中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308

相较于传统孔中物探方法（如跨孔CT法、孔中地质雷达法等），管波探测法具有可靠性高、分辨能力强、易于解释、设备轻便等优点，近年来被广泛应用于灰岩地区嵌岩桩基础的岩溶探测[1]和基桩完整性检测[2-3]，可以有效弥补传统物探方法的不足，已经被列入行业标准《城市工程地球物理探测标准》（CJJ/T 7—2017）。管波探测法由广东省地质物探工程勘察院饶其荣、李学文于2003年提出，同年申请国家发明专利[4]。管波探测法具有良好的应用效果和前景，但是其应用仍然存在一定局限性。文章结合管波探测实际工程案例，对其应用效果进行探讨。

1 管波探测法概述

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[5]。常见的管波有斯通利波和准瑞利波两种类型，和其他类型的波动一样，管波在孔中传播过程中，除了在孔径变化、孔底和孔液表面处产生反射，在管波有效探测范围内的任何波阻抗变化界面会也发生发射。管波探测法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。管波探测法的有效探测半径为1.0～2.0m，可分辨大于0.3m的孔旁洞穴，对洞穴的垂向定位误差小于0.3m，具有非常高的探测精度。

管波探测法的探测装置如图1所示。将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测试钻孔中，在某一深度位置，发射仪发射同一主频的脉冲信号，发射换能器产生的震动与孔液作用，在孔液和孔壁上产生管波，记录仪同步记录接收换能器输出的振动信号。然后改变探测深度，这样即可得到按深度排列的时间剖面。通过对时间剖面的分析，判别溶洞、溶蚀裂隙和软弱夹层的存在及其顶底埋深[6]。管波探测法判断异常依据主要表现为两种：一种是在界面处具有明显的管波反射，另一种是在不良缺陷处具有管波能量衰减[2]。

图1 管波探测法工作装置示意图

根据管波探测机理和以往工程实例，管波探测法主要用于灰岩地区桩位岩溶探测、基桩完整性检测和地质勘察等三个领域。由于该方法探测半径范围较小，因此在实际工程中前两个领域应用更为广泛。

（1）桩位岩溶探测。在对嵌岩桩进行基桩勘察时，一般采用一桩一孔的钻探方式，对于大直径嵌岩桩，这样一般会遗漏孔旁的岩溶，产生基桩半边嵌岩的现象。根据管波探测法在桩位中心钻孔进行探测，即可查明桩径范围内是否存在岩溶和软弱夹层，确定持力层的完整情况，在指导基桩设计和施工方面具有良好的应用效果，探测结果可以为设计确定桩端位置提供可靠的指导依据[5]。

（2）基桩完整性检测。近年来，管波探测法逐渐应用于基桩完整性检测。在进行桩身缺陷检测时，当桩的声测和动测与钻芯法检验出现争议时，可利用管波探测法进行验证检测，对评价桩身完整性提供可靠的依据。而且管波探测法具有快速、全面、准确和探测范围广等优点。

2 工程应用实例

广西灰岩地区某个在建火车站共完成25个桩位钻孔的管波探测工作，外业数据采集使用国内自主研发的TTS3型一体化管波探测仪，运用自激自收观测系统，收发探头间距为0.6m，测点间距为0.1m，测试方向从下至上进行。下面以19-BZ-35-2号和19-BZ-35-4号钻孔为例，对其应用效果进行讨论。

19-BZ-35-2号钻孔深度为25m，管波探测成果解释如图2所示，管波时间剖面显示在地面以下11.2～12.7m深度管波能量变弱，推断存在岩溶发育区，与钻孔揭露溶洞（地面以下11.4～12.5m）位置吻合，规模稍偏大。19-BZ-35-4号钻孔深度为20m，钻孔未揭露溶洞，管波探测成果解释如图3所示，管波时间剖面显示在地面以下10.7～12.1m深度存在岩溶发育区，应业主要求，在该钻孔周围均匀布设4个验证孔，验证孔距离该钻孔中心均为0.6m，其中一个验证孔在10.5～12.4m深度揭露溶洞，其他3个验证孔岩芯完整，未揭露溶洞，说明了管波探测的可靠性。

图2 19-BZ-35-2号钻孔管波探测成果解释图

图3 19-BZ-35-4号钻孔管波探测成果解释图

以上工程实例说明管波探测具有较高的准确率，但同时也暴露了其应用的局限性。第一，19-BZ-35-4号钻孔探测结果说明，管波探测不能判别孔旁洞穴具体位于钻孔哪个方向以及到钻孔的准确距离，对于这个问题的解决方法，目前尚在进行理论研究。第二，从图2可以看出，管波在0～6.8m深度时能量衰减迅速，接收器接收到的信号非常弱，无法判断岩溶异常，说明无孔液段管波法探测效果较差。根据管波探测法的基本原理可知，管波的激发和传播依赖于液体介质，因此发射器和接收器必须在有液体的钻孔内进行，并且液体应和围岩直接接触，中间不能有空隙。在工区地下水位较低的地质条件下，如果钻孔附近溶蚀破碎比较发育，孔中无法充满液体时，管波探测的使用就变得没有意义。例如，湖北恩施青云崖空铁勘察项目工区位于岩溶比较发育的灰岩地区，工作方案将管波探测法作为基桩岩溶探测和持力层评价的一个重要勘察手段，但在实际工作中钻探未见水位线，且大部分钻孔周围岩体溶蚀破碎发育，孔中无法充填液体，整孔深度时间剖面和图2中0～6.8m段类似，导致管波探测法在该工区中应用受限。

3 结论

（1）通过以上讨论可知，管波探测法在实际工程中具有良好的应用效果和前景。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。

（2）由于管波探测法原理的局限性，在实际应用中有两点值得重视和借鉴：一是其探测半径有限，且探测到的孔旁岩溶异常不具有方向性；二是其探测效果受场地地质条件影响较大，地下水位以下探测效果较好，地下水位以上探测效果变差。