万元),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。
2006年4月7日,项目通过了由广东省地质勘查局组织,有中国地质调查局、北京市水电物探研究所、中山大学、广东省水利水电科学研究院、广东省地质勘查局参加的评审专家组评审验收。
应用研究项目获2006年度广东省地质勘查局科技进步一等奖,现正在申报广东省科技成果奖。
(获2006年度广东省科技成果二等奖,现正在公示中,详见
第二章、适用范围及可靠性
一、适用范围
管波探测法适用于灰岩地区的嵌岩桩桩位勘察。
全国灰岩分布较广,由于岩面埋深较浅,土层较软弱并且存在土洞等不良地质现象,在这些地区进行工程项目建设,常采用嵌岩桩的基础形式。
在石灰岩基岩中,岩溶发育,存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体。
根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001),在施工勘察阶段,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。
管波探测法利用桩位内的一个勘察钻孔,通过发射管波,采集记录并分析管波反射信号,即可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,并评价嵌岩桩基桩持力层的完整性。
为基桩设计和施工工作提供准确可靠的地质资料。
管波探测法有效探测半径大于1.0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。
特别适合于灰岩地区大口径嵌岩桩的桩位勘察。
二、可靠性
工程实测和模型试验重复对比观测结果表明,管波探测资料重现性好,异常的地质解释识别标志明显。
模型试验结果表明,有洞则有管波异常。
工程实测结果与钻探验证结果表明,异常的地质解释与实际地质情况一致。
基桩施工情况和抽芯检验结果表明,管波探测法探测结果非常可靠。
经过验证和确认,佛山市南海区道路建设管理处等业主单位已经在招标文件中明确要求对所有桥梁、立交的桩位勘察孔,必须采用管波探测法作为辅助勘察手段,以查明桩位范围内的岩溶发育情况。
1、模型试验
管波探测法应用研究项目选择在较完整的花岗岩中建立充水洞穴模型,模拟灰岩中的溶洞,使探测的岩体条件具有唯一性。
洞穴模型建立前、后的管波测试表明,孔旁一定距离无洞则无管波异常,有洞则有管波异常,表明管波探测方法对探测孔旁洞穴有效。
2、工程实例
管波探测法自提出以来,实施的工程主要有:
(1)广清高速公路与环城高速公路连接线工程,由广东省公路勘察规划设计院委托,共完成51个桩位,现已竣工通车一年多。
(2)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,由上海市政工程设计研究院委托,共完成188个桩位,现已建成。
(3)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,由天津市市政工程设计研究院委托,共完成96个桩位,现已建成。
(4)佛山市和顺至北滘公路主干线工程DS13、DS15、DS16、DS17标段,由广东省佛山市路桥工程总公司委托,共完成480个桩位,现已建成。
(5)佛山市三水二桥,由广东省公路勘察规划设计院委托,共完成30个桩位,现已建成。
(6)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,由佛山市南海区道路建设管理处委托,共完成280个桩位。
桩基工程已完工。
(7)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,由佛山市南海区道路建设管理处委托,共完成250个桩位。
