工程物探技術(shù)在高速公路工程勘察中的應用

  高速公路建設中,軟土地基、破壞性巖溶、高邊坡、隧道及地下管線(xiàn)等工程地質(zhì)勘察以往一般都采用坑探、槽探、觸探和鉆探等手段,不僅所取得的資料具有局限性,不足以擴大分析領(lǐng)域,而且機械笨重、搬運困難,特別在山區因受地形條件的限制,鉆探更加難以實(shí)施。

 

  工程物探是一種間接的勘察手段,是利用物質(zhì)的物性差異,通過(guò)研究天然或人工的地球物理場(chǎng),達到了解地下介質(zhì)分布的一種方法。物性的差異包括電性、磁性、電化學(xué)性質(zhì)、彈性及密度等,對應的地球物理場(chǎng)則有電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電化學(xué)場(chǎng)、彈性波和重力場(chǎng)等。工程物探儀器設備輕便、工作效率高、周期短、效果好,并且采集的信息量大,可以了解和確定大范圍的地質(zhì)條件,既補充了鉆探工作的不足,又為高速公路設計及施工提供了較完善的基礎資料。

 

  根據所觀(guān)測的參數和測量方法不同,工程物探可分為多種方法,主要有淺層地震法、多道瞬態(tài)面波法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)面波法)、多波地震映象法、電法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法、地質(zhì)雷達技術(shù)和地下管線(xiàn)探測技術(shù)等。這些方法已成為工程地質(zhì)勘探中的重要組成部分,在高速公路勘察中,解決了部分以前用傳統的勘察方法無(wú)法解決的巖土工程技術(shù)難題。

 

  1 軟土地基勘察

 

  在高速公路路基勘察中,軟土地層屬不良地質(zhì)體,需進(jìn)行重點(diǎn)勘察。目前用于軟土地基勘察的傳統方法是鉆探及靜力觸探等,面波法是一種新興的工程勘察技術(shù),利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性可以進(jìn)行淺部地層的波速分層。與淺層地震反射波法、折射波法及電法相比,雖然面波法檢測深度較淺,一般在半個(gè)波長(cháng)內(約50m),但只要各巖土層間具有波速差異,其對淺部軟土地層的劃分精度較其他方法高,且受場(chǎng)地的條件限制較小。

 

  軟土地層的特征是面波波速偏低,一般為VR=100～130m/s,較一般粘土(VR=150～250m/s)或砂土(VR=200～280m/s)的波速低30%以上,具有較好的面波法物性條件。結合一定數量的鉆孔,通過(guò)對面波資料進(jìn)行綜合計算分析,根據面波法實(shí)測波速值,可以區分軟土或非軟土地層,若層與層之間存在較明顯的波速差,而且各層厚較大,還可以根據波速變化進(jìn)行分層,獲得較連續的地層剖面。 此外,根據面波速度VR,還可以由經(jīng)驗公式fk=k1×VR 1.636 大致確定地基的承載力。式中fk為承載 力,單位為kPa;k1為修正系數,受不同地區巖土力學(xué)性質(zhì)的影響,其值可以結合靜力觸探或動(dòng)力觸探等原位測試方法來(lái)確定。

 

  與傳統的勘察方法相比,面波法在功能上能對軟土地基分層、間接地反映地基土的特征參數,而且在操作上簡(jiǎn)便易行、快速、經(jīng)濟,可大面積連續采集數據,與傳統的檢測方法結合進(jìn)行地基勘察,可以較大地提高勘察資料的解釋精度。

 

  2 破壞性巖溶勘察

 

