跨海青特大橋巖溶地質(zhì)的勘查工作研究

溫登欽，白繼宏，王培森，巴興之

(1.山東鐵路投資控股集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250102；2.中國建筑土木建設(shè)有限公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250101；3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；4.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002)

0 前 言

巖溶地貌又稱喀斯特地貌[1-2]，巖溶區(qū)地基易受力不均勻從而引發(fā)沉降變形的不均勻，甚至發(fā)生塌陷，造成不可挽回的破壞，對施工安全、質(zhì)量、工期影響很大[3]。中國是一個巖溶大國[4]，施工前進(jìn)行地質(zhì)勘探，充分了解地質(zhì)條件，進(jìn)而提前制定施工計劃，預(yù)防樁基施工病害，提高施工效率，節(jié)約成本。

跨海青特大橋，橋址區(qū)域?yàn)榇罄韼r，發(fā)育溶蝕現(xiàn)象，多為溶孔、溶隙，揭示溶洞洞高0.4～4.6 m，無填充或全填充硬塑狀粉質(zhì)黏土及碎石土，遇洞率34.04%，線溶率1.82%～56%，綜合分析為微弱發(fā)育～弱發(fā)育。本文運(yùn)用綜合物探技術(shù)和三維激光探測技術(shù)對橋址的地質(zhì)條件進(jìn)行了探測，由多個結(jié)果相互印證，克服了單一物探方法的多解性，提高了探測結(jié)果的可靠性[5-6]。

1 巖溶綜合物探方法及成果[7-10]

1.1 地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)也稱探地雷達(dá)，是利用頻率為106～109 Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)的一種地球物理探測儀器，在工程地質(zhì)勘察、公路工程質(zhì)量檢測等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

對373#至萊方臺之間的橋墩(限于農(nóng)田場地條件376#未做)地基進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測，并參考地質(zhì)勘察結(jié)果對個別橋墩加強(qiáng)探測。探測結(jié)果為：374#墩、375#墩、377#墩、379#墩、383#墩均有巖溶發(fā)育現(xiàn)象，特別地，在375#墩發(fā)現(xiàn)存在多處巖溶發(fā)育，推測下方巖溶發(fā)育比較強(qiáng)烈。

1.2 瞬變電磁探測

瞬變電磁探測具有體積效應(yīng)小，方向性強(qiáng)，縱橫向分辨率高，對低阻體反應(yīng)靈敏，施工快速等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種工程物探中，是解決含水層富水區(qū)探測、工程水文地質(zhì)問題的理想探測手段。

采用瞬變電磁法進(jìn)行探測時的整個測區(qū)面積大小為300 m×12 m，包含11個承臺，每個承臺尺寸為11 m×7 m，并設(shè)置了3條測線。由探測結(jié)果推測，383#墩及373#墩附近區(qū)域可能發(fā)育溶洞，且溶洞內(nèi)不含水或含少量水；若存在發(fā)育溶洞的情況，也幾乎是不充填或者砂石泥土充填。

1.3 跨孔電阻率CT探測

跨孔電阻率是一種陣列式勘探方法思想，電極變換方式較常規(guī)電法豐富，數(shù)據(jù)采集方式是分布式的，在野外測量也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集。測試結(jié)果經(jīng)處理可以得到關(guān)于視電阻率等值線圖或真電阻率反演剖面等各種圖示結(jié)果。跨孔電阻率CT探測一次可以完成縱橫二維勘探過程，所以觀測精度較高，數(shù)據(jù)采集可靠，具備較好的成像功能。

采用跨孔電阻率CT探測時每個探測橋墩共設(shè)4個鉆孔(4個鉆孔以橋墩為中心)，呈矩形分布，每組共設(shè)有6條測線。以375#墩部分測線探測結(jié)果為例進(jìn)行介紹，基于電阻率的分布情況，推斷兩孔之間區(qū)域巖溶裂隙發(fā)育。

2 三維激光掃描探測[11]

2.1 三維激光掃描的探測過程

溶洞自動激光掃描系統(tǒng)的探測器利用地表的鉆孔下放至溶洞內(nèi)部，迅速而安全地對溶洞進(jìn)行三維激光掃描。激光探測器直徑為60 mm，一般情況下，用于下放探測器的鉆孔直徑要求不小于70 mm。受設(shè)備主電纜及鉆孔跟蹤桿件的承載力限制，探測器沿鉆孔下放的最大深度為300 m。完整探測過程如下。

