岩土工程勘察中的声波检测技术：以岩溶洞穴探测为例

在岩溶地貌广泛分布的区域，各类工程建设都面临着一个潜在的巨大威胁——地下岩溶洞穴。这些隐匿于地下的空洞或半充填结构，直接关系到地上建筑物的稳定与安全。因此，在项目动工前，精确查明区域内岩溶的空间分布格局，并确定其位置与尺寸，是工程地质勘察中至关重要的一环。声波检测技术，正是应对这一挑战的有效无损探测手段。

声波探测的基本物理原理

声波检测岩溶洞穴的核心，在于分析声波在岩体介质中传播时所表现出的运动学与动力学特性差异。当声波脉冲穿过均质、完整的岩体时，其传播路径和能量衰减遵循可预测的规律。然而，一旦遭遇岩溶洞穴这类非连续体，声波的传播行为会发生显著改变。

1. 运动学特征：声波传播时间（声时）的延迟

声波传播时间，即“声时”，是判断岩溶存在与否的首要物理量。其判断逻辑相当直观：

• 绕射效应：当声波遇到空洞时，无法直接穿透，只能绕着洞穴边缘传播。这条“绕行”的路径显然比两点间的直线距离更长，从而导致声时显著增加。
• 介质差异：如果洞穴内存在充填物（如淤泥、碎石或水），声波会部分穿过。但这些充填物的声速通常远低于致密岩体（例如，差异可达1.5倍以上）。声波在这些低速介质中传播，同样会造成总声时的急剧增大。

因此，通过对比不同路径的声时数据，可以快速锁定声波传播异常的区域。若已知岩体和充填物的标准声速，甚至可以利用几何关系，对洞穴的尺寸进行初步的定量估算。

2. 动力学特征：声波幅度的剧烈衰减

声波在传播过程中能量会不断衰减，其幅度变化是另一个关键的探测指标。岩溶洞穴及其充填物对声波能量的吸收和散射效应，远强于周围的岩体。这种差异使得声波信号在穿过溶洞区域后，其振幅会发生剧烈下降。

这种幅度的变化对于洞穴内部的填充状态极为敏感：

• 空洞：当洞穴中为空气时，声阻抗差异达到最大，声波能量几乎被完全阻隔。在洞穴中心位置，接收到的波幅与正常岩体相比，可相差 80 至 180 倍。
• 含水洞穴：若洞中充填的是卤水等液体，声阻抗差异减小，但吸收效应依然明显。此时的波幅差异依然可观，通常能达到 2 至 4 倍。

综合分析声时和波幅这两个维度的异常，能够极大地提高岩溶洞穴判别的准确性。

工程实例：青藏铁路察尔汗盐湖段的岩盐溶洞探测

理论需经实践检验。青藏铁路建设过程中，在柴达木盆地中南部的察尔汗盐湖地区就遇到了典型的盐溶地质问题。该地区海拔高达 2682 m，干旱气候形成了广阔的盐滩，其北缘盐溶现象尤为发育，形成了直径 1 ~ 4 cm 的溶孔和口径 0.2 ~ 0.4 m 的溶洞，对铁路路基的长期稳定性构成威胁。

为精确描绘地下溶洞的分布，工程技术人员采用了一套系统化的声波探测方案：

1. 立体测试网络构建：在探测区域内，以适当间距呈梅花形布设测孔。在水平面上，通过平行测线、角测线和放射状测线交织成一个二维测试网；在垂直剖面上，则采用水平同步、高差同步及高差异步等多种测试方法，最终形成一个三维立体的测试控制网络。
2. 数据采集与初步分析：系统采集各个测线、不同深度的声波速度和波幅数据。首先以波速为主要依据，筛选并圈定出明显的“低速区”或“低速带”，这些区域是存在溶洞可能性最大的地带，作为后续分析的重点对象。
3. 精确定位与定量计算：针对筛选出的可疑测线，结合其波速和波幅特征进行精细解译。通过分析异常数据的形态和量值，对溶洞进行三维定位，并计算其等效洞径。图1直观展示了35号角测线上波速与波幅随深度的变化曲线，异常特征清晰可见。