基于數(shù)字化的巖土工程勘察技術(shù)分析

賓海東 中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司

1 前言

2 勘察技術(shù)在巖土工程施工中的運用意義

在巖土工程中，勘察工作涉及了許多領(lǐng)域，其中包括力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等多方面知識。特別是勘察技術(shù)應(yīng)用效率，直接關(guān)系到工程建設(shè)的安全性和穩(wěn)定性。由于受技術(shù)、設(shè)備等因素的制約，導(dǎo)致勘察精度不高，對巖土工程勘察工作的開展具有直接的影響。因此在巖土工程建設(shè)中要做好地質(zhì)勘探工作，利用科學(xué)的勘察技術(shù)開展相應(yīng)的工作，以獲得準(zhǔn)確、高效的資料和信息，對巖土工程的建設(shè)工作產(chǎn)生積極的影響。在傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探工作中，鉆井作業(yè)是以鉆井為主導(dǎo)的一種技術(shù)種類，但隨著我國工程技術(shù)的迅速發(fā)展，對巖土工程勘察的需求日益提高，常規(guī)鉆井技術(shù)已不能適應(yīng)工程建設(shè)的需要。必須引進(jìn)多種先進(jìn)的勘查技術(shù)，保證勘察工作的專業(yè)性，為工程設(shè)計、施工等方面的技術(shù)支撐。

在勘測階段，會采用各種新型的小型儀器和設(shè)備，由于設(shè)備的體積小，可以提高工程的操作效率，減少勘察的工作量。在勘測的過程中，為了提高測量的準(zhǔn)確性，必須清理現(xiàn)場的植被和雜物，以免影響勘察的質(zhì)量。這樣的勘測方法會對周圍的生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞，而采用新的勘測技術(shù)，不但可以提高測量精度，還能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，不會對周圍的生態(tài)造成任何影響，保證勘測工作的順利進(jìn)行[1]。

3 數(shù)字化巖土工程勘察特點與其系統(tǒng)構(gòu)成

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件存在很大的差異，整體上表現(xiàn)出復(fù)雜多變的特征。由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，施工單位在開展巖土工程時會遇到很多困難。因此，在巖土工程勘察工作具有舉足輕重的地位，一旦在勘察中出現(xiàn)問題，將會影響到最終的測量結(jié)果，導(dǎo)致巖土工程的風(fēng)險，影響到最終的工程質(zhì)量。在進(jìn)行巖土工程勘察時，施工單位要根據(jù)現(xiàn)場的具體情況，加大調(diào)查技術(shù)力度。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)特征，采取科學(xué)、合理的勘察設(shè)計和施工技術(shù)，提高勘察工作水平及工程施工質(zhì)量。

3.1 特征

依據(jù)數(shù)字化技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用方式、方向等可以發(fā)現(xiàn)（圖1），主要有三類特點。

（1）具有動態(tài)性。利用數(shù)字技術(shù)的監(jiān)控探頭、感應(yīng)探頭和聲波探頭，可以對特定區(qū)域內(nèi)的巖土展開動態(tài)監(jiān)測，例如城市地下水等，跟蹤重點工作，根據(jù)采集到的資料，對勘察目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)分析，為智慧城市建設(shè)等提供動態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）具有安全性。可以防止勘探人員深入危險復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，保證地質(zhì)調(diào)查的安全。另一方面，數(shù)據(jù)的安全問題，基于4G技術(shù)向5G傳輸技術(shù)的轉(zhuǎn)變，使得數(shù)據(jù)無線傳輸、存儲等都具有很高的安全性，不會發(fā)生“失真”或者被惡意攻擊的現(xiàn)象。

（3）具有集群性。數(shù)字化技術(shù)可以為巖土工程勘測提供更為可靠的數(shù)據(jù)庫、更為立體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等，而且通過數(shù)字化技術(shù)可以讓人們更直觀、更清晰的了解所呈現(xiàn)的物體，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化已有的設(shè)計，實現(xiàn)了高度的集群化。

