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管波探测法对施工勘察工程的应用

2020-09-28 09:32:22

岩溶地区的基桩勘察一直是高速公路勘察的重难点,“一桩一孔”或“一桩多孔”的勘探方法在岩溶基桩勘察设计中多被采用[1]。而施工勘察若采用“一桩一孔”进行钻探,基桩范围内岩溶发育情况难以详细查明,可能致使持力层存在溶洞、软弱夹层、半边岩等不良地质现象,产生安全隐患;按照“一桩+多孔”进行钻探,其勘探成本高,工期长,亦存在无法详细查明孔间的不良地质现象的风险[3]。管波探测法[2]是在钻孔中利用“管波”作为媒介[5],探测以钻孔为中心一定半径内是否存在溶洞、软弱夹层等不良地质现象并查明其垂直分布情况[4]的方法。在施工勘察中设计采用“一桩一孔+管波”的勘探方法,较之常规方法,其勘探成本低,工期较短,并且能为基桩设计提供准确可靠的地质资料。阳和南路下穿通道施工勘察成功地将管波探测法应用到岩溶地区基桩勘察中,为基桩的设计和施工提供了安全保障。

1管波探测法

1.1管波探测法的工作原理

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。管波在钻探形成的圆柱状空间内沿轴向做前推式传播,其质点运动轨迹在孔内轴向切面内为一系列椭圆,以钻孔为中心一定半径内均为管波有效探测范围,在其中遭遇任何波阻抗的变化,管波都会发生反射,而这种波阻抗变化的产生必定是由于钻孔旁侧存在土洞、岩性差异、溶洞、软弱夹层等不良地质体。因而可通过分析反射管波,详细查明孔旁不良地质体的发育情况,如图1所示。

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1.2管波探测法技术方案

(1)钻孔在完成钻探后(结合场地地层情况分析,适当增加持力层设计厚度,以防止桩底沉渣导致测试段不满足设计要求),清孔,钻机等待管波探测。(2)管波探测结束后,现场进行处理探测成果资料及分析时间剖面图。如分析表明测试段满足持力层设计要求,即可终孔;如时间剖面图显示钻探揭露的完整基岩段存在不良地质体,则钻探不能终孔,返回di一步,根据分析成果确定需要加深的深度。(3)结合钻探成果及管波探测结果具体分析,选择基桩最终持力层。经统计,在本次施工勘察中,经过一个循环即可达到要求的占2/3,其余皆为两次流程后达到要求。可见通过循环以流程均能找到满足设计要求的持力层。

1.3管波探测法的优点

在施工勘察阶段,“一桩一孔”或“一桩多孔”的钻探方法多被运用于工程勘察当中。“一桩一孔”存在遗漏孔旁岩溶的风险;“一桩多孔”投入高,工期长,而且其配合使用的物探手段中,跨孔CT法费用高、耗时长,孔中地质雷达法存在无法解释的假异常,受经验影响较大,孔底地质雷达设备昂贵,依赖进口。在本工程当中,采用“一桩一孔+管波”的勘察方案,相对于工程上传统采用的“一桩一孔”或“一桩多孔”的勘察方案具有以下优点:(1)施工工期短,成本低。(2)勘察成果快速准确,隐患少。(3)管波仪器设备轻便,对使用人员技术要求低,现场只需配备2~3名探测人员,任何施工环境均可采用。

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1.4管波探测法实施过程中存在的问题及解决措施

1.4.1管波探测法实施过程中存在的问题在施工勘察期间,现场操作管波探测时遇到以下三种情况:(1)管波探头下至钻孔底部过程中,或遇卵石、基岩碎石、流砂沉底等情况,都可能会导致探头无法拉出或无法下至钻孔底部,终造成探测无法顺利进行。(2)管波探测需有孔液作为介质,如遇钻孔岩面处度破碎且施工地区地下水缺乏,或导致孔内无介质,无法进行管波探测。(3)钢套管对管波探测有隔绝效果,若工程地段地质条件复杂,同一钻孔存在多个溶洞,并在溶洞上部有两段或多段完整基岩段满足设计要求,对基桩持力层的选择无确定性,可能造成基桩过长或溶洞无法查明。1.4.2解决措施针对施工勘察期间发现的问题提出以下解决措施:(1)钻探过程中需将套管下至溶洞底部,防止土层及溶洞填充物滑落;钻探终孔时,需再次进行清孔,以保证探头下至完整基岩段底部。(2)清孔后拔出钻具,将水管深入钻孔底部将水灌入,在探测过程中持续灌水,以保证孔内介质充足,完成管波探测。(3)在进入岩层后,如岩体破碎,可直接将钢套管下至溶洞底部;若岩体完整,但在完整基岩段下部出现溶洞,可采用钢套管只隔离溶洞段,完整基岩段不隔离或采用PUC塑料管防护基岩段的方法,以保证管波完整地探测钻孔基岩的完整性,为基桩持力层的择优提供更多的选择。