(8)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,由广州市地下铁道总公司委托,共完成188个桩位。
桩基工程正在施工中。
(9)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,由广州市地下铁道总公司委托,共完成251个桩位。
(10)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,由广东省公路勘察规划设计院委托,共有82个桩位。
桩基工程已完工。
(11)广西玉林凯旋世纪广场大厦(21层)。
共有150个桩位。
上述工程中,基桩工程完工后,质检部门采用低应变反射波法和钻芯法对基桩进行检测,其中钻芯法抽检比例为10%。
基桩检测从未发现桩底及持力层存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层或半边嵌岩等缺陷。
根据收集到的基桩施工记录、基桩的抽芯检验报告及委托方的用户意见来看,管波探测法对岩溶的探测准确率达98%以上,深度误差在0.3m以内,委托单位均认为管波探测法是一种很有效的探测手段,可查明灰岩地区嵌岩桩桩位范围内岩溶的发育和分布情况,为桩基的设计和施工提供可靠的地质依据。
根据管波探测成果确定的理想桩端高程,可避免桩端持力层存在溶洞或半边嵌岩的风险。
3、探测结果的钻孔验证
1)佛山市狮和公路工程
2004年8月,受天津市市政设计研究院的委托,对佛山市狮山至和顺公路主干线工程桂和里和互通立交进行了96个桩位的管波探测工作,并对其中ZK-Y29和ZK-Y34二个桩位的管波探测成果进行了钻探验证。
桩位钻探、管波探测及钻探验证结果如图1、图2所示。
ZK-Y29桩位钻孔资料表明,微风化基岩(灰岩)面高程为-17.28m,以下无溶洞,为完整基岩。
进行管波探测后,管波探测法解释在-17.60~-19.74m高程段为岩溶发育段,-19.74m以下才是完整基岩段。
ZK-Y34桩位钻孔资料表明,微风化基岩(灰岩)面高程为-33.36m,以下无溶洞,为完整基岩。
进行管波探测后,管波探测法解释在-32.80~-33.5m高程段为岩溶发育段,-33.50以下为完整基岩段。
为了验证管波探测法的有效性,分别在ZK-Y29和ZK-Y34孔四周各布置四个钻探验证孔(共八个),钻探验证孔均距离原管波测试孔0.7m,以验证:
管波探测法解释的岩溶发育段是否存在;
解释的完整基岩段是否完整。
在ZK-Y29探测孔的四个验证孔(编号为ZK-Y29-1~ZK-Y29-4)中,ZK-Y29-3在高程-18.55~-19.66m发现一处溶洞,四个验证孔的基岩面高程分别为-17.73、-20.02、-17.53、-16.93m,除ZK-Y29-3外,其余孔基岩面以下岩石完整,ZK-Y29-3孔在高程-19.66m以下岩石完整。
从ZK-Y29-2孔基岩面以上存在大于2m的卵砾石溶洞充填物分析,ZK-Y29桩位钻孔旁存在一开口型溶洞,其高程为-17.73~-20.02m,高程-20.02m以下岩石完整。
这与管波探测法解释的高程-17.6~-19.74m为岩溶发育段,高程-19.74m以下为完整基岩段吻合,高程误差小于0.3m。
在ZK-Y34探测孔的四个验证孔(编号为ZK-Y34-1~ZK-Y34-4)中,ZK-Y34-2在高程-27.60~-33.55m发现一处溶洞,四个验证孔的基岩面高程分别为-32.85、-26.70、-32.05、-31.70m,除ZK-Y34-2外,其余孔基岩面以下岩石完整,ZK-Y34-2孔在高程-33.55m以下岩石完整。
分析这四个验证孔的地质资料,我们认为ZK-Y34-2孔在高程-26.70~-27.60的灰岩为一残留岩块或“鹰嘴”,ZK-Y34桩位钻孔旁存在一开口型溶洞,其高程为-32.85~-33.55m,高程-33.55m以下岩石完整。