1)測量地表鉆孔的孔口坐標(biāo)和鉆孔跟蹤桿件架的方位角，將其輸入到控制軟件中。

2)下放探測器并記錄鉆孔跟蹤數(shù)據(jù)。鉆孔跟蹤桿件每下放1 m或2 m讀取一次鉆孔跟蹤數(shù)據(jù)，直至到達(dá)理想掃描位置，可實(shí)時觀察鉆孔內(nèi)部情況，如圖1所示。

3)激光掃描。須選定掃描模式和合適的步幅增量。若溶洞體積巨大或中間有障礙物，可設(shè)置兩個鉆孔進(jìn)行探測。在100 m范圍內(nèi)，操作人員可利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遙控操作和監(jiān)視，最終生成溶洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成掃描。

4)合成鉆孔跟蹤數(shù)據(jù)和溶洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描完成后，將獲得的鉆孔下放跟蹤數(shù)據(jù)以及溶洞三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并，最終得到完整的溶洞探測數(shù)據(jù)。

2.2 原始掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出

通過探測得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過空區(qū)激光自動掃描系統(tǒng)處理軟件處理后得到探測孔的原始點(diǎn)云。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以采用數(shù)字處理軟件進(jìn)行處理和編輯。

鉆探孔激光掃描基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以萊方臺為例，樁基探測孔以49號樁為例。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖2自左至右依次為點(diǎn)云俯視圖、點(diǎn)云正視圖(南北向)和點(diǎn)云側(cè)視圖(東西向)。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

受外界因素影響，最終的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)會出現(xiàn)無距離點(diǎn)和壞點(diǎn)；“中間介質(zhì)點(diǎn)”現(xiàn)象也會造成點(diǎn)位的偏移。采用“濾掉掃描中單個明顯壞點(diǎn)”的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，即濾掉超過工作區(qū)域固定空間范圍的噪聲點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)距離超過某可信值的失真點(diǎn)。邊緣點(diǎn)在掃描線上與前后兩點(diǎn)連線的夾角小于某可信值也為失真。合理的探測位置對準(zhǔn)確探測溶洞實(shí)際邊界至關(guān)重要。形態(tài)復(fù)雜的溶洞要設(shè)法進(jìn)行多點(diǎn)探測，再將數(shù)據(jù)拼接形成完整的溶洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)。多點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)拼接就是將多次掃描的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)置于一個公共的坐標(biāo)系下。

2.4 溶洞三維模型構(gòu)建

溶洞三維模型的建立是整個模型建立過程中最重要的部分，通過建立溶洞三維模型，可以實(shí)現(xiàn)溶洞的三維可視化，形成三維直觀的可視化模型。建立溶洞三維模型后，可以計算溶洞總體積，計算任意分層的體積，并在任意方向上產(chǎn)生剖面。萊方臺溶洞三維實(shí)體模型如圖3所示(自左至右依次為模型俯視圖、模型正視圖(南北向)和模型側(cè)視圖(東西向))。

(a)

(b)

(c)

2.5 溶洞三維激光探測成果輸出

萊方臺、49號樁、375#墩和379#墩都存在溶洞發(fā)育現(xiàn)象，且有向四周延伸的趨勢，有流動水沖刷痕跡。其中萊方臺處溶洞的最大延伸長度約為1.6 m，最大體積約為0.55 m3；49號樁處溶洞的最長延伸長度約1 m，最大體積約0.97 m3。

3 結(jié) 論

濰萊高鐵跨海青特大橋橋址區(qū)域勘探范圍內(nèi)緩坡地段局部上覆第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積層粉質(zhì)黏土及中砂，局部分布第四紀(jì)全新統(tǒng)人工堆積層雜填土，下伏晉寧期花崗巖。綜合分析巖溶微弱～弱發(fā)育，375#墩及萊方臺區(qū)域強(qiáng)烈發(fā)育，萊方臺地基有無填充溶洞，溶洞高約0.6 m，長約1.6 m，且有向周邊延展趨勢。其他多為碎石及泥土填充型溶洞，巖石完整性差，其他橋墩地基大理巖裂隙、溶蝕發(fā)育，局部呈蜂窩狀，有流水沖刷跡象，巖石完整性差，施工時應(yīng)注意。

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