  近年來(lái)應用于巖溶地區工程物探的主要方法有多波地震映象法、面波法、電法和地質(zhì)雷達技術(shù)等。 某巖溶地區高速公路路基在設計階段僅開(kāi)展一些常規的工程物探,效果不好,在施工過(guò)程中,部分建好的路基因巖溶發(fā)育出現塌陷現象。為避免出現類(lèi)似問(wèn)題,對全部可能存在巖溶病害的路段綜合應用上述方法進(jìn)行了詳查,探測巖溶洞(裂隙),劃分巖溶發(fā)育帶的分布、走向,取得了較好的地質(zhì)效果。 該區完整灰巖、白云巖與巖溶裂隙發(fā)育體之間,填筑土中密實(shí)土體與塌陷松散土體之間,視電阻率、彈性力學(xué)特征等物性存在較大差異,為采用工程物探提供了較好的前提條件。

 

  塌陷區及巖溶異常物性特征如下:周?chē)軐?shí)填筑土體相對于塌陷土體來(lái)說(shuō),彈性力學(xué)強度高,具有較高的縱、橫波速度,縱波速度在700～800m/s間,橫波速度在250～280m/s間,而塌陷土體縱波速度小于450m/s,橫波速度小于180m/s,據此可以判斷塌陷影響土體?；規r、白云巖電阻率通常比較高,一般在1000～10000???m之間,最高可達20000???m。泥灰巖電阻率相對較低,但一般也大于600???m。隨著(zhù)巖石節理裂隙發(fā)育程度、破碎程度、巖溶發(fā)育程度的增強和填充物含量的增加,電阻率呈急劇下降趨勢,可降至100???m以下 。

 

  根據以上病害異常物性特征,現場(chǎng)采用了綜合工程物探手段進(jìn)行勘察。使用高密度多波地震映像及面波法查明密實(shí)填筑土體中塌陷松散土體;在探地雷達剖面上則表現出在塌陷松散體和原狀粘土之間存在較明顯的兩條反射波界面,且塌陷松散土體中的反射凌亂無(wú)序,而原狀粘土體的反射較有成層性,據此可以較好地劃分塌陷松散土體、影響土體和正常土體。利用常規電測深和高密度電阻率法查明引發(fā)填筑土塌陷的巖溶(洞)裂隙發(fā)育帶。綜合工程物探解釋出了該段公路地下病害的塌陷土體、影響土體以及正常土體,圈定出巖溶發(fā)育帶以及巖溶發(fā)育帶的分布、走向、深度等特征,查明了路基隱伏塌陷的范圍、埋深和引發(fā)塌陷的地下巖溶分布,為路基的綜合工程治理和加固、后期公路建設提供了可靠依據,避免了可能出現的損失。

 

  3 高邊坡滑坡體勘察

 

  高速公路高邊坡如果存在滑坡體,對邊坡施工及行車(chē)都會(huì )帶來(lái)極大的安全隱患,因此,對于有可能存在滑坡體的高邊坡,在施工前一定要開(kāi)展詳細的地質(zhì)勘察,而工程物探是查明覆蓋物發(fā)育地段隱伏滑坡體的有效手段。 高邊坡滑坡體一般是因坡面上存在不良的地質(zhì)構造或含水量較高的松散堆積物引起的。根據其不同的成因,可以選擇不同的物探方法。

 

  對于不良地質(zhì)構造引起的滑坡體,一般都是因為構造的產(chǎn)狀較陡,且其傾向與邊坡的傾向一致所引起的,因此,對于此類(lèi)滑坡體,采用常規的電測深和電阻率剖面法配合鉆探即可取得較好的效果。 對于松散堆積物,主要是劃分第四系松散堆積層、滑波中含水層、相對隔水層以及堆積物與基巖的界面,確定滑坡體的埋藏深度和平面分布范圍。某高速公路可能存在松散堆積物滑坡體的高邊坡,在施工前綜合使用淺層地震法、面坡法及電法,利用地質(zhì)體的電性和彈性性質(zhì)基本查明了滑坡體的分布情況。經(jīng)綜合解釋,該滑坡體反射波波速為600～700m/s,面波波速為190～450m/s,視電阻率為250～600???m,下伏密實(shí)碎石土及基巖反射波波速為1200～3700m/s,面波波速為600～1400m/s,視電阻率為700～1100???m,利用反射波、面波可以確定密實(shí)碎石土的埋深,利用視電阻率可以確定含水層及相對隔水層(密實(shí)碎石土)的界面,而最主要的滑動(dòng)帶正是位于密實(shí)碎石土的頂部,結果與驗證鉆孔基本一致。