3.2 構(gòu)成

通過分析巖土工程勘察數(shù)字技術(shù)構(gòu)成和原理可以發(fā)現(xiàn)，其由三個部分構(gòu)成。

盡管存在名稱使用差異、甚至混用概念的現(xiàn)象，但是應(yīng)該看到，相當(dāng)一些學(xué)者對美國學(xué)的起源、發(fā)展、理論與方法等方面的認(rèn)識趨于一致。美國學(xué)作為一個獨立學(xué)科，是隨著美國綜合國力的強盛，隨著美國文化的獨特性逐漸得到認(rèn)可才在美國學(xué)界興起并得以發(fā)展。跨學(xué)科、關(guān)注文化研究被認(rèn)為是美國學(xué)的基本特征。

（1）感應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一系列感測元件，例如電感器等，并通過智能系統(tǒng)控制感應(yīng)器，實現(xiàn)智能化控制巖土勘探的實際內(nèi)容。而且感應(yīng)系統(tǒng)的安裝和使用相對容易，總體造價可以控制在一個合理的范圍之內(nèi)，目前已廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)，也更加體現(xiàn)了智能城市的外部效果。

（2）傳輸系統(tǒng)。由于地質(zhì)勘探工作的特殊性和特殊的勘探工作，一些巖土工程勘察必須建立起一套可靠的傳送網(wǎng)，以便將探針等傳感器采集到的資料及時傳送給作業(yè)終端或儲存裝置，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

（3）存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是將勘探資料中的一些有價值的資料保存起來，供以后的資料利用，或者為以后的分析工作做好準(zhǔn)備。

4 巖土工程勘察中存在的問題

4.1 前期工作問題

由于巖土工程勘察工作比較煩瑣，易受各種地質(zhì)條件的影響，使勘察工作的難度增大，對勘察工作的順利進(jìn)行產(chǎn)生不利的影響。項目前期工作中存在的問題主要表現(xiàn)在：一是勘察體系不清晰，難以對勘察過程進(jìn)行有效的描述，造成工程項目流程化程度低，影響了工程進(jìn)度，阻礙了勘察項目的實施；二是各部門的協(xié)調(diào)能力不強，勘察工作必須要多個不同的工作崗位，且要有一個有效的分工合作，這樣才能保證勘測工作的順利進(jìn)行，達(dá)到更好的地質(zhì)勘察效果，提高勘測結(jié)果的精確度。

4.2 泥漿護(hù)壁問題

第一，由于泥漿的比重不合理，造成了井壁上的泥漿容易脫落，不能起到防護(hù)作用，影響了井眼的穩(wěn)定；第二，抽水率和井深不協(xié)調(diào)，會影響到井壁的形成，產(chǎn)生不完全的孔壁；第三，一些勘測單位使用水鉆法進(jìn)行鉆探，如果遇到軟土，就會造成鉆頭與淤泥產(chǎn)生粘連，造成孔內(nèi)沾上大量的泥沙，影響到井筒的清潔性。

4.3 巖土參數(shù)問題

第一，地質(zhì)參數(shù)會影響勘測分析的成果，妨礙巖土工程的力學(xué)性能，妨礙工程地質(zhì)分析以及勘探工作；第二，會對勘察參數(shù)的計算產(chǎn)生一定的影響，從而降低測量精度，特別是在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下，會對工程項目的順利進(jìn)行造成不利的影響；第三，由于設(shè)計人員缺乏專業(yè)知識，在巖土參數(shù)檢測中存在誤差，造成測量數(shù)據(jù)不精確等問題，影響了巖土工程的正常進(jìn)行，給后續(xù)的工程建設(shè)埋下了隱患[1]。

4.4 設(shè)備管理問題

第一，由于設(shè)備的老化，使其性能降低，不能正常工作；第二，由于設(shè)備存在故障，加之維修工作不到位，經(jīng)常在使用中發(fā)現(xiàn)問題，致使調(diào)查工作不能順利進(jìn)行；第三，由于設(shè)備運行不當(dāng)，造成了設(shè)備在某種程度上的損壞，從而降低了儀器的功能，影響了巖土勘探的開展；第四，未能妥善保管好電器設(shè)備，特別是電器在使用過程中，因為受潮而造成短路，致使電線燒毀，需要重新安裝，對設(shè)備造成很大的傷害[2]。

