桩底溶洞声呐探测法的应用研究_杨洋.pdf

第 58 卷 第 9 期2022 年 9 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.9Sep.，2022DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.09.008收稿日期：2022-07-25作者简介：杨 洋（1991-），女，贵州遵义人，工程师，硕士，主要从事岩土工程及工程检测，E-mail：。桩底溶洞声呐探测法的应用研究杨洋1，2，蒋继宝1，2（1.中铁五局 测绘试验中心，贵州 贵阳 550001；2.贵州铁建工程质量检测咨询有限公司，贵州 贵阳 550001）摘要：我国碳酸盐型岩溶占地面积广，常选用桩基础作为下部持力结构，但桩底发育岩溶会造成桩底稳定性差，易发生工程事故，故对桩底岩溶探测显得尤为重要。通过对几种岩溶探测方法进行比对，选取声呐探测法对研究区37根桩基进行了探测，根据探测结果分析，得出研究区桩底基岩的三种状态。总结了研究过程中遇到的各种问题，经过分析研究后得出了解决的办法。关键词：岩溶；桩基工程；声呐探测；应用效果中图分类号：TU457文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）09-0037-031前言岩溶地貌在我国广泛分布，以碳酸盐型岩溶为主，占国土面积的三分之一，其中大部分分布在广西、贵州和云南（东部）地区1。在岩溶发育地区修建高层建筑物或重要建筑物时，通常采用桩基础作为建筑物结构的主要持力措施2。桩底发育岩溶后，桩底溶洞顶板的稳定性就会很差，如果桩基础施工前未探明溶洞的发育情况，容易出现溶洞顶部岩层承载力不满足设计要求，进而诱发施工事故以及漏浆的现象，若不及时采取合理有效的处理措施，很可能诱发沉降、埋钻、塌孔或引起周边建筑开裂等次生灾害3。因此，进一步探明桩底基岩溶洞发育情况的方法和技术显得尤为重要，提高探测技术的快捷性、便利性及准确性也显得日益重要。现阶段工程勘察中，比较常用的岩溶探测方法有：地质雷达、高密度电阻率、地震反射、超前预报和管波测试等探测方法和手段4-9。大量的工程施工经验证明，常规探测方法不具备高效性、快捷性及经济性，且探测条件较为苛刻，不适用于大多数桩形。而桩底声呐探测方法的发展，有效弥补了常规检测方法的不足，为桩底溶洞探测开辟了新的发展方向。利用声呐探测技术对桩底岩溶的分布情况进行探测，预测桩底基岩中溶洞的分布情况，结合钻孔勘察资料，分析对比桩底声呐探测方法的应用效果和使用方法，并对该方法的可靠性和准确性进行验证，对类似工程的探测过程具有指导意义。2声呐探测法的发展及原理2.1声呐探测法的发展声呐探测技术起源于1906年，旨在利用声波反射来判断地下或水下物体位置与类型的一种方法，到20世纪30年代，美国开始广泛研究声呐在水下的应用效果，在很大程度上促进了声纳技术的发展10。我国学者钟世航等11首次提出将该检测方法用于工程地质勘察工作过程中，并通过大量的工程实例，说明声呐探测法在隧道围岩超前地质预报及地下溶洞探测方面取得了较好的效果。2.2桩底声呐探测的原理利用泥浆作为声波传播和耦合介质，根据不同物质反射波特征的不同，来判断桩底溶洞分布及发育的情况12。其原理如图1所示。2.3现场探测过程声呐探测技术现场实施流程13如图2所示，操作步骤见图3。3工程实例分析3.1工程概况贵州某铁路线路布置于山腰线上，地貌类型为高原-丘陵过渡斜坡区高中山地貌，地形切割剧烈，地表岩体破碎。铁路左侧边坡垂直陡峭，民房密37集，右侧为垂直山壁。为预防山体落石，采用钢筋混凝土棚洞支护，靠山侧支护结构为衡重式挡墙，外侧支护结构为立柱和纵梁。根据工程地质勘察资料，场地位于断层破碎带附近，构造相对复杂，岩土界线清楚，下伏基岩为石炭系摆佐组石灰岩（表1），岩体节理裂隙特别发育，受构造及地下水影响，岩溶发育较强烈，形态主要表现为溶孔、溶沟（槽）和溶洞。