管波探測法的制作方法

專利名稱:管波探測法的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種工程物探方法，尤其是涉及一種用于探測鉆孔孔旁一定范圍內的洞穴(土洞、溶洞)、軟弱夾層等不良地質體的管波探測法。
背景技術：
工程物探方法是國內外廣泛使用的對建設場地進行勘察的手段。工程物探的主要用途是勘察場地內地層的物理分層情況、不良地質體(如斷層、裂隙、風化凹槽、軟弱夾層、含水破碎帶、洞穴、土洞、巖溶、地下河等)的規模大小、狀態及分布特征，獲取巖土層的物理參數等，其分辨能力與探測精度與探測裝置到目的物的距離成正比。按工作裝置所處的場所，工程物探可劃分為地面物探和孔中物探。地面物探的探測裝置布設在大地表面，探測的目的體在探測裝置下方，地面以下。其主要優點是工作效率高，無需鉆孔，勘察成本低，主要缺點是受地表干擾物的干擾等，同時，對于深部的目的體，分辨率較低。孔中物探的探測裝置布設于鉆孔中，探測的目的體在探測裝置旁側。其主要的優點是探頭可深入地下、少受或不受地表干擾因素的影響，對孔旁目的體的分辨率較高，主要的缺點是需有鉆孔，成本較高，并且探測裝置尺寸受鉆孔口徑的限制。孔中物探也可分為跨孔法和單孔法，跨孔法可勘察鉆孔之間地下目的體的分布情況，單孔法可勘察孔旁地下目的體的分布情況。
現時的跨孔物探方法主要有跨孔地震測井(縱波或橫波)、跨孔透射(如地震波、電磁波等)、跨孔層析成像(CT)(如彈性波CT、電磁波CT、電阻率CT等)。
現時的單孔物探方法主要有彈性波測井(如PS測井、聲波測井、超聲波)、放射性測井(如γ測井、γ-γ測井、中子測井等和能譜測井等)、電測井(如電阻率測井等)、孔中電視(攝像)、電磁測井(如孔中雷達)。
除孔中雷達外，其他單孔物探方法的目的主要是獲取孔壁巖土的物理參數、輔助鉆探進行地質分析，孔中雷達可探測到孔旁目的體的分布情況，并且分辨率較高，但是孔中雷達設備的價格昂貴，單價在50萬元以上，依賴進口。孔中雷達探測得到的雷達圖像中包含較多與目的物無關的反射(假異常)，容易導致錯誤的解釋結果。其圖像資料的解釋需要非常豐富的經驗。
建(構)筑物的基礎通常采用樁基礎，在石灰巖地區，巖溶現象發育，地下存在土洞、溶洞、軟弱夾層等不良地質體。選擇基樁持力層是建筑結構工程師、巖土工程師必需考慮的關鍵問題。端承類基樁一般嵌入完整基巖，同時必需保證樁端以下幾倍樁直徑以內是穩定的完整基巖。為此，地質勘察工作必需查明樁端及以下幾倍樁直徑范圍內是否存在溶洞。通常的做法是通過一樁一孔或一樁多孔的超前鉆探進行勘察。在石灰巖地區，結構工程師及巖土工程師們已意識到一樁一孔是不足夠的，往往進行一樁多孔或在建筑場地巖溶發育區中進行整區的跨孔CT勘察工作。這樣就使得勘察成本幾倍的增加，同時影響工期。

發明內容
本發明的目的在于提供一種利用“管波”這種彈性波作為工作媒介的新的彈性波測井方法，即管波探測法。能通過在樁中心的一個鉆孔進行探測，精確探測到鉆孔中心到等于或大于樁基直徑的圓柱狀范圍內是否存在巖溶和軟弱夾層，以便指導樁基設計、施工，保證樁基選擇穩定的樁端持力層；同時能節省勘察成本，縮短工期。
根據R.E.謝里夫和L.P.吉爾達特撰寫的《勘探地震學》(石油工業出版社出版)，當相互接觸的兩種介質一種是流體另一種是固體時，流體的振動會在兩種介質的分界面附近產生沿界面傳播的界面波，稱做廣義的瑞利波(Rayleighwaves)。
在液體填充的孔內及孔壁上，廣義的瑞利波沿孔的軸向傳播，稱作管波(tubewaves)。常見的管波有兩種類型，一種是斯通萊波(Stoneley waves)，沿孔壁傳播，并在圍巖中呈指數衰減；另外一種是準瑞利波，它是一種導波，大部分能量集中在流體內，在圍巖中也呈指數衰減。這兩種波都有波散特性(相速度隨頻率的不同而變化)。