4.5 勘探孔布置問題

在巖土工程勘察中，探井的布設(shè)存在著一定的規(guī)律性，如果布設(shè)不當(dāng)，將會對勘測工作產(chǎn)生不利的影響。探井布設(shè)存在以下問題：第一，探井?dāng)?shù)目過多，會造成單位面積的孔隙密度增大，增大工程工作量，影響勘察成果；第二，嚴(yán)格控制探測孔的距離，超出探測范圍，會影響到探測區(qū)域，影響地質(zhì)構(gòu)造，降低測量精度；第三，由于鉆孔深度不夠，孔深達(dá)不到地質(zhì)探測的要求，致使勘查對象未能到達(dá)指定的位置。為確保勘探成果的準(zhǔn)確，必須做好物探鉆孔的布置，確保物探孔的規(guī)律性。

5 數(shù)字技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用措施

5.1 在數(shù)據(jù)建模板塊

當(dāng)前數(shù)字化建模在巖土工程中主要有兩類用法，即數(shù)字表面技術(shù)和不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)法。

（1）數(shù)字表面模型。數(shù)字表面模型法有很長的發(fā)展應(yīng)用歷史，它可以根據(jù)需要，細(xì)致地顯示勘察目標(biāo)的外觀，而且所得到的數(shù)據(jù)精度很高，所以它的使用范圍很廣泛。其基本原則是以一個探測點為基礎(chǔ)，再將其向外擴展，獲得具有屬性和幾何特性的離散數(shù)據(jù)，最后利用數(shù)據(jù)分析的方法，將勘探隊形的位置信息以數(shù)據(jù)形式顯示在相應(yīng)的系統(tǒng)中。這種探勘方法是將勘探目標(biāo)中具有相同屬性的點按照一定的順序排列在一起，構(gòu)成了一個網(wǎng)絡(luò)面，用于顯示勘探目標(biāo)的屬性、空間屬性（見圖2）。

（2）不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)法。利用不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，既可以避免數(shù)據(jù)冗余，又具有良好的計算效率，可以在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，特別是在一些特定條件下，可以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]，比如水域線，斷裂線，還有其他的一些特殊情況。該方法的基本思想是通過建立斷裂線CDT的方法構(gòu)建Delaunay三角，在該三角網(wǎng)絡(luò)中，所有的三角形都不會相互相鄰，而其他的點則不會出現(xiàn)在三角形的外圍。其具體方法是：把關(guān)聯(lián)點壓縮到某一區(qū)域，再以三角形的形式生成；第二種是逐步插入的方法，將三角形依次插入到其余的空間中。

（3）其他數(shù)據(jù)發(fā)展。目前，在智能城市的巖土勘探系統(tǒng)中，一般采用的方法有三維數(shù)字方法和地貌模型方法。前者主要是通過對巖土工程勘察內(nèi)容的三維空間組成元素，建立立體的立體模型，以屬性、特征為依據(jù)，對城市地下層、地下水等進(jìn)行立體的描述；后者則側(cè)重于特定區(qū)域，在利用DEM技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用遙感技術(shù)進(jìn)行三維立體顯示。該方法在實際應(yīng)用時，可以通過PS軟件對轉(zhuǎn)換后的正射圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理，以獲得具有紋理的三維城市模型。

5.2 巖土工程勘察中數(shù)字技術(shù)數(shù)據(jù)庫搭建

利用數(shù)字化技術(shù)獲取的地質(zhì)勘探資料，既有地理空間的，也有非空間的，再細(xì)分為基本資料和勘探資料。①地貌或地形圖。主要反映數(shù)字化技術(shù)巖土工程勘察基礎(chǔ)上所得到的該區(qū)域自然地貌狀態(tài)。②自然規(guī)劃圖。自然規(guī)劃信息，包括公共設(shè)施、居民區(qū)、道路、河流等。前者指的是測量目標(biāo)的有關(guān)數(shù)據(jù)，另一種是指物理力學(xué)、自然環(huán)境、地理數(shù)據(jù)等有關(guān)的數(shù)據(jù)；另一方面，則是對特定的地層資料，如沉積年代、資料周期、液化參數(shù)等。

