管波探测法培训教材.docx
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管波探测法培训教材
培训教材
管波探测法
广东省地质物探工程勘察院
饶其荣李学文
、
1.基本原理
方法概述
管波探测法是在钻孔中利用“管波”这种特殊的弹性波，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。
管波探测法主要应用于灰岩地区嵌岩桩基础的探测，一般是在桩位超前钻探或详细勘探阶段进行。
它利用桩位中心的一个钻孔，通过在孔液中产生管波，接收并记录其经过孔液和孔旁岩土体传播的振动波形，来探测孔旁一定范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育分布情况，可快速查明基桩直径范围内的地质情况、评价基桩持力层的完整性，指导基桩设计和施工。
其有效探测半径可达2.0m。
管波探测法具有可靠性高、异常明显、分辨能力强、精度高、工期短、易于解释、仪器设备投资少、探测费用低等优点。
管波探测法由饶其荣、李学文在长期从事岩溶勘察的工作实践中发明，于2006年获得国家发明专利（专利号：
），2007年被广东省建设厅列入“广东省建设行业科技成果推广项目”。
2004年，广东省地质勘查局地质科学研究基金资助了“管波探测法应用研究”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，该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。
并获得了2006年度广东省地质勘查局地质科技成果一等奖和2006年度广东省科技成果二等奖。
理论基础
1.2.1管波
根据弹性波理论，根据波动传播空间的不同，将弹性波分为体波和界面波两类。
体波包括横波（剪切波）、纵波（压缩波）等，在无限或半空间中传播。
界面波包括瑞利波、斯通莱波、勒夫波等，仅在波阻抗界面附近传播。
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：
斯通莱波（Stoneleywaves）和准瑞利波（或称伪瑞利波）。
管波探测法使用的波动为斯通莱波（Stoneleywaves）。
图1广义的瑞利波的频散特性
1.2.2管波的波散现象
斯通莱波和准瑞利波，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。
图1为按孔液纵波波速归一化后的斯通莱波和准瑞利波的频散特性图。
从图1可以见，当频率低于10kHz以下，准瑞利波就不存在了。
根据实测的管波资料，管波频率在100Hz～5000Hz范围，仅有斯通莱波存在。
图2、斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度
1.2.3管波的质点运动规律与能量分布
斯通莱波沿钻孔的轴向传播，具有前推式质点运动轨迹，质点运动轨迹为椭圆。
图2为斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度示意图。
其径向位移是连续的，在井壁处最大，在井壁外呈指数衰减。
其轴向位移不连续，孔液中很大，在井壁外呈指数衰减。
根据研究，管波能量集中在以钻孔中心为中心，半径为个波长的范围内。
1.2.4管波传播过程的能量衰减和频率变化
斯通莱波沿钻孔的轴向传播过程中，能量衰减慢、频率变化小。
经历一定距离的传播，管波能量依然很强。
经历一定距离的传播，管波的频谱与管波源的频谱基本一致。
图3为实测的管波记录，图中可见，管波的孔底反射和岩面反射经过近10m的双程旅行（旅行路径约20m），其能量和频率基本没有明显变化。
图3、实测管波记录中的反射管波
1.2.5管波的反射
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。
考虑管波的传播空间，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。
管波探测法正是利用其中的孔壁波阻抗差异界面的反射，来探测孔旁岩溶及软弱夹层。
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。
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。
1.2.6管波的激发（产生）
孔中流体的任何扰动几乎都能产生管波，管波的初始频率与管波的频率相同。
为此，现在的管波探测法采用超磁致震源等发射脉冲振动的振动源作为震源，并且在脉冲发射的瞬间作为计时的零点开始采集。
根据前述广义的瑞利波的波散特性，在现有的管波频率范围100Hz～5000Hz内，脉冲振动绝大部分能量转换为斯通莱波。
1.2.7管波探测法的探测范围、分辨能力及探测精度
根据波动理论中的半波长理论，管波探测法的探测范围为以钻孔中心为圆心，半径为λ的圆柱状空间,其中λ为管波波长。
考察管波探测时间剖面，各钻孔中管波的波长有所差异，大体上，约为～2.5m，管波探测法的探测半径约为～1.0m。