斯通萊波波散度輕，相速度和群速度都接近于0.9Vpf，其中Vpf為孔內流體的縱波速度。準瑞利波有一個最低頻率，低于該頻率的波不存在，在該頻率處其速度等于圍巖的橫波速度Vsr，在充填液體的硬質巖石鉆孔中，這個最低頻率約為10kHz。因而準瑞利波具有低截特性。在高頻端，斯通萊波和準瑞利波的波速都趨于圍巖中的橫波速度。
兩種類型管波均具有前推式的質點運動軌跡，在軸向切面內是一系列橢圓。在鉆孔中心，徑向位移是0，在孔壁處，徑向位移達到最大值。在孔壁上位移是連續的，但在圍巖中迅速衰減。位移的軸向分量在流體中相對來說是一常數，在孔壁上發生間斷，振幅下降了幾百倍。
孔中流體的任何振動，幾乎都能產生管波，在地震勘探中，最常見的是地滾波(面波)穿過充滿孔液的井口，導致管波的產生。管波的初始頻率和管波源的頻率相同。由于孔內流體吸收作用很小，管波頻率和幅度變化緩慢，所以，盡管經過了一定距離的傳播，管波能量依然很強，管波的頻譜與管波源的頻譜基本一致。
斯通萊波在常用的地震測井，如垂直地震剖面(VSP)中是一種強干擾波。在地震測井的振動曲線中，斯通萊波的能量比直達縱波、直達橫波的能量大一個數量級。準瑞利波會對聲波測井造成干擾。和其它類型的波動一樣，當波阻抗發生變化時，管波也會產生反射。
當孔的切面積從a1變化到a2，反射系數(R)和透射系數(T)分別是R=a2-a1a2+a1,T=2a1a2+a1]]>在孔的流體頂面，反射系數R＝-1，而在孔的底面，反射系數R＝+1。在孔中檢波器的表面和孔徑變化處，都會產生反射。
地滾波，或稱為面波、瑞利波，以前被認為是地面地震勘探的一種強干擾波，現時已被利用為一種地面勘探方法，在工程勘察中常常使用。管波和地滾波一樣，常被認為是井中地震勘探的一種強干擾波。
從上述的理論分析可以得出a.由于管波在孔液和孔壁以外一定范圍內沿軸向傳播，可把孔液和孔壁以外一定范圍內的巖土層等效成一維桿件，管波在等效的一維桿件中沿軸向傳播。其運動學方程可大為簡化。
b.管波的探測范圍與管波的頻率有關，可通過改變管波源的頻率來改變管波的探測范圍。
c.管波除在孔徑變化、孔底和孔液表面處產生反射外，在管波的有效探測范圍內的任何波阻抗變化都會產生反射。而這種波阻抗的變化必定是由于鉆孔旁側的不良地質體(如土洞、溶洞、軟弱夾層)的存在造成的。因而可通過分析管波的反射波來確定鉆孔旁側是否存在不良地質體。
d.管波的傳播速度除與孔液的縱波波速有關外，還與圍巖的橫波波速密切相關，因而可通過管波傳播速度的變化來探測圍巖風化程度的變化和分析圍巖裂隙的發育程度。
e.由于管波具有能量強、衰減慢、傳播速度與孔液縱波波速相當的特征，在使用固定收發間距的一發一收探測裝置采集的時間剖面上很容易識別。
本發明正是利用這種波作為工作媒介，對鉆孔旁側未被鉆探發現的土洞、溶洞、軟弱夾層等不良地質體進行探測。
本發明的目的可通過以下的技術措施來實現把發射儀的發射換能器和記錄儀的接收換能器相間隔放入有孔液的鉆孔中，同時移動發射換能器和接收換能器改變探測位置，在每個探測位置發射儀發射同一主頻的脈沖信號經發射換能器產生的振動與孔液作用，在孔液和孔壁上產生管波，記錄儀同步記錄經接收換能器輸出的振動信號，這樣把同一主頻探測的不同深度的探測點的振動記錄按深度排列，得到時間剖面；改變發射儀的發射頻率，重復不同深度探測點的探測；根據對這些時間剖面的分析，即可判別洞穴和軟弱夾層的存在，及其它們的頂底深度。