由于工程区岩溶发育较强烈，岩溶分布及发育不规律，上覆土层厚度变化较大，设计拟采用桩发射：操作主机发射声呐信号，将电信号经功率放大器传至声呐发射换能器中，并转换为声波信号在桩底泥浆中垂直向下激发传播：在桩底泥浆的耦合作用下，有效减小不同介质之间的声阻抗差，使得声呐应力波能够有效传入基岩反射：溶洞或软弱岩层与基岩岩体形成变化明显的波阻抗界面，该界面对声呐应力波的传递产生较强的反射回波接收和分析：声呐反射波由声呐发射换能器周围的4个不同方向的声呐接收换能器接收，后转化成电信号，再通过放大、滤波并转化为数字信号后，传送到现场主机显示和处理四种典型波形对应四种桩底基岩状态溶洞基岩完整基岩破碎基岩上软下硬图1桩底溶洞声呐法探测原理框图地层时代第四系Qeldl石炭系摆佐组C1b岩性黏土石灰岩剖面图岩性特征残积、坡积黏土，冲积砂土、砾石，厚度511 m浅灰色，厚层-块状，白云质灰岩夹灰岩，见大量方解石团块，一般厚度大于60 m表1研究区主要地层岩性及特征准备工作桩孔资料分析仪器调整制定方案放置探头当遇人工挖孔桩等桩底无泥浆液或水时，需向桩底灌入 1020 cm的水利用孔口支架及长线，将声呐探头缓慢吊至桩底连接通信电缆与主机调平探头：为确保声呐发射换能器几乎与桩底保持垂直，现场主机利用探头中的三维罗盘读取探头的姿态和接收传感器的方位，后适时调整探头姿态桩底探测现场主机控制声呐发射器发射应力波声呐信号处理器接收声纳信号数据传送到主机进行显示和处理探头移动适当的位置并旋转一定的方向重复调平探头，进行多次探测保证探测点均匀布置于桩底软件分析:利用软件对探测数据进行综合处理整理并得出结论溶洞基岩完整基岩破碎基岩上软下硬图2桩底声呐探测法步骤流程多方位探测钢丝绳；电机；孔口支架；信号线支架；主机；通信电缆；孔内泥浆；声呐探测探头；换能器；桩底；溶洞；基岩图3桩底声呐探测法现场操作步骤2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷38基础进行地基处理，故首先需要探明桩底溶洞的分布特征和规律。根据施工需要，对工程项目中37根桩基进行了声呐探测工作，探测结果主要有岩体较完整、岩体局部存在裂隙和存在溶蚀破碎带三种情况。3.2桩底基岩较完整典型图像研究区声呐探测结果中，仅有4处桩底基岩显示较完整。选取具有代表性的37号桩基声呐探测结果（图4）进行分析，下伏基岩反射波频率相对较高，波形较为规则，衰减相对正常。据此判定，该桩底基岩较完整，围岩承载力较高，桩端以下3倍桩径且不小于5.0 m深度范围内基本无溶洞及软弱夹层。3.3桩底基岩局部存在裂隙典型图像（1）研究区探测结果中，有26根桩底基岩局部存在裂隙，对13号桩基声呐探测结果（图5）进行分析，下伏基岩反射波频率相对较低，波形不规则，衰减异常。据此判定，该桩底基岩局部存在裂隙，基岩较为破碎，但桩端以下3倍桩径且不小于5.0 m深度范围内基本无溶洞及软弱夹层发育。（2）对研究区15号桩基声呐探测结果（图6）进行分析，下伏基岩反射波频率相对较低，波形不规则，衰减不正常。据此判定，该桩底向下4.05.5 m之间局部存在裂隙，基岩较为破碎，但桩端以下3倍桩径且不小于5.0 m深度范围内基本无溶洞，基岩下部裂隙发育。3.4桩底基岩存在溶蚀破碎带典型图像研究区探测结果中，有7处桩底基岩存在溶蚀破碎带，对6号桩基声呐探测结果（图7）进行分析，下伏基岩反射波频率低，波形不规则，衰减异常，在桩底标高面以下2.8 m存在溶蚀破碎带，但桩端以下3倍桩径且不小于5.0 m深度范围内基本无溶洞，基岩溶蚀破碎带发育，岩体较破碎。4结论与建议（1）经过本次探测发现，为保证声呐应力波能与桩底基岩界面的耦合度良好，以便声呐传感器和声呐发射器能与地下水完全接触，当桩底没有泥浆液或水时，需向桩孔中注水。当注入1020 cm的水后，应力波信号显示不强，数据采集质量较差，易误读误判。