高速公路水工環地質勘查技術與應用

李國林

（湖南省交通科學研究院有限公司，湖南長沙410000）

0 引言

現代化建設水平的不斷提升，使得各地對高速公路建設使用的安全可靠需求越來越高，然而隨著高速公路交通網絡系統的建設規模不斷擴大，不可避免會遇到復雜的水工環地質條件。為此，工程建設者應從現有水工環地質條件資料入手，通過優化勘查技術應用的適用性，從源頭入手，為高速公路建設使用的安全穩定效果提供保障。

1 工程概況

湖南省某高速公路穿越大型石膏礦及采空區，石膏礦分布于K1+200～K3+250 里程段，沿線穿過村莊、河流、農田、公路等。膏礦開采方式為：應用沿走向以順路平巷形式推進的棋盤狀壁式充填采礦法（即房柱充填法）。采場規格：長度≤100m；寬度按埋深劃分，45m 以上采礦空間跨度≤8m，45m 以下為≤12m；保安柱的寬度，雙采場及采空區之間≥3m，上下山運輸巷兩側≥4m，主大巷兩側寬≥5m；采場回填率≥30%。此次橋址勘察為施工圖設計階段工程地質勘查，采用鉆探、物探和地質調繪相結合的方法，巖土試驗為室內常規物理性試驗、標準貫入試驗。為了詳細查明采空區的空間展布（埋深、采空高度、回填情況等）、采空區對路線、橋梁的影響等，為采空區綜合處治提供詳細地質依據。

2 高速公路水工環地質條件

2.1 地質條件

根據1∶20 萬韶山幅地質圖（7-49-Ⅴ）及1∶5 萬衡山縣礦產資源分布圖（2015年）等資料表明，路線走廊帶內構造體系屬早—晚期新華夏式構造體系，區內構造主要呈北東至北東向展布，橋址下伏基巖總體為單斜構造。通過此次勘察和地質調查，橋位區內無大規模構造發育，橋址下伏基巖總體為單斜構造，巖層產狀為90o∠10o，本橋位區未發現新構造運動痕跡。通過此次勘察和地質調查，橋位未發現新構造運動痕跡。

2.2 水文地質條件

2.2.1 地表水

橋位區地表水主要有涓水，古稱興樂江，是湘江的一級支流。該流域發源于雙峰縣昌山，途經新橋、貫塘、江東、白果、長青五個鄉鎮，涓水全長103km，流域面積1764km2，下游河寬80～100m，平均坡降11‰。境內長約26.8km，匯水面積為490.4km2。20世紀50年代，是衡山的第二條通航河道，后來因為河床淤積問題被阻斷。

2.2.2 地下水

橋位區地下水主要為基巖裂隙水與松散堆積層中的孔隙水。其中裂隙水賦存在泥質粉砂巖的層間裂隙環境，主要依靠大氣降水補給。水量大小與裂隙的發育程度、連通情況密切相關，一般較小，埋深較大，水量受季節變化影響較小。而孔隙水主要賦存在第四系松散堆積層中，具體體現為場區范圍內的粉質黏土及砂卵石層。因補給僅接受大氣降水與地表水，所以水量小，且隨季節變化問題影響明顯。

2.3 采空區石膏礦脈分布

礦脈分布里程：路線K1+200～K3+500 之前均有灰綠色青石膏層分布。K1+900 之前埋藏淺，風化強烈，無開采價值。厚度2～4m 的青石膏礦脈從西側(起點)以2～5o的傾角向北東70o方向東側(終點)分布；K1+260 處礦脈埋深6.3～8.6m，上部為黏性土及全風化巖；K2+940 處礦脈埋深67～71m，地表3～7m土層，土層與礦脈之間為強—中風化泥質粉砂巖(含數層1～20cm 白石膏)。

3 水工環地質勘查技術在高速公路中的優化應用

3.1 鉆孔勘察技術

根據地質調查和礦山開采資料收集，結合鉆孔資料分析，石膏礦分布路段為K1+200～K3+200 段，共計布置鉆孔52 個，鉆孔揭露青石膏礦最厚為5.6m，最薄為0.5m，平均厚為2.65m，礦層分布比較穩定，與巖層基本一致，產狀為70o∠5o，即礦脈走向340o（160o），傾向70o（北東向），傾角約5o。調查及本次勘探，為挖掘石膏礦而廢棄的礦洞，路線附近于2009年曾發生過地面塌陷。礦體走向北東、傾向東南，傾角4o～6o，呈層狀產出，礦體垂直厚度1.5～2.6m，平均厚度2m。

根據此次物探及鉆探情況顯示，主要影響范圍位于K1+900～K3+180，共計1.28km。鉆孔揭露采空區高度2.5～3.5m，埋深24～90m。采空區頂板為較完整的中風化泥質粉砂巖，含10cm 白石膏多層，地表覆蓋層厚度約3.0～4.0m；采空區底部為較完整的中風化泥質粉砂巖，該段對路線及橋梁設計影響較大。其中K1+900～K2+480 路段，采空區埋深24～36m，采空區頂部中風化泥質粉砂巖厚度10～20m。K2+480～K2+710 路段，采空區埋深36～44m，采空區頂部中風化泥質粉砂巖厚度38～42m。K2+710～K2+940 路段，采空區埋深44～67m，采空區頂部中風化泥質粉砂巖厚度44～60m。K2+940～K3+250 路段，采空區埋深67～92m，采空區頂部中風化泥質粉砂巖厚度為60～80m。