管波探测法可有效分辨大于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。
应用前提
管波探测法的应用前提是：
1、发射和接收器必须工作在有液体的钻孔内；
2、包围不良地质体的介质为高速介质。
高速介质是指其剪切波波速大于孔液的压缩波速度（水的压缩波速度约为1500m/s）；
3、管波探测法一般应用于灰岩岩溶的探测。
图4、管波探测法的探测装置
2.管波探测方法与技术
工作装置
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4。
图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。
仪器设备
管波仪器设备包括发射机、发射换能器、接收换能器、记录仪器等部分。
其中发射机为能量输出设备，一般采用电容充电，通过电子开关瞬间接通放电的形式工作，要求单次放电量大于100焦耳即可。
发射换能器可用超磁致伸缩棒包装的换能器，或采用涡流驱动的铝板等将电脉冲转化成机械脉冲的换能器。
接收换能器一般采用压电陶瓷水听器，如超声波测桩的水听器即可。
记录仪器采用频率宽度大于100Hz～3000Hz，AD转换器大于16位的测振仪器即可。
野外工作方法
野外工作时，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～，记录长度1024点。
图5、管波探测法观测系统
图5为自激自收观测系统示意图。
采用这种观测系统，来自不同界面的反射管波在时间空间域得以分离，便于解释。
图中每一条振动曲线，为一个测点的振动记录，图中共图示了20个测点。
图中直达管波D、孔底反射R’、溶洞底界反射Rd和溶洞顶界反射Ru可在时空域分离。
数据的处理与解释方法
2.4.1数据的处理
时间剖面的处理较简单，一般进行去零飘处理即可，切忌进行振幅平衡处理。
管波探测法测试得到的记录为自激自收的时间剖面，为了显示方便，一般采用伪彩色剖面形式。
显示方式为，采用红色表示正相位振幅，采用蓝色表示负相位振幅，采用白色表示零相位。
振幅越大，颜色越浓，振幅越小，颜色越淡。
2.4.2数据的解释
管波探测法资料的解释包括两个步骤：
1、确定分层界面。
2、对分层进行地质解释。
其中确定分层界面的方法为：
1、寻找反射管波同相轴，根据同相轴的时距关系确定对应的界面深度；
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，管波时间剖面中只有与（平行于钻孔轴线的）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。
根据现有观测系统，波阻抗差异界面的深度为反射管波同相轴时距曲线与零时间的交点对应的深度；
2、根据管波反射同相轴的视速度变化，确定界面深度。
反射同相轴视速度变化的突变点对应的深度即为界面深度；
根据上述方法确定了分层界面后，根据管波的波速、幅度、频率确定分层界面之间岩土层的类别及工程性质。
管波探测法将孔旁岩土层进行如下分类：
管波探测法对岩土层的地球物理层分类表表1
物探分类
管波异常特征
土层
1、直达波速度低、波组弯曲；
2、无反射管波同相轴穿过。
岩溶发育段
1、直达波能量很弱或不可见；
2、顶底界面反射能量强、频率低；顶底界面反射在本段以外发育；
3、顶底界面以外的反射穿过其顶底界面进入本段，反射能量突然消散。
软弱夹层
1、直达波速度变低、直达波向下弯曲，能量很弱或不可见；
2、顶底界面反射向外的一支能量强、频率低，向内的一支能量弱、频率低、速度变低；
3、顶底界面以外的反射穿过其顶底界面进入本段，反射能量突然变低、频率低、速度变低。
溶蚀裂隙发育
1、直达波速度低、波组弯曲；
2、顶底界面反射波能量低、频率较高、反射密集分布；
3、顶底界面以外的反射穿过其顶底界面进入本段，反射能量突然变低。
节理裂隙发育
1、直达波速度高、能量较稳定；
2、顶底界面反射在层内传播，能量强、速度高，并可能有多次反射。
顶底界面反射无能量消散现象；
3、段内存在多组呈“八”字形的层内反射，层内反射能量低、频率高。
完整基岩
1、直达波速度高、能量稳定；
2、顶底界面反射在层内传播，能量强、速度高，并有多次反射。
顶底界面反射无能量消散现象。
3、段内无反射界面。
图6较好地说明了管波探测法对孔旁岩土层的分类方法。
图6、管波探测资料的地质解释
根据管波探测原理，上述判别准则确定的孔旁岩土层的工程性质如表2。
孔旁岩土层物探分类的工程性质一览表表2
序号
物探分类
工程性质
地质柱状图描述
1
完整基岩段
基岩完整，岩质坚硬，无溶洞。
在厚度达到设计要求时，可作为端承桩持力层。
定名为微风化岩。
岩质坚硬，岩芯完整，呈长柱状。
2
节理裂隙
发育段
基岩较完整，岩质较硬，裂隙发育，无大溶洞。
在厚度和抗压强度达到设计要求时，建议可考虑作为端承桩持力层。
定名为微风化或中风化岩。
岩质较坚硬，岩芯多呈饼状、碎块状或短柱状，节理裂隙发育。
3
溶蚀裂隙
发育段
宏观上表现为基岩，存在溶蚀现象及小的溶洞、裂隙发育，部分包含层厚较小的完整基岩或局部夹有岩状强风化岩。