这与管波探测法解释的高程-32.80~-33.5m为岩溶发育段,高程-33.50m以下为完整基岩段吻合,高程误差小于0.1m。
通过验证孔揭露的地质情况,可得到如下结论:
(1)管波解释的完整基岩段在全部验证孔中均是完整的,管波解释的完整基岩段是可信的;
(2)管波解释的岩溶发育段的确存在,管波探测法的确可探测到测试孔外一定范围内的岩溶。
图1、ZK-Y29钻孔的管波探测成果及其验证
图2、ZK-Y34钻孔的管波探测成果及其验证
2)广州地铁五号线工程
受广州市地下铁道总公司委托,在详勘阶段对广州地铁五号线滘口至大坦沙区间灰岩分布段进行管波探测。
为了验证管波探测成果,业主委托广州市地下铁道设计院对W8D、D6D、D6A、D4A等4个桩位的管波探测成果进行了钻探验证。
验证时,在每个桩的桩周各布四个孔进行钻探取芯,验证孔距桩中心约1.5m,图3为其中W8D桩的验证情况。
广州市地下铁道设计院在验证报告中总结4个桩共16个钻探孔的验证情况,出具的验证意见如下:
(1)管波探测法发现了钻孔旁侧的岩溶、溶蚀裂隙,其探测范围远大于钻探口径,弥补了钻探“一孔之见”的不足,适用于灰岩分布区嵌岩桩桩位的勘察,特别是大型的重点工程项目;
(2)管波探测法解释的“完整基岩段”内,钻探验证证明绝对正确,地质解释的“岩溶发育段”,钻探验证证明大部分正确,个别存在着程度上的误差;
(3)根据管波探测成果确定的理想桩端高程,可避免桩端持力层存在溶洞或半边嵌岩的风险。
图3、地铁五号线W8D桩位管波探测成果的钻探验证情况
第三章、方法的优势
在石灰岩场地进行勘察,岩溶是最棘手的问题。
岩溶发育在宏观上具有规律性,但在桩位范围的局部区域,岩溶形态、延伸及分布缺乏规律。
目前,一般工程通常采用规范规定的一桩一孔的方法进行桩位勘察。
根据一桩一孔资料设计桩端高程,存在抽芯检验时在持力层中发现溶洞或半边嵌岩的风险。
部分工程采用成本高、工期长的一桩多孔超前钻探方式进行桩位勘察,虽然可降低上述风险,但是不能完全避免。
为了查明岩溶发育情况,通常采用工程物探作为辅助勘察手段。
工程物探可划分为地面物探和孔中物探。
地面物探可查明场地土洞和岩溶发育的宏观规律,但由于受其精度及准确性的限制,难以满足桩位勘察的要求。
孔中物探也可分为跨孔法和单孔法。
现时的跨孔物探方法主要有跨孔CT层析成像(如弹性波CT、电磁波CT、电阻率CT等)。
由于跨孔法需要邻近钻孔的配合,勘察成本高、工期长,不常用于桩位勘察中。
跨孔法的探测范围为钻孔之间的切面,无测线穿过的区域是探测的盲区。
现时的单孔物探方法主要有弹性波测井(如PS测井、声波测井)、放射性测井(如γ测井、γ–γ测井、中子测井和能谱测井等)、电测井(如电阻率测井等)、孔中电视、电磁测井(如孔中雷达)。
除孔中雷达外,其他单孔物探方法的作用主要是获取孔壁岩土的物理参数、辅助钻探进行地质分析。
孔中雷达可探测到孔旁目的体的分布情况,但由于采集得到的雷达图像中包含较多与目的物无关的反射(假异常),容易导致错误的地质解释结果,且孔中雷达设备的价格昂贵,依赖进口,难以大量用于桩位勘察中。
图4、管波探测法探测范围
采用管波探测法进行桩位勘察,可完全避免上述风险。
在灰岩中存在形态复杂的溶洞,如图4(左)所示,仅根据钻孔资料(钻孔布置在桩位中心),见图4(中),设计基桩桩端高程,则持力层存在溶洞,并且,在基桩抽芯检测时,很可能不被揭露,基桩存在不稳定隐患。
如根据管波探测法的解释成果,见图4(右),设计基桩桩端高程,则持力层稳定。
管波探测法具有以下特点:
管波具有能量强、衰减慢、传播速度与孔旁围岩切剪波速度密切相关等特点,由孔旁岩溶、软弱夹层及裂隙带引起的管波异常易于识别,异常的地质解释具有唯一性,勘察成果可靠性高;
探测孔旁洞穴大小的分辨能力强,垂向探测精度高;
对勘察仪器设备的技术要求低,勘察设备投资少;
