CN112269213B - 岩溶区多桩基础的地质探测方法、***和介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于铁路高架工程中岩溶区多桩基础的地质探测方法、***和介质，探测方法包括在墩台投影范围内选取初始勘探的第一位置，布设第一探测孔进行雷达探测；获取异常点到第一探测孔的垂直距离作为异常距离；并以第一位置为中心，以测得的任意一个异常点的异常距离为截距绘制预设异常分布曲线；选取预设异常分布曲线与预期设置支撑桩的预期桩位的交点为第二位置进行验证探测。本发明的岩溶区多桩基础的地质探测方法可以通过最少的探测孔，完成异常点探测，能够合理优化钻探工作量，提高勘探质量，有效节省施工成本，经过实际验证，探测准确率高，效果好，具有较好的应用前景。

Description

岩溶区多桩基础的地质探测方法、***和介质

技术领域

本发明应用于工程地质探测领域，尤其涉及一种应用于铁路高架工程中岩溶区多桩基础的地质探测方法、控制***和介质。

背景技术

近年来，我国现有国铁、轨道交通、工民建等大型单体项目均按照勘察、设计、施工的组织要求开展实施。作为一种典型的不良地质现象，“岩溶区桩基”是勘察、设计人员在各阶段均会面对且接触频次极高的工程术语。

目前铁路勘察中采用的钻孔岩溶探测技术主要有电磁波CT法、地震波CT法、管波法、单孔声波法等，其中电磁波CT法和地震波CT法均需多个钻孔配合实施地质图像的扫描；管波法和单孔声波法虽可在一个钻孔中探测，但管波法主要探测钻孔周围约1m范围内岩溶发育的深度范围，且不能确定异常的方位，单孔声波法只能探测钻孔周围约2m范围内发育的岩溶。因此均难以有满足铁路高架工程的施工探测需求。

钻孔雷达（GPR，Ground-penetrating radar）技术是一种高效的浅层地球探测技术，通过发射高频脉冲的电磁波，利用地下介质电性参数的差异，根据回波的振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析和推断地下介质的结构和物性特征。在实际应用中，钻孔雷达是将以钻孔为中心的三维空间地质信息，形成二维平面图像。并根据形成的二维平面图像获得异常点或反射体与钻孔的距离，但在形成二维图像的过程中，会造成方向数据的丢失，无法确定异常点或反射体的方位，因此常规使用中需要根据异常距离去盲探，造成钻探工作量的浪费，增加成本。介于上述原因，若要将钻孔雷达应用于高架铁路的施工探测，则往往需要针对平台的全部桩位依次进行探测或随机进行盲探，因此导致成本巨大。

因此，实有必要提供一种新的应用于岩溶区多桩基础的地质探测方法、控制***和介质以解决上述问题。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提出一种新的岩溶区多桩基础的地质探测方法、控制***和介质，能够以较低的成本完成铁路高架工程的地质勘探，有效识别岩溶区等地质异常，保障施工和设备的安全性和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种岩溶区多桩基础的地质探测方法，应用于铁路高架工程的多桩基础结构施工，多桩基础结构包括墩台以及支撑所述墩台的多个支撑桩，包括如下步骤：