本發明的異常判別依據為1、時間剖面中直達波以后出現明顯的能量很強的傾斜的反射波組(一般為直線型，但洞穴邊界的不規則可引起反射波組同相軸的局部彎曲變化)，波組的視速度穩定，這種特征可作為判定孔旁存在洞穴的判別依據；能量很強的傾斜的反射波組即為洞穴邊界處的反射管波，洞穴的頂底界面深度為反射管波同相軸時距曲線與零時間的交點對應的深度；時間剖面中直達波以后不存在傾斜的直線型反射波組，這種特征可作為判定孔旁基巖完整即孔旁不存在洞穴的判別依據；2、時間剖面中直達波以后出現明顯的能量比較強的傾斜的反射波組，波組的視速度穩定，但直達波組的同相軸明顯向時間增大方向彎曲，這種特征可作為判定孔旁存在軟弱夾層的判別依據；傾斜的直線型反射波組即為軟弱夾層頂底界面的反射管波，軟弱夾層頂底界面的深度為反射管波同相軸時距曲線與零時間的交點對應的深度。
本發明所述的發射儀為帶有同步觸發信號輸出的任何脈沖信號源，其發射脈沖頻帶應寬于100Hz～4000Hz；所述的記錄儀為帶有同步觸發信號輸入的任何信號記錄儀，如地震儀、基樁動測儀、聲波檢測儀；記錄儀的通頻帶應寬于100Hz～4000Hz；所述發射換能器及接收換能器可使用任何電壓—振動換能器，換能器的通頻帶應寬于100Hz～4000Hz。
本發明還可通過改變發射儀發射的主頻，或(和)更換發射換能器，重復上述不同深度探測點的探測，獲得多張不同管波主頻時間剖面；根據對這些時間剖面的分析，可判別洞穴和軟弱夾層等不良地質體與鉆孔中心的距離。
本發明振動記錄的具體步驟為1、把發射換能器和接收換能器相間隔置于孔液中，不貼壁，發射換能器可位于接收換能器的上方或下方；2、發射儀發出一脈沖信號，驅動發射換能器產生一振動，與孔液作用，在孔液和孔壁上產生管波，發射儀發出一同步觸發信號給記錄儀，觸發記錄儀，記錄儀開始記錄接收換能器中輸出的振動信號，記錄儀應記錄足夠時間長度的全波列，即完成了一次探測的一個探測點的數據采集工作；3、把發射換能器和接收換能器同時移至下一探測點，重復上述工作，直至鉆孔中需測試段所有探測點均完成；把該次探測不同深度位置探測點采集的振動記錄按深度排列，可得到時間剖面；4、調節發射儀或(和)變換發射換能器，改變發射管波的主頻進行另一次鉆孔中需測試段所有探測點的探測，得到不同探測范圍半徑的時間剖面。
本發明同一次探測中發射換能器和接收換能器之間的距離應固定不變。
本發明時間剖面中每一道的振動波形信號的測試深度為探測裝置中心點的深度。
與現有的探測孔旁洞穴(土洞、溶洞)、軟弱夾層等不良地質體的探測方法主要有跨孔CT、孔中雷達等相比，本發明的優點在于(1)、精度高、分辨能力強，一般不會出現與目的物無關的假異常，不會導致錯誤的解釋結果；(2)、工期短；(3)、儀器設備投資少，探測費用低；
(4)、彈性波速度是評價巖土層軟硬程度的指標之一，與巖土工程關心的探測目的體的力學性質有很好的對應關系，與孔中雷達測定的電性差異相比，對應關系明確；
圖1為本發明進行數據采集時的示意圖；圖2為實施例一中設計基樁的鉆孔分布圖；圖3為圖2中所示的鉆孔柱狀圖；圖4為采用本發明方法對圖3中所示的鉆孔ZK28進行探測后獲得的時間剖面；圖5為采用本發明方法對圖3中所示的鉆孔ZK29進行探測后獲得的時間剖面；圖6為實施例二的鉆孔柱狀圖；圖7為采用本發明方法對圖6中所示的鉆孔ZK12a進行探測后獲得的時間剖面；圖8為對圖7所示的時間剖面的解釋結果。
具體實施方式
實施例一工程A1、工程概況工程為高層住宅小區，場地地處灰巖地區，巖溶發育，工程地質條件極為復雜，基巖面起伏很大，場區遍布溶洞。故業主和設計單位設計采用在一樁一孔超前鉆的基礎上，每樁新增三個超前鉆孔的方法，希望查明基樁樁孔范圍內溶洞的發育情況及基巖面的起伏形態。新增超前鉆孔與原有鉆孔的對比分析表明，由于巖溶發育，即使兩探孔距離0.7米，基巖面高差就有15米。這給樁基的設計和施工造成極大的困難和風險。在施工階段，在小區中部分基樁應用本發明方法探測樁底巖溶。由于每樁有四個鉆孔(見圖2、3)，距離很近，鉆孔資料可很好地檢驗本發明管波探測法的探測效果。