2管波探测法的应用实例

2.1工程概况

阳和南路拟下穿泉南高速公路,故泉南高速公路由路堤改为桥梁,桥梁设计桥长为90.08m,基桩设计直径为1.8m。桥位区工程地质条件复杂,岩溶强发育。在对12根基桩以“一桩五孔”进行勘察后,发现基桩范围内还是存在未被揭露的不良地质体。出于对成本和工期等因素的考虑,经过多方调研和咨询,决定采用“一桩一孔+管波”对桥位区剩余基桩进行施工勘察。

2.2管波探测法的实施过程

在本次施工勘察中共计采用“一桩一孔+管波”测试21根基桩,基桩持力层在结合钻探及管波探测成果具体分析后进行择优选择。统计资料显示,上部覆盖层多在25~30m,覆盖层有填土、黏土、粗砂、卵石,基桩均发育有岩溶,溶洞埋藏深度具有随机性,部分桩位存在串珠状溶洞(溶洞数量1~10个不等,溶洞大小0.2~2m不等),单层溶洞zui大达15m。管波探测成果分析,部分桩有岩溶范围增大的现象或钻探完整基岩段有不良地质现象,采取验证钻探孔的方式进行成果验证。时间剖面图显示:有岩溶而未被发现的有6根基桩,占已测桩位的28%,其中洞径范围为1~3.6m;有7根基桩已被揭露的岩溶中发现有岩溶范围增大的情况,占已测桩位的33%,增大范围在0.3~1.6m不等;需要进行加深的共有2个桩孔,占已测桩位的9.6%,共加深厚度为15m。本次施工勘察共计挑选了9根地质条件复杂的基桩进行了验证。

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2.3分析讨论

以0a-8#基桩为例:在35.8~37.2m及38.3~41.0m位置处揭露了两个溶洞,洞径分别为1.4m、2.7m。利用管波进行探测后,从时间剖面分析,分别在45.2~45.8m、46.4~47.4m、56.1~56.9m、57.5~58.1m等四段发现有岩溶发育,厚度分别为0.6m、1.0m、0.8m、0.6m。对此,对2a-8#基桩进行验证,验证钻孔揭露出两处溶洞,位置分别为35.9~37.0m、38.4~40.8m,洞径分别为1.1m、2.4m。其中揭露40.8~47.4m段为基岩破碎段,发育有大量溶蚀现象。经过验证孔表明,“一桩一孔+管波”具有可靠性(如图2所示)。

3管波探测法的评价

3.1经济效益评价

在本项目共计测试21根桩,按本项目地层假定平均孔深50m,如果按“一桩五孔”的勘察手段进行勘察,21根桩共计需要布置105个勘察钻孔,共计工作量为5250m,需花费约95万元;而采用“一桩一孔+管波”的勘察手段,本项目实际共布置了30个钻孔,共计工作量为1500m,加上管波探测投入的费用,共计约48万元,节省49%。

3.2工期效益评价

管波测试每孔耗时约30min,基本无影响。在本项目当中,平均完成一个钻孔需要用时5d(正常情况下,施工期间无套管断裂、掉钻、卡钻、机器维修等情况),由于场地原因,只能满足7台钻机同时施工,平均一台钻机完成3根基桩。如采用“一桩五孔”的勘察手段,需用时75d;采用“一桩一孔+管波”的勘察手段,只需用时15d,本项目中实际用时为25d(期间有验证孔的施工及施工不正常等影响因素)。通过上述分析,采用“一桩一孔+管波”的勘察手段,可节约至少50d的工期。

3.3风险分析

采用“一桩五孔”的勘察手段,虽然能在桩径范围内密集地钻探以查明岩溶发育、软弱夹层、裂隙等不良地质,但五孔之间仍然存在间隔,钻孔之间可能存在纵向裂隙、洞径<20cm的纵向分布溶洞等不良地质。但采用管波探测法,可以有效查明桩径范围内的不良地质。

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