施工工期短,成本低;
以下为管波探测法与其它桩位勘察方法之间的对比:
方法
需要
钻孔数
勘察
费用
勘察
工期
优势
缺陷
一桩一孔
1
低
短
工期短、费用低
无法探明孔旁(桩位)岩溶、桩侧临空面
一桩多孔
3~5
较高
较长
“眼见为实”,可探明基桩范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱层等地质情况,可评价基桩持力层的完整性
难于探明桩侧临空面。
工期长、费用高
跨孔CT
3~5
高
长
可详细探明桩位、桩侧岩溶、基岩面起伏、临空面等地质情况,可评价基桩持力层的完整性,精度高
工期长、费用高、存在盲区
孔中雷达
1
较低
较短
可调查桩位的不良地质体,工期较短、费用较低
地质解释结果多解性强、可靠性低,不适宜评价基桩持力层的完整性,不能分析不良地质体平面上的方位
管波探测法
1
较低
较短
可探明基桩范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱层等地质情况,可评价基桩持力层的完整性。
工期较短、费用较低、精度高
不能探明基桩范围外的不良地质体、临空面,不能分析溶洞距探测孔的距离及平面上的方位
第四章、管波探测法探测原理
一、管波的激发、传播机理
根据弹性波理论,在弹性介质中传播的振动,按传播空间可分为体波和界面波。
体波在无限空间中传播,包括纵波(压缩波)和横波(剪切波)。
界面波在波阻抗界面附近传播,包括瑞利波、斯通莱波、勒夫波等。
当相互接触的两种介质一种是流体另一种是固体时,流体的振动会在两种介质的分界面及其附近产生沿界面传播的界面波,称做广义的瑞利波(Rayleighwaves)。
在液体填充的孔内及孔壁上,广义的瑞利波沿孔的轴向传播,称作管波(Tubewaves)。
常见的管波有两种类型,一种是斯通莱波(Stoneleywaves),沿孔壁传播,并在围岩中呈指数衰减;另外一种是准瑞利波(又称为伪瑞利波),它是一种导波,大部分能量集中在流体内,在围岩中也呈指数衰减。
这两种波都有波散特性,相速度随频率的不同而变化。
在横波波速高于流体纵波波速的介质(高速介质)中,斯通莱波有轻微的波散现象。
在低频端,斯通莱波的相速度和群速度都接近孔内流体的纵波波速的0.9倍。
在高频端,斯通莱波的波速趋于围岩中的横波速度。
准瑞利波具有明显的波散特性,并有一个最低频率,低于该频率的准瑞利波不存在,在该频率处其速度等于围岩的横波速度Vsr。
在充填液体的硬质岩石钻孔中,这个最低频率约为10kHz。
因而准瑞利波具有低截特性。
在高频端,准瑞利波的波速趋于围岩中的横波速度。
孔中流体的任何振动,几乎都能产生管波(斯通莱波及是准瑞利波),管波的初始频率和管波源的频率相同。
两种类型管波均沿钻孔的轴向传播,都具有前推式的质点运动轨迹,在轴向切面内是一系列椭圆。
质点位移的径向分量在钻孔中心是0,在孔壁处,径向位移达到最大值,在孔壁以外的围岩中随着离开孔壁的距离按指数规律减小。
质点位移的轴向分量在流体中相对来说是一常数,在孔壁上发生间断,振幅下降了几百倍,在孔壁以外的围岩中亦随着离开孔壁的距离按指数规律减小。
根据管波探测法现有发射设备的情况,发射振动的频带范围为400~3000Hz。
实际采集到的管波为斯通莱波。
图5为斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及幅度的示意图。
图5、斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度
由于孔内流体吸收作用很小,管波频率和幅度变化缓慢,所以,尽管经过了一定距离的传播,管波能量依然很强,管波的频谱与管波源的频谱基本一致。
和其它类型的波动一样,在传播方向遇到波阻抗差异界面时,管波也会发生反射。