分析产生此种现象的1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 16 17 18 19 2021编号图437号桩桩底溶洞探测图像0.02.04.06.08.010.012.014.0深度/m图513号桩桩底溶洞探测图像编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 1617 1819 20 210.02.04.06.08.010.012.014.0深度/m图76号桩桩底溶洞探测图像图615号桩桩底溶洞探测图像编号1 2 3 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 190.02.04.06.08.010.012.014.0深度/m0.02.04.06.08.010.012.014.0深度/m编号1 2 345 678 9 10 11 12 1314 15 16 17 18（下转第58页）第9期杨 洋，等：桩底溶洞声呐探测法的应用研究第58卷39渗墙施工质量进行了检测，主要结论如下6。（1）墙体几何尺寸：现场抽检部位墙体深度、搭接长度和宽度均满足设计要求。（2）物理力学性能：根据芯样抽检试验结果，抗压强度值满足设计要求，渗透破坏比降均满足设计要求。（3）墙体抗渗性能：现场抽样试验计算得到的渗透系数均达到10-6cm/s数量级，满足设计要求。（4）墙体连续性及完整性：防渗墙体纵波速度在11001800m/s之间，说明墙体连续性及完整性相对较好。4结论小海子水库除险加固工程施工过程中，因地制宜，在深层搅拌水泥土防渗墙施工无法达到设计要求的坝段，采用与高压摆喷、旋喷防渗墙搭接的设计方案，有效地解决了复杂地质条件下施工难题。通过第三方检测可知，其施工质量可靠，达到了设计要求。在水库试运行期间，建设管理单位在日常巡查和检查中也没有发现异常情况，通过坝顶、坝坡及外坡脚安装的智能渗压和渗流监测设备采集的数据分析，其各项指标都在设计允许范围之内，整体上截断或延长了坝基地下水的渗径，对大坝安全稳定起到了决定性的作用。小海子水库除险加固防渗处理达到了预期目的，为解决类似工程问题提供了借鉴。参考文献：1刘桂孙.塑性混泥土防渗墙在水库除险加固工程中的应用J.甘肃水利水电技术，2015,51（6）：47-79.2王京军.混凝土防渗墙在水库除险加固工程中的应用J.内蒙古水利，2021，42（7）：50-52.3深层搅拌法地基处理技术规范：DL/T 5425-2018S.4水电水利工程高压喷射灌浆技术规范：DL/T5200-2019S.5水利水电工程施工质量检验与评定规程：SL 176-2007S.6黄河水利委员会基本建设工程质量检测中心.高台县小海子水库除险加固工程深层搅拌水泥土防渗墙质量检测结果报告R.郑州：黄河水利委员会基本建设工程质量检测中心，2009.主要原因，声呐应力波是以球面波形式向四周传播的，如果液面过低，导致探测器以上应力波传播不理想造成的。故向桩孔中注水至少3.0 m以上时，则可以保证应力波信号接收正常，数据采集相对更准确。（2）声呐探测仅可以确定溶洞及破碎带水平向发育情况，无法对溶洞的发育规模、发育方向、充填情况等进行探测和解释，期待将来对探测仪器进行研发改进。（3）对钻孔灌注桩桩底进行探测时，充填的泥浆会导致探头的位置无法进行精准识别，是否可以通过改进探测器的功能，使其能够探测出桩底具体情况，最好以三维立体图的形式来显示桩底情况，使探测器的方位能够精准识别，进一步保证探测点均匀布置于桩底。（4）塌孔是测试过程中最常见的事故之一，常常威胁探测仪器的安全。建议尽量降低探头的生产成本，将塌孔造成的损失降到最低。参考文献：1石祥锋.岩溶区桩基荷载下隐伏溶洞顶板稳定性研究D.武汉：中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2007.2闫双斌.桩基荷载下溶洞顶板稳定性研究D.长沙：中南大学，2014.3宋晓容.岩溶地区深水大直径桩基施工技术J.铁道建筑技术，2013，51（5）：1-3.4张章，孙涛，刘继东，等.探地雷达频域分析法在桩底岩溶探测中的应用J.土工基础，2014,28(2):163-166.5崔志盛，夏才初，赵凯.大直径嵌岩桩桩底溶洞探测方法探讨和应用J.西部交通科技，2011,5(7):46-50.6葛祖焕，胡纯清，向