不宜作为端承桩持力层。
定名为微风化或中风化岩。
岩质较软，岩芯较破碎，多呈饼状、碎块状，岩体裂隙发育，局部夹有岩状强风化岩，钻进时漏水、存在溶蚀现象或半边岩溶。
4
软弱夹层
宏观上表现为基岩，风化程度大，岩体破碎，岩质较软。
不应作为端承桩持力层。
定名为全风化、强风化岩，岩质较软，岩芯多呈土状、半岩半土状。
5
岩溶发育段
宏观上表现为岩溶、及溶蚀裂隙发育，部分包含层厚较小的完整基岩。
严禁作为端承桩持力层。
定名为溶洞或裂隙发育的微弱风化岩，见溶蚀、漏水现象。
6
土层
第四系土层、强风化、全风化岩的统称，不应作为端承桩持力层。
定名为第四系土层、全风化、强风化岩，部分包含规模较小的岩溶、裂隙发育及土洞、溶洞充填物。
影响因素
根据近几年的研究成果，管波探测法的影响因素主要为套管。
当套管材质为钢管时，放入孔中的硬质套管形成一个阻隔体，当发射源在套管内时，管波能量被封闭在套管内，大部分能量不能传递到岩土层中。
当接收换能器位于套管内时，岩土层中传播的管波需穿过套管方可接收，能量损失能大。
故在铁质套管套罩住的测段，由于套管的屏蔽作用，岩土层波组抗差异界面的反射管波能量减弱，管波异常特征不明显，管波探测法解释成果存在很大误差。
当套管材质为PVC管等软质材料时，PVC管的波阻抗与孔液相若，屏蔽作用很小。
但会在管波时间剖面中附加上一条与直达波形态相似的振动干扰，该干扰振动能量强、频率低、延续长度稳定，在直达管波之后到达，到达时间在左右，每道可见。
图7、存在PVC管的管波探测剖面
图7为全孔安装了PVC管的实测管波剖面，剖面中～的波组为PVC管的影响波组。
虽然有PVC管的影响，依然可以见到23.0m～27.3m段的岩溶发育段。
3.应用与效果
应用范围
管波探测法一般应用于岩溶地区桩位岩溶勘察，成果的应用主要包括以下三个方面：
1、彻底探明桩位岩溶发育情况和持力层完整性，确保桩基的稳定和安全，指导桩端高程设计
我国灰岩分布较广，在这些地区进行工程项目的建设，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，常采用嵌岩桩的基础形式。
嵌岩桩桩端的承载力大，对持力岩层的完整性要求高，特别是采用单桩单柱基础时，更是如此。
灰岩地区，岩溶发育，存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体。
为保证嵌岩桩持力层的完整性，在施工阶段，常采用一桩一孔的超前钻探方式进行桩位勘察。
近年来，在基桩抽芯检验时，常发现持力层存在规模较大的溶洞等安全隐患，并发生多起由于地基不稳造成的建筑物下沉甚至倒塌事故。
大量工程实例表明，采用一桩一孔勘察，难以探明桩位范围内的岩溶发育情况，依然存在桩基半边嵌岩、持力层中存在溶洞的风险和隐患。
对岩溶发育复杂地区的大直径桩，工程勘察中，渐渐采用了一桩多孔的超前钻探方式进行勘察，以此期待查明持力层的完整性，力求排除由于桩基不稳致使的安全隐患。
大量工程实例表明，采用一桩多孔勘察，依然难以探明桩位范围内的岩溶发育情况。
在桩位中心的一个勘察钻孔进行管波探测，即可快速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，评价嵌岩桩基桩持力层的完整性，为桩基设计提供直接依据。
“管波探测法”与“一桩多孔”的桩位勘察方式相比较，节省勘察成本，且建设工期、建筑物安全和稳定性更有保障。
图8可很好地说明管波探测法的用途。
在灰岩中存在形态复杂的溶洞，如图中左侧所示。
仅根据钻孔资料（钻孔布置在桩位中心，见图中的钻孔柱状图），设计基桩桩端高程，则持力层内存在溶洞。
在基桩抽芯检测时，该溶洞很可能被揭露，因而会使业主造成直接经济损失和建设工期延误等严重后果。
如根据管波探测法的解释成果（见图右），设计基桩桩端高程，则持力层稳定。
应用管波成果，可以杜绝桩基半边嵌岩、桩底持力层存在溶洞等安全隐患。
图8、管波探测法的探测范围与桩端设计高程
2、指导桩基施工
根据管波探测成果中的岩溶、溶蚀、软弱夹层发育情况，施工过程中提前采取相关措施，可及时避免塌孔、地面塌陷、桩机倒塌等的发生。
3、协助勘察单位确保钻探勘察的质量、降低质量风险
为勘察单位确保勘察的质量
工程实例
管波探测法自2003年底发明以来，至2008年底，累计已经在国内完成近八千个桩位的探测，实施的工程主要见表3。
管波探测法完成的主要工程一览表表3
序
号
工程名称
委托单位
工作量
（桩位）
工程进展
1
广清高速公路与环城高速公路连接线工程
广东省公路勘察规划设计院
51
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
上海市政工程设计研究院
188
竣工通车
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
天津市市政工程设计研究院
96
竣工通车
4
佛山市和顺至北滘公路主干线工程DS13、DS15、DS16、DS17标段
广东省佛山市路桥工程总公司
480
竣工通车
5
佛山市三水二桥
广东省公路勘察规划设计院
30