在墩台投影范围内选取初始勘探的第一位置，在所述第一位置布设第一探测孔，并针对所述第一探测孔进行雷达探测；

获取所述第一探测孔内的雷达探测结果，判断是否存在异常；

若第一探测孔无异常且存在除第一探测孔以外的至少一个异常点，则依次获取异常点到所述第一探测孔的垂直距离作为异常距离，并获取异常点到地面的垂直距离作为异常深度；

以所述第一位置为中心，以测得的任意一个异常点的异常距离为截距绘制预设异常分布曲线；

当所述预设异常分布曲线与预期设置支撑桩的预期桩位相交时，选取相交点为第二位置；

在所述第二位置布设第二探测孔进行验证探测。

优选的，所述预设异常分布曲线为以第一位置为圆心，以异常点的异常距离为半径的圆。

优选的，所述雷达探测方法为：

将发射天线和接收天线以固定间距放置于所述第一探测孔和/或所述第二探测孔中，获取探测孔中的岩土介质的反射波和绕射波；

沿探测孔的延伸方向同步移动所述发射天线和所述接收天线，持续采集反射波和绕射波形成的采样数据，并计算异常点深度及异常点相距探测孔的异常距离。

优选的，异常点相距探测孔的异常距离L的计算方式为：

L=［（T² V²- d²）/4］^1/2

其中，T为反射波或绕射波的传播时间；V为在测试地质条件下的电磁波速度；d为发射天线和接收天线之间的固定间距。

优选的，在所述第二探测孔进行的所述验证用于验证所述第一探测孔探测到的异常点是否位于第二位置上，所述验证探测的方法与在所述第一探测孔进行的探测方法相同。

优选的，根据所述第二探测孔的探测结果得到验证异常分布曲线，当所述验证异常分布曲线与其他预期桩位相交时，选取相交点为第三位置，并重复上述验证步骤。

优选的，所述第一探测孔和/或所述第二探测孔的钻孔深度与预计探测深度之差不小于1.5m，孔底沉淀不大于0.5m，所述第一探测孔和/或所述第二探测孔内布设有保护层，所述保护层的上表面高于所述第一探测孔和/或所述第二探测孔的地面开口。

为解决上述问题，本发明还提供一种控制***，包括：

至少一个存储器，用于存储程序指令；

至少一个处理器，用于调用所述存储器中存储的程序指令，按照获得的程序指令执行上述的方法。

为解决上述问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上的方法。

在岩溶区铁路高架工程勘察中，本发明的岩溶区多桩基础的地质探测方法通过先期实施钻孔开展单孔雷达测试，分析评价墩台区岩溶发育程度及孔底一定范围内岩溶发育情况，并按照解释岩溶画出异常圆与预设支撑桩位相交确定后续实施钻孔的勘探方法，可以通过最少的探测孔，完成异常点探测，能够合理优化钻探工作量，提高勘探质量，有效节省施工成本，经过实际验证，探测准确率高，效果好，具有较好的应用前景。

附图说明

下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：

图1为本发明岩溶区多桩基础的地质探测方法的流程图；

图2为本发明岩溶区多桩基础的地质探测方法的示意图；

图3为本发明岩溶区多桩基础的地质探测方法的预设异常分布曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。

本发明应用于高架工程中多桩基础结构的施工，例如高架桥梁的施工或高架铁路桥的施工，其中多桩基础结构包括用于支撑如桥墩等基础结构的墩台，以及支撑墩台的多个支撑桩，通常每个最小单元的基础结构，支撑桩至少有4个，具体视实际情况和施工规模，可能存在6个、8个支撑桩甚至十个以上的支撑桩的基础结构。针对上述结构在施工过程中，需要先对预计桩位进行地质勘测，以确定预计桩位上是否存在溶洞等异常地质情况。在传统的探测方式中，需要对每个桩位均进行钻孔探测。即一个基础结构的施工，需要所有的桩位全部进行钻孔探测。

因此本发明提供一种新的岩溶区多桩基础的地质探测方法，参图1所示，本发明探测方法包括如下步骤：

S01:在墩台投影范围内选取初始勘探的第一位置，在所述第一位置布设第一探测孔，并针对所述第一探测孔进行针对第一探测孔的雷达探测，根据第一探测孔内的雷达探测结果，判读是第一位置是否存在异常以及可探测范围内除第一位置以外的其他位置是否存在异常；

其中，第一位置可以选取在预设墩台的中心位置，可以选取在墩台的多个预设支撑桩中的任意一个，也可以选取在预设墩台在地面投影范围内的任意一处。在本实施方式中，优选选取在预设支撑桩中的一个，这样探测时所布设的探测孔也可以在后期施工中作为桩基施工等工序的一部分，从而节省施工步骤。

因雷达探测的天线有一定长度，为保证探测至探测深度，第一探测孔施工时，钻孔深度应至少大于预计探测深度1.5m，探测深度依据不同上层建筑的规格、承重和安全需求而定，同时，探测孔的孔底沉淀应该不大于0.5m。同时，钻孔成孔后，为避免天线被卡，保证顺畅探测，需要在探测孔内布设保护层，优选的，采用直径90mm的PVC管作为保护层对探测孔进行保护，为了便于对探测孔的保护，保护层的上表面应高于探测孔的地面。在实际应用过程中，保护层的开口可以高于地面30cm。除了PVC管以外，保护层也可以采用其他硬质结构管材，只要能够起到保证钻孔顺畅，均是可以实施的。此外，探测前还应采用探孔器对钻孔进行探孔，保证钻孔通畅。