從以上分析可以看出，在進(jìn)行巖土工程數(shù)字系統(tǒng)建設(shè)中，有幾個方面值得注意。首先，要清晰界定數(shù)據(jù)庫的相關(guān)概念，建立一個可信的數(shù)據(jù)庫模型。在巖土工程勘測數(shù)字化過程中，需要大量的數(shù)據(jù)資源，還要面對各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)環(huán)境。因此，為保證數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性、可靠性和實用性，使概念數(shù)據(jù)模型更真實地反映實際情況，應(yīng)將與分離實體及關(guān)聯(lián)相關(guān)的行為與功能，即資料來源必須是實地考察，并與研究目標(biāo)有某種關(guān)聯(lián)。其次，建立一個資料庫。通過對數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)化技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用主要有三種：①原始資料處理；②中間系統(tǒng)處理；③最后的數(shù)據(jù)處理。在測量資料的基礎(chǔ)上，測量點的屬性資料和測量點的幾何資料構(gòu)成了勘測資料；中間資料是由原始資料系統(tǒng)自動產(chǎn)生的，包括地層面等高線模型、表面模型、剖面模型等，利用該模型可以產(chǎn)生不同類型的用戶所需的圖形，并能進(jìn)行多種查詢操作。最后數(shù)據(jù)類型很多，以用戶的需求為基礎(chǔ)，通過圖片和文件等中間數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

6 數(shù)字化技術(shù)在巖土工程勘察時運用的案例

某項目的主要的結(jié)構(gòu)形式是：鋼結(jié)構(gòu)建筑面積為453000m2，跨度為17.3m，而地下室的標(biāo)準(zhǔn)高度為?5.3m。按照項目的勘察設(shè)計和施工的要求，一共有310個鉆孔，每一個鉆孔都要有24m的間距，每一個孔要有15m深。此次勘測所采用的設(shè)備、儀器、全站儀等設(shè)備，在勘測時必須準(zhǔn)確定位鉆孔位置，然后檢查高程參數(shù)。根據(jù)勘測工作的要求，在進(jìn)行勘測時，對其承載性能、變形、含水量、致密程度等開展試驗。在安裝實施階段，必須綜合考慮各種環(huán)境因素和影響，并嚴(yán)格按照施工程序和規(guī)程進(jìn)行操作。當(dāng)特定的品質(zhì)達(dá)到要求時，應(yīng)當(dāng)將資料儲存到系統(tǒng)中，使之構(gòu)成整體的分布圖。

在巖土工程的前期勘察工程結(jié)束后，再進(jìn)行基礎(chǔ)的填筑。通過這次調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了夾層中的粉質(zhì)黏土，其物理特性為：壓縮系數(shù)為0.33，水分含量大于32.11%，飽和度達(dá)到95%。另外，根據(jù)調(diào)查的結(jié)果，可以看出在調(diào)查中，巖石的主要成分是石英和少量的卵石，具有連續(xù)性的分布特征，要求深度為12.2m~15.1m，底部為14.3m~16.7m，密度為中等。基于上述資料，相關(guān)設(shè)計人員可以將資料整合起來，形成專門的規(guī)劃圖，以此判斷出巖土的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，提高工程的施工質(zhì)量。

7 結(jié)束語

因此，在現(xiàn)有的巖土施工項目調(diào)查背景下，運用先進(jìn)的信息化技術(shù)，不僅可以保證地質(zhì)調(diào)查工作的質(zhì)量，提高勘察資料的可靠性，而且可以降低成本和操作難度。特別是在現(xiàn)代智能城市的建設(shè)中，數(shù)字巖土工程技術(shù)可以為城市的發(fā)展提供更加真實、立體的數(shù)據(jù)支持。各有關(guān)部門要進(jìn)一步完善自身的技術(shù)系統(tǒng)，創(chuàng)新技術(shù)運用方法，促進(jìn)巖土工程勘探事業(yè)的向前發(fā)展。