竣工通车
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
佛山市南海区道路建设管理处
280
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
佛山市南海区道路建设管理处
250
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
广州市地下铁道总公司
188
桩基工程已完工
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
广州市地下铁道总公司
251
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
广东省公路勘察规划设计院
82
桩基工程已完工
11
广西玉林凯旋世纪广场（21层）
广西玉林凯旋世纪广场
144
12
桂林市平山环卫工人廉租房
桂林市市政局
30
13
云（浮）至梧（州）高速公路第4标段
广东云梧高速公路筹建处
278
桩基工程已完工
14
云（浮）至梧（州）高速公路第5标段
广东云梧高速公路筹建处
50
桩基工程已完工
15
云（浮）至梧（州）高速公路第9～11标段
广东云梧高速公路筹建处
369
桩基工程施工中
16
佛山中海金沙湾高层住宅小区
中海地产发展有限公司
435
17
广贺高速贺州段
广贺高速贺州段筹建处
280
18
辽宁大连保税区大窑湾疏港高速公路港区段特大桥
大连市保税区规划土地管理局
116
19
惠州念山至深圳白沙沿海高速公路
惠州惠深岩海公路有限公司
15
20
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补充勘察
广州市地下铁道总公司
350
21
广州市天马丽苑高层住宅小区施工阶段勘察
广州市天马河房地产开发公司
2100
22
广州市花都骏威锦东花园高层住宅小区施工阶段勘察
广州市花都骏威房地产开发公司
200
23
广东江（门）肇（庆）高速公路
广东江肇高速筹建处
500
其中佛山市狮山至和顺公路主干线工程于2004年8月由天津市市政设计研究院设计，共进行了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8、图9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～-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～－33.5m高程段为岩溶发育段，－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～-19.66m发现一处溶洞，四个验证孔的基岩面高程分别为、、、-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～-20.02m，高程-20.02m以下岩石完整。
这与管波探测法解释的高程～-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～-33.55m发现一处溶洞，四个验证孔的基岩面高程分别为、、、-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～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～-33.55m，高程-33.55m以下岩石完整。
这与管波探测法解释的高程～-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，作为桩基持力层是稳定的；
（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9、ZK-Y29钻孔的管波探测成果及其验证
图10、ZK-Y34钻孔的管波探测成果及其验证
4.结束语
目前，管波探测法的规范正在研究和酝酿之中，正在争取成为行业规范。
管波探测法对孔旁洞穴的探测尚未解决孔旁溶洞位于钻孔的哪个方位及孔旁洞穴到钻孔的距离等问题。
对于方位问题，于基桩持力层的选择意义不大。
至于距离问题，估计可通过改变管波频率的方法解决，目前正在研究之中。
5.参考文献
[1].谢里夫、.吉尔达特着《勘探地震学》，石油工业出版社出版；
[2]饶其荣，李学文，用于探测孔旁溶洞的管波探测法，地质与勘探，2004增刊；
[3]李学文，郭金根，饶其荣，桩位岩溶探测新技术——管波探测法，工程地球物理学报，2005，第2卷第2期，129-133；
[4]李学文等，管波及其工程应用。
物探与化探，2005年05期。
[5]程东海，王怀志，吴辉，管波探测法在广州地铁中的应用，工程地质学报，2006年增刊；
[6]沈建国着《应用声学基础——实轴积分法及二维谱技术》，天津大学出版社；
[7]张玉池等，软弱夹层的管波特征。
物探与化探，2007，第31卷增刊。
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