如图2所示，雷达探测的采用如下方式：

S011将发射天线和接收天线以固定间距d放置于探测孔中，发射天线发射探测波，与发射天线相距d的接收天线获取探测孔中的岩土介质的反射波和绕射波；

S02：沿探测孔的延伸方向自上而下同步移动所述发射天线和所述接收天线，持续采集反射波和绕射波形成的采样数据。

异常通常包括点状异常和斜面状一异常，根据雷达探测的结果，一般会存在三种可能：

（1）第一探测孔内探测到异常；

（2）第一探测孔处非异常，但存在与探测斜面不相较的斜面状异常，例如溶隙、断层等；

（3）存在位于非第一位置的一个或多个点状异常，例如溶洞等。

当雷达探测结果第一和第二种情况时，通常可以根据雷达的检测结果直接得出异常结论。本发明主要针对于第三种情况，也是实际应用中最常见的一种情况，进行进一步探测。

在上述第三种情况下，也就是雷达探测到第一探测孔无异常且存在除第一探测孔以外的至少一个异常点，则依次获取异常点到所述第一探测孔的垂直距离作为异常距离，并获取异常点到地面的垂直距离作为异常深度；下面以存在且仅存在一个异常点为例进行具体说明：

绕射波传播时间t与探测高度h的关系为双曲线关系，双曲线顶点与点状异常深度位置对应，分析采样数据中传播实际与探测高度的相关曲线即可以得到异常点的异常深度。

如图2所示，异常点相距探测孔的异常距离L的算法推导如下：从发射天线发出探测波到接收天线接收到反射波和绕射波的间隔时间为t，根据几何关系易得：

(1.1)

整理可得

(1.2)

因此可得，异常点相距探测孔的异常距离L的计算方式为：

L=［（T² V²- d²）/4］^1/2 (1.3)

其中，T为反射波或绕射波的传播时间；V为在测试地质条件下的电磁波速度，在本实施例中为岩土介质的电磁波速度；d为发射天线和接收天线之间的固定间距。

步骤S02：以第一位置为中心，以测得的任意一个异常点的异常距离为截距绘制预设异常分布曲线。在本实施方式中，预设异常分布曲线为半径等于L的封闭圆，预设异常分布曲线的绘制为在水平投影面上以第一位置为圆心，以异常点的异常距离L为半径绘制而成。

步骤S03：当所述预设异常分布曲线与预期设置支撑桩的预期桩位相交时，选取相交点为第二位置。

步骤S04：在第二位置布设第二探测孔进行验证探测。第二探测孔的布设与第一探测孔的布设采用相同的方式，在第二探测孔进行的验证探测也与在第一探测孔进行的探测方式相同，在此不再赘述。

根据步骤S01可知，异常点或反射***与一位置的距离为L，但由于雷达探测方法得到固有特点，无法确定其具体方位，因此采用步骤S02进行验证探测，在以第一位置为圆心，以异常点的异常距离L为半径绘制而成的异常圆上，均可能存在着异常点或反射体。此时与异常圆相较的预期桩位则有极大的可能性落在异常点或反射体上，因此需要对预期桩位置与预设异常分布曲线相交的第二位置进行验证探测。

下面以一次具有6个支撑桩位的基础结构的实际应用进行举例，如图3所示，选取墩台最下角的支撑桩位1为第一位置，经过S01步骤的雷达探测得到两个点状异常的异常距离分别为L1和L2，以第一位置为圆心，L1和L2分别为半径2绘制两条预设异常分布曲线3。此时，除了选取为第一位置的支撑桩位1以外，还剩余5个支撑桩位。其中只有两个支撑桩位4与两条预设异常分布曲线3相交。此时，仅选取支撑桩位4作为第二位置即可。

此外，针对某些特殊情况，例如设备的规模过大，相距最远的两个超过探测范围时，还需要根据第二探测孔的探测结果绘制验证异常分布曲线，根据验证异常分布曲线判断是否有其他桩位落入到验证异常分布曲线上，此时，需要将该桩位设置为第三位置并进行进一步的验证。第二位置、第三位置进行的验证探测与在第一位置进行的探测方法相同，验证异常分布曲线与预设异常分布曲线的绘制方法相同。直到可判断的范围内预设异常分布曲线和验证异常分布曲线形成的异常圆与预设的支撑桩位再无相交。

此时，只需要针对与异常圆相交的支撑桩位进行探测，而无需对于与异常圆无交汇的支撑桩位进行探测。在已经进行的实际验证中，已经证实上述与异常圆无交汇的支撑桩位均无任何异常的风险，证明了上述方式的有效性和可行性。

为了实现上述探测方法，在实际应用中，通常采用的探测设备，包括发射***、编码***、控制***以及天线***、所述天线***包括杆状发射天线和杆状接收天线，所述发射天线与所述接收天线以一固定间距d共轴设置为一体结构。在实际应用过程中，发射***设置在地面上，通过线缆和滑轮与天线***相连，编码***通过控制***与发射***和天线***相连。