2、儀器設備發射儀國產單次發射脈沖信號源；發射換能器國產壓電陶瓷發射換能器；記錄儀美國Geometric公司生產的R24淺層地震儀；接收換能器國產壓電陶瓷式水聽器3、成孔測試段口徑91mm；大于發射器和接收器的直徑；泥漿孔液；土層及溶洞段采用鋼套管護壁。
4、測試發射換能器S和接收換能器R間距0.6m；探測點距0.10m；記錄儀通帶全通(3～4000Hz)；記錄儀采集間隔31.25μs，采樣長度1024(32ms)；發射換能器S在下，接收換能器R在上，在同一發射頻率下從底至上逐點探測(見圖1)；再改變發射頻率，重復從底至上逐點探測。
5、資料處理將各點測試的振動波形信號按深度重排后，顯示時間剖面(見圖4、圖5)，剖面中的灰色為振動波形的正相位，黑色為振動波形的負相位，白色為振動波形的零相位，顏色越深，振動幅度越大。
6、探測結果分析該樁直徑1600mm，原有鉆孔K69，需要增加超前鉆ZK27、ZK28、ZK29三孔，鉆探時按ZK29、ZK28、ZK27的順序進行，在各孔終孔后即進行探測。ZK29、ZK28兩測試完成后，在處理得到的ZK29孔管波探測法時間剖面中除基巖面附近之外，在CDP20～CDP30(高程范圍-27.9～-26.9m)處可見明顯的能量很強的反射管波，而本孔和已有的K69孔在該處未發現溶洞。根據本發明管波探測法解釋該處孔旁存在溶洞。在處理得到的ZK28孔管波探測法時間剖面中除基巖面附近及本孔鉆探發現的溶洞頂底界面附近之外，在CDP20(高程-27.1m)處可見明顯的能量很強的反射管波，而本孔和已有的K69孔、K29孔在該處未發現溶洞。與ZK29孔一樣，根據本發明管波探測法解釋該處孔旁存在溶洞。在K27孔終孔時發現，根據ZK29、ZK28兩孔本發明管波探測法解釋的孔旁溶洞見于ZK27孔高程-27.17～-26.57m處。
本工程在4根基樁上共進行了7個鉆孔的管波探測法試驗。分析全部管波探測法時間剖面表明a、在所有巖土分層界面(基巖面、溶洞頂底界面)、孔液頂面、孔底附近均可測得明顯的能量很強的反射管波。反射管波視速度穩定、隨距離的衰減很慢。
b、管波探測法解釋的孔旁溶洞，大部分在同一基樁中的其他鉆孔中證實。未證實的，亦發現鉆孔中漏水、裂隙發育、巖芯破碎等孔旁存在溶洞的跡象。
實施例二工程B1、工程概況工程為高速公路的高架橋，位于廣州市西北郊，場地地處灰巖地區，巖溶發育，工程地質條件復雜，基巖面起伏很大，場區存在溶洞，基巖中存在軟弱夾層。設計單位設計采用在一樁一孔超前鉆的基礎上，開展管波探測法，探測樁底巖溶和軟弱夾層，鉆孔柱狀圖如圖6所示。本實施例二使用的儀器設備、鉆孔、測試、資料處理方法與上述實施例一工程A相同。其中本實施例二ZK12a孔的時間剖面及其解釋結果見圖7、圖8。
2、探測結果分析ZK12a孔于高程-5.45m處入巖，至高程-13.16m處終孔，鉆孔內巖石完整，未發現溶洞。在管波探測法時間剖面中的-2.5m處(位于土層內)、-5.5m處(基巖面附近)和-9.0m附近均發現明顯的反射管波，其中-9.0m附近的能量很強。根據管波探測法解釋該處孔旁巖溶發育(由多個小溶洞組成的區域稱為巖溶發育區)，溶洞頂底界面高程-8.46m、-9.46m，基樁施工已證實該溶洞的存在。
權利要求
1.一種管波探測法，其特征在于把發射儀的發射換能器和記錄儀的接收換能器相間隔放入有孔液的鉆孔中，同時移動發射換能器和接收換能器改變探測位置，在每個探測位置發射儀發射同一主頻的脈沖信號經發射換能器產生的振動與孔液作用，在孔液和孔壁上產生管波，記錄儀同步記錄經接收換能器輸出的振動信號，這樣把同一主頻探測的不同深度的探測點的振動記錄按深度排列，得到時間剖面；改變發射儀的發射頻率，重復不同深度探測點的探測；根據對這些時間剖面的分析，判別洞穴和軟弱夾層的存在，及其它們的頂底深度。
