[发明专利]一种桩底岩溶三维高精度扫描探测系统及方法

说明书

本发明涉及岩土工程勘察技术领域，为一种桩底岩溶三维高精度扫描探测系统及方法，其中方法包括：将阵列换能器投放至桩底；利用相控扫描采集数据；根据固定旋转角驱动所述阵列换能器旋转，每旋转一个固定旋转角，重复相控扫描过程，直至整个桩底范围的全覆探测盖扫描完成；改变阵列换能器的位置，重复上述步骤后得到不同位置对应的完整扫描数据；对不同位置采集到的数据按照时间进行时深转换，得到各时刻不同位置的振幅值所对应的坐标，通过三维插值后得到三维振幅图像。采用相控阵列设计+机械旋转结合，简化电路设计，使用阵列换能器旋转测量加波束控制扫描采集到不同角度数据，使用较小的阵列换能器阵列探测桩底较大范围。

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察技术领域，具体涉及一种桩底岩溶三维 高精度扫描探测系统及方法。

背景技术

桩基因能适应各类工程地质情况、各类工程要求、承载能力较高、 荷载传递能力强的特点，且可有效降低建构(筑)物不均匀沉降，在 一定程度上可以减小岩溶对基础的不利影响，因此，桩基被广泛应用 于岩溶区的轨道工程建设中。溶洞发育的大小相差悬殊，形状千变万 化，断面形态极不规则，给岩溶地区的桩基设计和施工带来了很大的 困难。在未探明桩位溶洞发育的情况下很难对桩基的承载力做准确的 设计，同时在岩溶发育的地层中施工灌注桩时，施工过程中极可能出 现桩孔漏浆、孔壁坍塌、桩孔倾斜、地面塌陷、混凝土突然漏失等事 故，此类事故往往具有突发性、不可预料性、处理难度大的特点，许 多工程项目常因事故处理不当、处理不及时，而被迫停工，增加工程 造价，成为控制工期、控制工程造价、威胁施工安全、影响工程质量 的地质难题。

桩底岩溶探测目标主要是隐伏在基岩中的岩溶，其大小、空间发 育范围极其复杂，使用钻孔进行桩底岩溶勘察时，孔旁岩溶非常容易 被遗漏。从平面分布上讲，对其空间范围难以以点代面来探明，很有 可能造成实际施工过程中出现桩基半边嵌岩等不利情况。勘探方法选 择一桩多孔，无论是在成本，还是在工期层面上，所需的成本都是十 分高昂的，并且即便如此，也很难清楚掌握岩溶在整个桩位上的具体 发育情况，不利情况严重时可能造成桥梁的失稳破坏，而未暴露的将 以隐患的形式存在，在运营期逐渐暴露。

桩底岩溶探测是采用直接(钻探法)或非直接方法(物探法)探 测桩底基岩持力层一定范围内岩溶分布特征的勘察技术。

勘察阶段桩底岩溶探测方法主要有超前钻探法、管波探测法、钻 孔雷达法、钻孔多频声波探测法、跨孔弹性波法。单一的超前钻孔极 容易漏判岩溶，而增加钻孔又大大的影响工期。管波探测法可探测钻 孔半径1m内岩体中的岩溶垂向分布范围，具有较高的垂向精度，但 是探测结果没有指向性，无法指示孔周岩溶、破碎异常空间分布，且 探测结果易受到地层界面、孔径变化、液面处等非溶洞波阻抗界面的 影响。钻孔雷达与多频声波探测法原理与管波探测类似，同样没有解 决探测方向性问题。跨孔弹性波CT是通过观测地震波穿越地质体时 走时、能量(幅值)和波形等的变化，通过层析成像重建地质体内部 结构，具有较高的探测精度。但是对于岩溶地区，孔中井液泄漏时检 波器无法有效耦合导致无法实施。

施工阶段勘察方法主要有地质雷达法与声波反射法。地质雷达法 通过在桩底布置环形或十字剖面，进行地质雷达数据采集，但是受场 地探测面积限制，雷达信号受侧壁干扰，且探测深度有限，且仅适用 于人工挖孔桩探测。声波反射法((一种桩底溶洞声纳探测装置及方 法CN 104101896 A))通过在桩底布置换能器，利用泥浆耦合激发和 接收超声波用于探测桩底岩溶发育情况，该装置采集数据有限，且偏 移距固定，无法采集到多角度多偏移距的高密度反射波数据，是对桩 底岩溶的判识主要靠识别反射波形变化以及波形时频特征分析，无法 确定溶洞高度或范围，且探测容易受到孔壁面波反射干扰等问题。

现有桩底岩溶探测无法满足工程勘察需求，主要存在探测实施困 难需要钻孔配合；对桩底环境要求高；采集数据较少无法高质量成像； 探测结果没有方向性，无法确定桩底岩溶发育的具体情况。