编码***用于实现反射波和绕射波的波形分析和数据处理，控制***用于实现整个***的控制以及结果的输出。本方案仪器需要通过控制***设定的控制参数主要包括：

（1）窗口时间：雷达记录时间长度，本实施方式中，优选窗口时间T为650ns。

（2）采样率n：每秒从连续雷达信号中提取并组成离散信号的采样点数（Hz）。根据尼奎斯特（Nyquist）采样定律控制，本设备采样率大于等于雷达波中最高频率的2倍。

（3）扫描速率s:天线在钻孔中由深至浅移动连续测量时每秒的扫描记录道数（scans/second）,本实施方式中，优选s的取值范围为100～200。

（4）叠加次数:在同一个深度扫描记录点上雷达记录叠加的次数，本实施方式中，优选为5～10次。

本发明的探测方法还包括通过编码***实现的基于记录的原始数据进行的数据处理。例如去直流漂移、零点校正、滤波、放大和增益补偿等。

本发明还提供一种实现如上方法和指令的控制***，包括至少一个存储器，用于存储程序指令和至少一个处理器，用于调用所述存储器中存储的程序指令，以实现上述探测方案。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上储存有用于实现上述岩溶区多桩基础的地质探测异常识别方法的程序。

本发明的岩溶区多桩基础的地质探测方法可以通过最少的探测孔，完成溶洞等异常点的精确探测，可以有效提高勘探质量，减少钻孔工作量，节省施工成本，经过实际验证，探测准确率高，效果好。根据现场试验，探测孔周围已经实施钻孔揭露的溶洞在钻孔雷达图像均有较好的异常反映，而根据钻孔雷达探测结果指导布置验证勘探钻孔均能验证溶洞，结合钻孔雷达资料，也适当地减少了试验墩台部分钻探工作量。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (7)

1.一种岩溶区多桩基础的地质探测方法，其特征在于，应用于铁路高架工程的多桩基础结构施工，多桩基础结构包括墩台以及支撑所述墩台的多个支撑桩，包括如下步骤：

在墩台投影范围内选取初始勘探的第一位置，在所述第一位置布设第一探测孔，并针对所述第一探测孔进行雷达探测；

获取所述第一探测孔内的雷达探测结果，判断是否存在异常；

若第一探测孔无异常且存在除第一探测孔以外的至少一个异常点，则依次获取异常点到所述第一探测孔的垂直距离作为异常距离，并获取异常点到地面的垂直距离作为异常深度；

以所述第一位置为中心，以测得的任意一个异常点的异常距离为截距绘制预设异常分布曲线；所述预设异常分布曲线为以第一位置为圆心，以异常点的异常距离为半径的圆；

当所述预设异常分布曲线与预期设置支撑桩的预期桩位相交时，选取相交点为第二位置；

在所述第二位置布设第二探测孔进行验证探测，用于验证所述第一探测孔探测到的异常点是否位于第二位置上；所述验证探测的方法与在所述第一探测孔进行的探测方法相同。

2.根据权利要求1所述的岩溶区多桩基础的地质探测方法，其特征在于，所述雷达探测方法为：

将发射天线和接收天线以固定间距放置于所述第一探测孔和/或所述第二探测孔中，获取探测孔中的岩土介质的反射波和绕射波；

沿探测孔的延伸方向同步移动所述发射天线和所述接收天线，持续采集反射波和绕射波形成的采样数据，并计算异常点深度及异常点相距探测孔的异常距离。

3.根据权利要求2所述的岩溶区多桩基础的地质探测方法，其特征在于，异常点相距探测孔的异常距离L的计算方式为：

L＝[(T² V²-d²)/4]^1/2

其中，T为反射波或绕射波的传播时间；V为在测试地质条件下的电磁波速度；d为发射天线和接收天线之间的固定间距。

4.根据权利要求1所述的岩溶区多桩基础的地质探测方法，其特征在于，根据所述第二探测孔的探测结果得到验证异常分布曲线，当所述验证异常分布曲线与其他预期桩位相交时，选取相交点为第三位置，并重复上述验证步骤。

5.根据权利要求1所述的岩溶区多桩基础的地质探测方法，其特征在于，所述第一探测孔和/或所述第二探测孔的钻孔深度与预计探测深度之差不小于1.5m，孔底沉淀不大于0.5m，所述第一探测孔和/或所述第二探测孔内布设有保护层，所述保护层的上表面高于所述第一探测孔和/或所述第二探测孔的地面开口。

6.一种岩溶区多桩基础的地质探测控制***，其特征在于，包括：

至少一个存储器，用于存储程序指令；

至少一个处理器，用于调用所述存储器中存储的程序指令，按照获得的程序指令执行上述权利要求1-5任一项所述的岩溶区多桩基础的地质探测方法。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5任一所述的岩溶区多桩基础的地质探测方法。

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