2.根據權利要求
1所述的管波探測法，其特征在于異常判別依據為a、時間剖面中直達波以后出現明顯的能量很強的傾斜的反射波組，波組的視速度穩定，這種特征作為判定孔旁存在洞穴的判別依據；能量很強的傾斜的反射波組即為洞穴邊界處的反射管波，洞穴的頂底界面深度為反射管波同相軸時距曲線與零時間的交點對應的深度；時間剖面中直達波以后不存在傾斜的直線型反射波組，這種特征作為判定孔旁基巖完整即孔旁不存在洞穴的判別依據；b、時間剖面中直達波以后出現明顯的能量比較強的傾斜的反射波組，波組的視速度穩定，但直達波組的同相軸明顯向時間增大方向彎曲，這種特征作為判定孔旁存在軟弱夾層的判別依據；傾斜的直線型反射波組即為軟弱夾層頂底界面的反射管波，軟弱夾層頂底界面的深度為反射管波同相軸時距曲線與零時間的交點對應的深度。
3.根據權利要求
1所述的管波探測法，其特征在于所述的發射儀為帶有同步觸發信號輸出的脈沖信號源，其發射脈沖頻帶為100Hz～4000Hz；所述的記錄儀為帶有同步觸發信號輸入的信號記錄儀，記錄儀的通頻帶為100Hz～4000Hz；所述發射換能器及接收換能器使用電壓—振動換能器，換能器的通頻帶為100Hz～4000Hz。
4.根據權利要求
1所述的管波探測法，其特征在于通過改變發射儀發射的主頻，或/和更換發射換能器，重復所述不同深度探測點的探測，獲得多張不同管波主頻時間剖面；根據對這些時間剖面的分析，判別洞穴和軟弱夾層不良地質體與鉆孔中心的距離。
5.根據權利要求
1或4所述的管波探測法，其特征在于振動記錄的具體步驟為a、把發射換能器和接收換能器相間隔置于孔液中，不貼壁，發射換能器位于接收換能器的上方或下方；b、發射儀發出一脈沖信號，驅動發射換能器產生一振動，與孔液作用，在孔液和孔壁上產生管波，發射儀發出一同步觸發信號給記錄儀，觸發記錄儀，記錄儀開始記錄接收換能器中輸出的振動信號，記錄儀應記錄足夠時間長度的全波列，即完成了一次探測的一個探測點的數據采集工作；c、把發射換能器和接收換能器同時移至下一探測點，重復上述工作，直至鉆孔中需測試段所有探測點均完成；把該次探測不同深度位置探測點采集的振動記錄按深度排列，得到時間剖面；d、調節發射儀或/和變換發射換能器，改變發射管波的主頻進行另一次鉆孔中需測試段所有探測點的探測，得到不同探測范圍半徑的時間剖面。
6.根據權利要求
5所述的管波探測法，其特征在于同一次探測中發射換能器和接收換能器之間的距離固定不變。
7.根據權利要求
5所述的管波探測法，其特征在于每個探測點之間為等距離。
8.根據權利要求
5所述的管波探測法，其特征在于時間剖面中每一道的振動波形信號的測試深度為探測裝置中心點的深度。
專利摘要
本發明公開一種管波探測法，把發射儀的發射換能器和記錄儀的接收換能器相間隔放入有孔液的鉆孔中，同時移動發射換能器和接收換能器改變探測位置，在每個探測位置發射儀發射同一主頻的脈沖信號經發射換能器產生的振動與孔液作用，在孔液和孔壁上產生管波，記錄儀同步記錄經接收換能器輸出的振動信號，這樣把同一主頻探測的不同深度的探測點的振動記錄按深度排列，得到時間剖面；根據對時間剖面的分析，即可判別洞穴和軟弱夾層的存在，及其它們的頂底深度。本發明為建筑物的基礎設計和施工提供準確的地質資料；具有精度高、分辨能力強、不會出現假異常、工期短、儀器設備投資少、探測費用低等優點。
文檔編號G01V1/40GKCN1245637SQ200310112325
公開日2006年3月15日 申請日期2003年11月25日
發明者饒其榮, 李學文 申請人:饒其榮, 李學文導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan