CN1245637C

CN1245637C - 管波探测法

Info

Publication number: CN1245637C
Application number: CN 200310112325
Authority: CN
Inventors: 饶其荣; 李学文
Original assignee: Individual
Current assignee: Chen Suwen; Li Xuewen
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2023-11-25
Also published as: CN1544934A

Abstract

本发明公开一种管波探测法，把发射仪的发射换能器和记录仪的接收换能器相间隔放入有孔液的钻孔中，同时移动发射换能器和接收换能器改变探测位置，在每个探测位置发射仪发射同一主频的脉冲信号经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，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；根据对时间剖面的分析，即可判别洞穴和软弱夹层的存在，及其它们的顶底深度。本发明为建筑物的基础设计和施工提供准确的地质资料；具有精度高、分辨能力强、不会出现假异常、工期短、仪器设备投资少、探测费用低等优点。

Description

管波探测法

技术领域

本发明涉及一种工程物探方法，尤其是涉及一种用于探测钻孔孔旁一定范围内的洞穴(土洞、溶洞)、软弱夹层等不良地质体的管波探测法。

背景技术

工程物探方法是国内外广泛使用的对建设场地进行勘察的手段。工程物探的主要用途是勘察场地内地层的物理分层情况、不良地质体(如断层、裂隙、风化凹槽、软弱夹层、含水破碎带、洞穴、土洞、岩溶、地下河等)的规模大小、状态及分布特征，获取岩土层的物理参数等，其分辨能力与探测精度与探测装置到目的物的距离成正比。按工作装置所处的场所，工程物探可划分为地面物探和孔中物探。地面物探的探测装置布设在大地表面，探测的目的体在探测装置下方，地面以下。其主要优点是工作效率高，无需钻孔，勘察成本低，主要缺点是受地表干扰物的干扰等，同时，对于深部的目的体，分辨率较低。孔中物探的探测装置布设于钻孔中，探测的目的体在探测装置旁侧。其主要的优点是探头可深入地下、少受或不受地表干扰因素的影响，对孔旁目的体的分辨率较高，主要的缺点是需有钻孔，成本较高，并且探测装置尺寸受钻孔口径的限制。孔中物探也可分为跨孔法和单孔法，跨孔法可勘察钻孔之间地下目的体的分布情况，单孔法可勘察孔旁地下目的体的分布情况。

现时的跨孔物探方法主要有跨孔地震测井(纵波或横波)、跨孔透射(如地震波、电磁波等)、跨孔层析成像(CT)(如弹性波CT、电磁波CT、电阻率CT等)。

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、超声波)、放射性测井(如γ测井、γ-γ测井、中子测井等和能谱测井等)、电测井(如电阻率测井等)、孔中电视(摄像)、电磁测井(如孔中雷达)。

除孔中雷达外，其他单孔物探方法的目的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，并且分辨率较高，但是孔中雷达设备的价格昂贵，单价在50万元以上，依赖进口。孔中雷达探测得到的雷达图像中包含较多与目的物无关的反射(假异常)，容易导致错误的解释结果。其图像资料的解释需要非常丰富的经验。

建(构)筑物的基础通常采用桩基础，在石灰岩地区，岩溶现象发育，地下存在土洞、溶洞、软弱夹层等不良地质体。选择基桩持力层是建筑结构工程师、岩土工程师必需考虑的关键问题。端承类基桩一般嵌入完整基岩，同时必需保证桩端以下几倍桩直径以内是稳定的完整基岩。为此，地质勘察工作必需查明桩端及以下几倍桩直径范围内是否存在溶洞。通常的做法是通过一桩一孔或一桩多孔的超前钻探进行勘察。在石灰岩地区，结构工程师及岩土工程师们已意识到一桩一孔是不足够的，往往进行一桩多孔或在建筑场地岩溶发育区中进行整区的跨孔CT勘察工作。这样就使得勘察成本几倍的增加，同时影响工期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用“管波”这种弹性波作为工作媒介的新的弹性波测井方法，即管波探测法。能通过在桩中心的一个钻孔进行探测，精确探测到钻孔中心到等于或大于桩基直径的圆柱状范围内是否存在岩溶和软弱夹层，以便指导桩基设计、施工，保证桩基选择稳定的桩端持力层；同时能节省勘察成本，缩短工期。

根据R.E.谢里夫和L.P.吉尔达特撰写的《勘探地震学》(石油工业出版社出版)，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，一种是斯通莱波(Stoneley waves)，沿孔壁传播，并在围岩中呈指数衰减；另外一种是准瑞利波，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)。

斯通莱波波散度轻，相速度和群速度都接近于0.9V_pf，其中V_pf为孔内流体的纵波速度。准瑞利波有一个最低频率，低于该频率的波不存在，在该频率处其速度等于围岩的横波速度V_sr，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，斯通莱波和准瑞利波的波速都趋于围岩中的横波速度。