在钻孔孔液和孔壁外一定范围内,发生反射的波阻抗界面有:
a、孔径变化处;
b、液面处;
c、孔底;
d、孔壁波阻抗差异界面。
以往对界面波的研究表明,界面波的能量集中在界面以外半波长的范围内。
实测资料表明,管波的探测范围亦可以用管波的半波长确定,管波的探测范围为以钻孔中心为轴心,管波的半波长为半径的圆柱状区域。
管波的传播速度极为稳定,可通过改变管波源的频率来改变管波的探测范围。
二、管波的探测原理
从管波的传播机理可以得出:
a、管波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任何波阻抗变化都会产生反射。
在钻孔周围的圆柱状空间,这种波阻抗的变化必定是由于钻孔旁侧的岩性差异及土洞、溶洞、软弱夹层等不良地质体的存在造成的。
因而可通过分析反射管波来确定钻孔旁侧是否存在岩性差异及不良地质体。
b.管波在孔液和孔壁以外一定范围内沿钻孔轴向传播,可把孔液和孔壁以外一定范围内的岩土层等效成一维杆件,管波在等效的一维杆件中沿轴向传播。
其运动学方程可大为简化,解释方法更为简单。
与一维杆件中沿轴向传播的振动的区别在于,一般认为,在一维杆件中沿轴向传播的振动在相同的杆件横截面上,振动的能流密度处处相等。
而管波传播的等效一维杆件中,振动的能流密度是不相等的,距钻孔近的区域能流密度大,远离钻孔的区域能流密度小。
c.由于管波具有能量强、衰减慢、传播速度与孔液纵波波速相当的特征,反射管波的能量很强,在使用固定收发间距的一发一收探测装置采集的时间剖面上很容易识别,异常明显。
三、管波探测法的探测装置
图6管波探测法的工作装置
管波探测法的探测装置如图6所示,把发射仪的发射换能器和记录仪的接收换能器按固定间隔放入有孔液的钻孔中,在每个探测位置发射仪发射同一主频的脉冲信号,发射换能器产生的振动与孔液作用,在孔液和孔壁上产生管波,记录仪同步记录经接收换能器输出的振动信号。
同时移动发射换能器和接收换能器以改变探测位置,这样把同一主频探测的不同深度的探测点的振动记录按深度排列,得到时间剖面。
通过对时间剖面的分析,即可判别洞穴和软弱夹层的存在,及其它们的顶底深度。
可通过改变发射仪发射的主频,或更换发射换能器,重复上述不同深度探测点的探测,获得多张不同管波主频时间剖面;或通过频谱分析的方法获得这种多张不同管波主频时间剖面;根据对这些时间剖面的分析,可判别洞穴和软弱夹层等不良地质体与钻孔中心的距离。
四、管波探测法的探测流程
实际工程中,常常出现钻孔揭露的完整基岩段厚度已经满足规范要求,管波探测法发现其“完整基岩段”中存在溶洞、软弱夹层等不良地质体的情况。
为了保证桩位持力层的完整性,通常采用管波探测与钻探互动的探测流程:
现场判断完整基岩段是否达到设计要求否
是
需要进行管波探测的钻孔成孔要求,与一般的勘察孔区别在于:
土层、全风化和强风化岩层、溶洞等可能会引起钻孔堵塞的区段,必须用套管护壁钻进;
进行管波探测前须对钻孔进行清孔,以便管波探测的探头能够下至孔底。
每个钻孔的管波探测和现场地质解释一般在一个小时左右即可完成,非常快速。
现场根据测试得到的管波时间影像图,实时判断钻探认为完整的基岩段内,在桩位范围(一般比设计桩体所占据的范围稍大一些)是否存在未被钻孔发现的溶洞,或溶洞底板深度是否比钻探揭露的深,结合基桩设计对完整基岩段和最大控制孔深(或最小终孔高程)的要求,确定是否需要加深钻探和需要加深的深度。
一般经过上述流程,均能找到满足规范厚度要求的完整基岩段。
工程实例中一个循环即可达到要求的占三分之一,两个循环才可达到要求的占三分之一,需要三个以上循环方可达到要求的也占三分之一。
为了避免太多循环,可在第一次暂时终孔前加深钻孔,在完整基岩段厚度适当超过规范要求时才进行管波探测。
第五章、评审意见及用户评价
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