另外，根據鉆孔孔內攝像結果也驗證了采空區內大部分路段沒有積水，上部裂隙水呈淋雨狀進入采空區后，向抽水井（2 工區斜井）匯集，并抽排至采空區外，如圖1所示。

圖1 采空區巷道及采場標高與地下水變化情況

3.2 GPS 技術

GPS 衛星地位技術的基本原理是通過太空衛星來接收地面的無線電信號，利用衛星導航的定位系統來測量距離。其原理是利用衛星對當地三個以上的地面位置點交會，進而確定某一未知點。具體操作方法為：首先，將1 臺GPS 接收機放置在基準站上進行不間斷的觀測；其次，將觀測到的數據通過無線電傳輸裝置發送到地面用戶觀測站；再次，以相對定位原理對獲取的基線向量進行計算分析得出需要的三維坐標；最后，經再預設的三維坐標系與地方坐標系的轉換參數，確定所需要的三維坐標精度。此方法精確程度高，能夠降低勘查時間，提高水工環地質勘查的工作效率[1]。高速公路水工環勘查應用GPS 技術的原理，如圖2所示。

圖2 GPS 技術的原理圖

3.3 GRS 技術

GRS 技術的應用原理與GPS 技術相似，利用電磁波對所處水工環地質進行信息數據采集。而后，再對獲取的地質信息數據進行分析與轉換，來完成高速公路水工環的地質勘查工作。在運用探地雷達系統的過程中，需要將發射天線設置在勘測設施中，如此就可獲得地下發射出的電磁波信號，進而對地下地質結構進行有效探測，為地質信息數據的處理提供重要依據。

GPS 探地雷達技術的應用，能夠為實現水工環地質勘查數據采集與分析工作的全自動化建設提供技術支撐。與其他地質勘查手段相比，其獲取的圖像細節清晰度更好，可為工程項目建設決策的正確選擇提供數據支撐。因而，GPS 探地雷達技術在水工環所處的工程項目地質勘查工作中得到了廣泛應用。在具體技術應用中，要求相關人員結合地下地質結構反射獲得電磁波振幅變化，來掌握結構性質與形態，但在實際應用控制過程中，GRS 技術應用仍存在探測距離較短的問題，需不斷進行優化調整，以規避局限性影響。

3.4 RTK 技術

RTK 的工作原理是在基準站上放置1 臺接收機，在流動站上放置另外一臺或幾臺接收機，流動站可以是靜止或者運動狀態下的，RTK 技術應用原理示意圖，如圖3所示。

圖3 RTK 技術的原理示意圖

這些接收機從同一GPS 衛星、同一時間接收到信號后，就可與基準站已知信息資料進行比較分析，最終得到GPS 的差分改正值。然后將這個GPS 差分改正值發送到流動站，再根據收到的GPS 差分改正值來確定流動站的實時位置。

3.5 瑞雷面波技術

瑞雷面波技術是最近幾年發展起來的技術，主要用于淺層的地震勘探。因為這項技術的應用速度與巖、土力學參數和剪切波速度有聯系，所以在地基的處理以及巖土工程與土石方工程中得到了較多的應用。該項技術應用中，通過天然地震面波信號進行地球內部結構的研究，有效利用人工地震面波實現工程勘探與工程質量的無損檢測。

3.6 RS 技術

RS 技術是指利用網絡環境來完成水工環的地質勘查工作，進而預防自然災害等失穩問題。從發展進程角度來看，水工環地質勘查工作在應用RS 技術后，起到了一定的積極作用。隨著科技水平的不斷提升，多源遙感技術已經被研發使用，即通過構建多元模型功能，為高速公路水工環地質勘查工作提供更為詳細清晰的圖像資料。

3.7 TEM 技術

TEM 瞬變電磁技術，早期應用在航空航天，通過探測手段分析太空物質，在水工環地質勘查領域，瞬變電磁技術的應用研究時間較短，能夠充分發揮作用的勘查對象為金屬礦石[2]。瞬變電磁技術的應用原理為，運用電磁設備回線作用，以脈沖信號方式把電磁波發送至水工環勘查位置。作用于地下地質結構的電磁脈沖信號，遇到具有定性或是不均勻特征的物質，就會形成異常狀態的渦流流場。此技術的應用，能夠有效提升地下地質結構物分析判斷的準確性。如，地下地質結構介質受到電磁波干擾后，與其產生影響，電磁波傳播時長越高，就會向地質結構更深層次擴散，在此技術條件下，水工環的地質勘查結果準確性就能夠得到保障。因而，高速公路涉及水工環地質勘查技術工作，應用瞬變電磁技術，并通過總結經驗規律，來對可能存在的不合理問題進行優化控制，進而將技術應用效果在水工環地質勘查工作中發揮出應有價值。

4 結語

綜上所述，高速公路地處石膏礦采空區水工環地質條件，可以應用以下幾種勘察技術，來保證水文地質評價分析結果的準確性：一是鉆孔勘察技術，將鉆孔資料作為基礎，結合調查等，能夠確定石膏礦采空區的主要影響范圍；二是GPS 技術，就是通過衛星導航定位系統從太空衛星接收無線電信號，以完成水工環地質結構條件的測量確定；三是GRS 技術，經電磁波收集水工環地質情況信息，通過分析與轉換處理，來保證勘察結果獲得的可靠性；四是TEM 技術，借助電磁設備中的回線作用，將電磁波以脈沖信號形式發送到地下，進而產生異常渦流流場，此勘察技術能夠大幅提升對地下結構物的判斷準確性。基于此，處于采空區地質水文條件的高速公路工程建設，就能在確定水工環地質所帶來影響的基礎上開展各項作業，以達到工程建設使用的質量效果預期。