两种类型管波均具有前推式的质点运动轨迹，在轴向切面内是一系列椭圆。在钻孔中心，径向位移是0，在孔壁处，径向位移达到最大值。在孔壁上位移是连续的，但在围岩中迅速衰减。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。

孔中流体的任何振动，几乎都能产生管波，在地震勘探中，最常见的是地滚波(面波)穿过充满孔液的井口，导致管波的产生。管波的初始频率和管波源的频率相同。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。

斯通莱波在常用的地震测井，如垂直地震剖面(VSP)中是一种强干扰波。在地震测井的振动曲线中，斯通莱波的能量比直达纵波、直达横波的能量大一个数量级。准瑞利波会对声波测井造成干扰。和其它类型的波动一样，当波阻抗发生变化时，管波也会产生反射。

当孔的切面积从a₁变化到a₂，反射系数(R)和透射系数(T)分别是：

R = \frac{a_{2} - a_{1}}{a_{2} + a_{1}}, T = \frac{2 a_{1}}{a_{2} + a_{1}}

在孔的流体顶面，反射系数R＝-1，而在孔的底面，反射系数R＝+1。在孔中检波器的表面和孔径变化处，都会产生反射。

地滚波，或称为面波、瑞利波，以前被认为是地面地震勘探的一种强干扰波，现时已被利用为一种地面勘探方法，在工程勘察中常常使用。管波和地滚波一样，常被认为是井中地震勘探的一种强干扰波。

从上述的理论分析可以得出：

a.由于管波在孔液和孔壁以外一定范围内沿轴向传播，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。

b.管波的探测范围与管波的频率有关，可通过改变管波源的频率来改变管波的探测范围。

c.管波除在孔径变化、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。而这种波阻抗的变化必定是由于钻孔旁侧的不良地质体(如土洞、溶洞、软弱夹层)的存在造成的。因而可通过分析管波的反射波来确定钻孔旁侧是否存在不良地质体。

d.管波的传播速度除与孔液的纵波波速有关外，还与围岩的横波波速密切相关，因而可通过管波传播速度的变化来探测围岩风化程度的变化和分析围岩裂隙的发育程度。

e.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，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。

本发明正是利用这种波作为工作媒介，对钻孔旁侧未被钻探发现的土洞、溶洞、软弱夹层等不良地质体进行探测。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：把发射仪的发射换能器和记录仪的接收换能器相间隔放入有孔液的钻孔中，同时移动发射换能器和接收换能器改变探测位置，在每个探测位置发射仪发射同一主频的脉冲信号经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，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；改变发射仪的发射频率，重复不同深度探测点的探测；根据对这些时间剖面的分析，即可判别洞穴和软弱夹层的存在，及其它们的顶底深度。

本发明的异常判别依据为：

1、时间剖面中直达波以后出现明显的能量很强的倾斜的反射波组(一般为直线型，但洞穴边界的不规则可引起反射波组同相轴的局部弯曲变化)，波组的视速度稳定，这种特征可作为判定孔旁存在洞穴的判别依据；能量很强的倾斜的反射波组即为洞穴边界处的反射管波，洞穴的顶底界面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；时间剖面中直达波以后不存在倾斜的直线型反射波组，这种特征可作为判定孔旁基岩完整即孔旁不存在洞穴的判别依据；

2、时间剖面中直达波以后出现明显的能量比较强的倾斜的反射波组，波组的视速度稳定，但直达波组的同相轴明显向时间增大方向弯曲，这种特征可作为判定孔旁存在软弱夹层的判别依据；倾斜的直线型反射波组即为软弱夹层顶底界面的反射管波，软弱夹层顶底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。

本发明所述的发射仪为带有同步触发信号输出的任何脉冲信号源，其发射脉冲频带应宽于100Hz～4000Hz；所述的记录仪为带有同步触发信号输入的任何信号记录仪，如地震仪、基桩动测仪、声波检测仪；记录仪的通频带应宽于100Hz～4000Hz；所述发射换能器及接收换能器可使用任何电压—振动换能器，换能器的通频带应宽于100Hz～4000Hz。

本发明还可通过改变发射仪发射的主频，或(和)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；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。

本发明振动记录的具体步骤为：

1、把发射换能器和接收换能器相间隔置于孔液中，不贴壁，发射换能器可位于接收换能器的上方或下方；

2、发射仪发出一脉冲信号，驱动发射换能器产生一振动，与孔液作用，在孔液和孔壁上产生管波，发射仪发出一同步触发信号给记录仪，触发记录仪，记录仪开始记录接收换能器中输出的振动信号，记录仪应记录足够时间长度的全波列，即完成了一次探测的一个探测点的数据采集工作；

3、把发射换能器和接收换能器同时移至下一探测点，重复上述工作，直至钻孔中需测试段所有探测点均完成；把该次探测不同深度位置探测点采集的振动记录按深度排列，可得到时间剖面；

4、调节发射仪或(和)变换发射换能器，改变发射管波的主频进行另一次钻孔中需测试段所有探测点的探测，得到不同探测范围半径的时间剖面。

本发明同一次探测中发射换能器和接收换能器之间的距离应固定不变。

本发明时间剖面中每一道的振动波形信号的测试深度为探测装置中心点的深度。

与现有的探测孔旁洞穴(土洞、溶洞)、软弱夹层等不良地质体的探测方法主要有跨孔CT、孔中雷达等相比，本发明的优点在于：

(1)、精度高、分辨能力强，一般不会出现与目的物无关的假异常，不会导致错误的解释结果；

(2)、工期短；

(3)、仪器设备投资少，探测费用低；

(4)、弹性波速度是评价岩土层软硬程度的指标之一，与岩土工程关心的探测目的体的力学性质有很好的对应关系，与孔中雷达测定的电性差异相比，对应关系明确；

附图说明

图1为本发明进行数据采集时的示意图；

图2为实施例一中设计基桩的钻孔分布图；

图3为图2中所示的钻孔柱状图；

图4为采用本发明方法对图3中所示的钻孔ZK28进行探测后获得的时间剖面；

图5为采用本发明方法对图3中所示的钻孔ZK29进行探测后获得的时间剖面；

图6为实施例二的钻孔柱状图；

图7为采用本发明方法对图6中所示的钻孔ZK12a进行探测后获得的时间剖面；

图8为对图7所示的时间剖面的解释结果。

具体实施方式

实施例一工程A

1、工程概况：

工程为高层住宅小区，场地地处灰岩地区，岩溶发育，工程地质条件极为复杂，基岩面起伏很大，场区遍布溶洞。故业主和设计单位设计采用在一桩一孔超前钻的基础上，每桩新增三个超前钻孔的方法，希望查明基桩桩孔范围内溶洞的发育情况及基岩面的起伏形态。新增超前钻孔与原有钻孔的对比分析表明，由于岩溶发育，即使两探孔距离0.7米，基岩面高差就有15米。这给桩基的设计和施工造成极大的困难和风险。在施工阶段，在小区中部分基桩应用本发明方法探测桩底岩溶。由于每桩有四个钻孔(见图2、3)，距离很近，钻孔资料可很好地检验本发明管波探测法的探测效果。

2、仪器设备：

发射仪：国产单次发射脉冲信号源；

发射换能器：国产压电陶瓷发射换能器；

记录仪：美国Geometric公司生产的R24浅层地震仪；

接收换能器：国产压电陶瓷式水听器

3、成孔：

测试段口径91mm；大于发射器和接收器的直径；

泥浆孔液；

土层及溶洞段采用钢套管护壁。

4、测试：

发射换能器S和接收换能器R间距：0.6m；

探测点距：0.10m；

记录仪通带：全通(3～4000Hz)；

记录仪采集间隔：31.25μs，采样长度1024(32ms)；

发射换能器S在下，接收换能器R在上，在同一发射频率下从底至上逐点探测(见图1)；再改变发射频率，重复从底至上逐点探测。

5、资料处理

将各点测试的振动波形信号按深度重排后，显示时间剖面(见图4、图5)，剖面中的灰色为振动波形的正相位，黑色为振动波形的负相位，白色为振动波形的零相位，颜色越深，振动幅度越大。

6、探测结果分析

该桩直径1600mm，原有钻孔K69，需要增加超前钻ZK27、ZK28、ZK29三孔，钻探时按ZK29、ZK28、ZK27的顺序进行，在各孔终孔后即进行探测。ZK29、ZK28两测试完成后，在处理得到的ZK29孔管波探测法时间剖面中除基岩面附近之外，在CDP20～CDP30(高程范围：-27.9～-26.9m)处可见明显的能量很强的反射管波，而本孔和已有的K69孔在该处未发现溶洞。根据本发明管波探测法解释该处孔旁存在溶洞。在处理得到的ZK28孔管波探测法时间剖面中除基岩面附近及本孔钻探发现的溶洞顶底界面附近之外，在CDP20(高程-27.1m)处可见明显的能量很强的反射管波，而本孔和已有的K69孔、K29孔在该处未发现溶洞。与ZK29孔一样，根据本发明管波探测法解释该处孔旁存在溶洞。在K27孔终孔时发现，根据ZK29、ZK28两孔本发明管波探测法解释的孔旁溶洞见于ZK27孔高程-27.17～-26.57m处。