 

  4 隧道勘察

 

  根據隧道工程的特點(diǎn)、地質(zhì)環(huán)境特征、需要解決的工程地質(zhì)問(wèn)題及各物探方法適用的地質(zhì)地球物理前提條件,用于隧道地質(zhì)勘察的工程物探方法主要有多波地震映象法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法和高密度電法等。

 

  多波地震映象法可以用來(lái)測得巖質(zhì)隧道圍巖巖體、巖石的縱波速、橫波速,從而求得圍巖動(dòng)彈性模量、泊松比等物理力學(xué)指標,為隧道洞身的圍巖分類(lèi)、隧道洞室的開(kāi)挖和襯砌設計提供依據。但該方法的探測深度有限(30～50m)。 對于埋深較大的隧道,利用瞬變電磁法、音頻大地電磁法、高密度電法等,查明隧道工程場(chǎng)址的地質(zhì)構造背景及對隧道施工有影響的煤層、礦體、采空區、破碎帶、喀斯特發(fā)育區和水文地質(zhì)的基本特征,有較好的效果,為隧道的比選、隧道線(xiàn)形的展布和避讓重大不良地質(zhì)地段提供依據。

 

  5 地下管線(xiàn)勘察

 

  在老城區及部分跨線(xiàn)橋施工以前,由于以往檔案資料的不全或不準確,常常要進(jìn)行管線(xiàn)的探測。對于金屬管線(xiàn),一般采用專(zhuān)用的管線(xiàn)儀?，F在國內外的專(zhuān)用管線(xiàn)儀采用的都是電磁感應原理,可將這類(lèi)方法歸到電法類(lèi)勘察。對于非金屬類(lèi)的管線(xiàn),這些儀器 的探測效果則較差,現在用得較多的是探地雷達法。 某高速公路擬在經(jīng)多次改道的地方縣道建跨線(xiàn)橋,該區地下自來(lái)水管縱橫交錯,有高壓水泥管及鋼管,埋深大致3～4m,自來(lái)水公司僅能提供水管的大致走向及分布情況。因該區處于軟基路段,實(shí)施坑、槽探十分困難,通過(guò)使用電阻率法和探地雷達技術(shù),精確地查明了自來(lái)水管的具體位置,經(jīng)變更擬建跨線(xiàn)橋的樁基位置,避免了不必要的損失和潛在的民事糾紛。

 

  6 結語(yǔ)

 

  (1)各種工程物探技術(shù)都有其適用性與局限性,針對具體的勘察任務(wù),應仔細地分析目標體的客觀(guān)條件(規模、埋深等)及其與非目標體之間的物性差異,選用一種或幾種物探技術(shù),結合已有的相關(guān)資料進(jìn)行綜合解釋。

 

  (2)工程物探一般可以連續觀(guān)測,對查明規模及埋深變化較大目標體的分布情況,優(yōu)于鉆探等常規方法“點(diǎn)測”的結果。

 

  (3)工程物探作為一種間接的勘察手段,不能直接提供工程上所需的各項巖土力學(xué)參數,應該與鉆探、原位測試等手段所取得的成果進(jìn)行分析對比,建立相應的經(jīng)驗關(guān)系,對物探資料進(jìn)行定量、半定量解釋,使工程物探技術(shù)更好地應用于高速公路工程勘察中。

 

  (4)工程物探技術(shù)在高速公路工程勘察中的作用是肯定的,特別是在采用常規的勘察手段非常困難(甚至無(wú)法采用)或不經(jīng)濟時(shí),可以借助于工程物探技術(shù)。隨著(zhù)物探技術(shù)的不斷發(fā)展,其在高速公路工程勘察中有良好的應用前景。