本工程在4根基桩上共进行了7个钻孔的管波探测法试验。分析全部管波探测法时间剖面表明：

a、在所有岩土分层界面(基岩面、溶洞顶底界面)、孔液顶面、孔底附近均可测得明显的能量很强的反射管波。反射管波视速度稳定、随距离的衰减很慢。

b、管波探测法解释的孔旁溶洞，大部分在同一基桩中的其他钻孔中证实。未证实的，亦发现钻孔中漏水、裂隙发育、岩芯破碎等孔旁存在溶洞的迹象。

实施例二工程B

1、工程概况：

工程为高速公路的高架桥，位于广州市西北郊，场地地处灰岩地区，岩溶发育，工程地质条件复杂，基岩面起伏很大，场区存在溶洞，基岩中存在软弱夹层。设计单位设计采用在一桩一孔超前钻的基础上，开展管波探测法，探测桩底岩溶和软弱夹层，钻孔柱状图如图6所示。本实施例二使用的仪器设备、钻孔、测试、资料处理方法与上述实施例一工程A相同。其中本实施例二ZK12a孔的时间剖面及其解释结果见图7、图8。

2、探测结果分析

ZK12a孔于高程-5.45m处入岩，至高程-13.16m处终孔，钻孔内岩石完整，未发现溶洞。在管波探测法时间剖面中的-2.5m处(位于土层内)、-5.5m处(基岩面附近)和-9.0m附近均发现明显的反射管波，其中-9.0m附近的能量很强。根据管波探测法解释该处孔旁岩溶发育(由多个小溶洞组成的区域称为岩溶发育区)，溶洞顶底界面高程-8.46m、-9.46m，基桩施工已证实该溶洞的存在。

Claims

1、一种管波探测法，其特征在于：把发射仪的发射换能器和记录仪的接收换能器相间隔放入有孔液的钻孔中，同时移动发射换能器和接收换能器改变探测位置，在每个探测位置发射仪发射同一主频的脉冲信号经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，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；改变发射仪的发射频率，重复不同深度探测点的探测；根据对这些时间剖面的分析，判别洞穴和软弱夹层的存在，及其它们的顶底深度。

2、根据权利要求1所述的管波探测法，其特征在于异常判别依据为：

a、时间剖面中直达波以后出现明显的能量很强的倾斜的反射波组，波组的视速度稳定，这种特征作为判定孔旁存在洞穴的判别依据；能量很强的倾斜的反射波组即为洞穴边界处的反射管波，洞穴的顶底界面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；时间剖面中直达波以后不存在倾斜的直线型反射波组，这种特征作为判定孔旁基岩完整即孔旁不存在洞穴的判别依据；

b、时间剖面中直达波以后出现明显的能量比较强的倾斜的反射波组，波组的视速度稳定，但直达波组的同相轴明显向时间增大方向弯曲，这种特征作为判定孔旁存在软弱夹层的判别依据；倾斜的直线型反射波组即为软弱夹层顶底界面的反射管波，软弱夹层顶底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。

3、根据权利要求1所述的管波探测法，其特征在于：所述的发射仪为带有同步触发信号输出的脉冲信号源，其发射脉冲频带为100Hz～4000Hz；所述的记录仪为带有同步触发信号输入的信号记录仪，记录仪的通频带为100Hz～4000Hz；所述发射换能器及接收换能器使用电压—振动换能器，换能器的通频带为100Hz～4000Hz。

4、根据权利要求1所述的管波探测法，其特征在于通过改变发射仪发射的主频，或/和更换发射换能器，重复所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；根据对这些时间剖面的分析，判别洞穴和软弱夹层不良地质体与钻孔中心的距离。

5、根据权利要求1或4所述的管波探测法，其特征在于振动记录的具体步骤为：

a、把发射换能器和接收换能器相间隔置于孔液中，不贴壁，发射换能器位于接收换能器的上方或下方；

b、发射仪发出一脉冲信号，驱动发射换能器产生一振动，与孔液作用，在孔液和孔壁上产生管波，发射仪发出一同步触发信号给记录仪，触发记录仪，记录仪开始记录接收换能器中输出的振动信号，记录仪应记录足够时间长度的全波列，即完成了一次探测的一个探测点的数据采集工作；

c、把发射换能器和接收换能器同时移至下一探测点，重复上述工作，直至钻孔中需测试段所有探测点均完成；把该次探测不同深度位置探测点采集的振动记录按深度排列，得到时间剖面；

d、调节发射仪或/和变换发射换能器，改变发射管波的主频进行另一次钻孔中需测试段所有探测点的探测，得到不同探测范围半径的时间剖面。

6、根据权利要求5所述的管波探测法，其特征在于：同一次探测中发射换能器和接收换能器之间的距离固定不变。

7、根据权利要求5所述的管波探测法，其特征在于：每个探测点之间为等距离。

8、根据权利要求5所述的管波探测法，其特征在于：时间剖面中每一道的振动波形信号的测试深度为探测装置中心点的深度。