工程地質(zhì)與物探技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的協(xié)同應(yīng)用

何盼情

(西安交通工程學(xué)院,西安 710300)

為探討工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用,選取多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目,覆蓋道路、橋梁、隧道及建筑等領(lǐng)域,探討其具體應(yīng)用及對(duì)工程質(zhì)量、工程進(jìn)度及成本控制等方面的影響,通過工程地質(zhì)與物探技術(shù)協(xié)同應(yīng)用實(shí)踐,為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目提供有力的技術(shù)支持及決策參考,通過案例及效益分析來展示其潛在價(jià)值,為相關(guān)人員提供參考,以促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 工程地質(zhì)與物探技術(shù)

工程地質(zhì)是研究地質(zhì)過程及現(xiàn)象如何影響工程項(xiàng)目的學(xué)科,通過地質(zhì)勘察、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及地質(zhì)工程設(shè)計(jì)來識(shí)別并解決潛在的地質(zhì)問題,確保工程的安全性及穩(wěn)定性。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中,工程地質(zhì)應(yīng)用廣泛,包括對(duì)地層、地質(zhì)構(gòu)造及地下水位等地質(zhì)特征的研究[2]。物探技術(shù)是一種利用地球物理學(xué)原理,通過各種勘探方法獲取地下信息的技術(shù),包括地震勘探、電磁勘探、地磁勘探等多種方法,用于探測(cè)地下構(gòu)造、地下水位、地下巖層等信息,主要目的是為工程項(xiàng)目提供高質(zhì)量的地下信息,以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及施工過程。

協(xié)同應(yīng)用是將工程地質(zhì)與物探技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起,充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì),為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供全面的地下信息支持。在實(shí)際項(xiàng)目中,工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用可以幫助確定地下巖層的性質(zhì)、地下水位的情況、潛在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等,這些信息對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的選址、設(shè)計(jì)及施工至關(guān)重要。

表1 物探技術(shù)的應(yīng)用形式(常見手段及基本原理)Tab.1 Application forms of geophysical exploration technology (common methods and basic principles)

2 工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用

工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,確保了工程項(xiàng)目的安全性、可持續(xù)性及經(jīng)濟(jì)效益,其協(xié)同應(yīng)用具體過程如下：

2.1 前期規(guī)劃階段

在項(xiàng)目前期規(guī)劃階段,工程地質(zhì)與物探技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用,確保了項(xiàng)目選址及整體規(guī)劃的合理性,過程如下：進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查與分析。項(xiàng)目選址前進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查,收集地質(zhì)信息,包括地層性質(zhì)、地下水位、地質(zhì)構(gòu)造、地震風(fēng)險(xiǎn)等因素的分析,幫助確定項(xiàng)目的地理位置,分析地質(zhì)條件的可行性。物探技術(shù)主要用于地下信息的獲取,如電磁勘探、地震勘探及地磁勘探等方法可確定地下構(gòu)造、地下巖層特性及地下水位[3],有助于項(xiàng)目選址及設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)階段

工程地質(zhì)與物探技術(shù)可提供關(guān)鍵信息,確保設(shè)計(jì)的合理性及可行性。工程地質(zhì)信息被整合到工程設(shè)計(jì)中,確定建筑材料、基礎(chǔ)類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等選擇,確保工程在一定地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性。物探數(shù)據(jù)用于確定地下結(jié)構(gòu),如地下巖層的分布及地下水的流動(dòng),這對(duì)于選擇基礎(chǔ)工程的類型、深度及地下水管理非常關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)階段,工程地質(zhì)與物探技術(shù)提供詳細(xì)的地下信息,以支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)工程的選擇。具體過程包括：地下巖層勘探,即利用物探技術(shù),如地震勘探與電磁勘探確定地下巖層的性質(zhì)、深度及分布;物探技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)地下水位變化,這對(duì)于基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)及水文風(fēng)險(xiǎn)管理非常重要,尤其是在水土流失及淹水風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域。設(shè)計(jì)階段還需將前期規(guī)劃中的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)考慮進(jìn)來,工程地質(zhì)與物探技術(shù)提供的信息可幫助選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)及材料,以應(yīng)對(duì)潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 施工階段

在施工階段,工程地質(zhì)與物探技術(shù)的應(yīng)用有助于確保施工順利進(jìn)展。物探技術(shù)在施工中可用于地下結(jié)構(gòu)的探測(cè),避免與地下障礙物(如管道、巖層、地下均勻等)的沖突,節(jié)省時(shí)間及成本,降低風(fēng)險(xiǎn)[4]。地下水位的監(jiān)測(cè)同樣非常關(guān)鍵,特別是對(duì)于井基礎(chǔ)工程、挖掘工程及地下施工項(xiàng)目,通過物探技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位的變化,采取必要的水文風(fēng)險(xiǎn)管理措施。還可用于質(zhì)量控制,如檢查基礎(chǔ)工程的質(zhì)量及密實(shí)度,確保工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵,其在項(xiàng)目的前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工階段發(fā)揮著關(guān)鍵作用,有助于減少地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),提高工程質(zhì)量,降低成本,確保工程的可持續(xù)性及安全性。充分利用工程地質(zhì)與物探技術(shù),可使基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目更好地適應(yīng)地質(zhì)條件,有效地應(yīng)對(duì)潛在的地質(zhì)問題。

3 應(yīng)用案例及分析

3.1 橋梁建設(shè)案例

某座新型高速公路橋梁工程計(jì)劃建設(shè),該橋梁橫跨一條深切峽谷,地理環(huán)境復(fù)雜,地質(zhì)條件多變,為確保橋梁的安全性及穩(wěn)定性,引入工程地質(zhì)與物探技術(shù),以應(yīng)對(duì)潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。地質(zhì)專家進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘察,包括地層巖性、構(gòu)造特征、斷裂帶分布等,通過采集巖心樣品及地下水樣品,確定了地下巖層的性質(zhì)和地下水位。在物探技術(shù)應(yīng)用上,利用地震勘探技術(shù)對(duì)峽谷底部進(jìn)行高分辨率的地下結(jié)構(gòu)探測(cè),確定地下斷層的位置及活動(dòng)性,電磁勘探則用于探測(cè)地下水文條件,描繪地下水位分布。將地質(zhì)與物探數(shù)據(jù)導(dǎo)入地質(zhì)信息系統(tǒng)(GIS)進(jìn)行分析,繪制了地質(zhì)剖面圖及地下水流動(dòng)模型,通過分析地層的穩(wěn)定性及承載力,確定了橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,將地質(zhì)數(shù)據(jù)與歷史地質(zhì)災(zāi)害事件進(jìn)行對(duì)比,利用概率統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),確定了可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題,如滑坡、崩塌等,為工程施工制定了預(yù)防措施。根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了橋墩的深基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),確保其穩(wěn)定性,采用加固措施,如增加橋墩底座面積、使用橡膠支座等,應(yīng)對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果調(diào)整了施工進(jìn)度及方法,在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域采取防護(hù)網(wǎng)加固措施,防止巖石崩塌對(duì)施工造成影響[5]。施工過程中利用二者的結(jié)合不斷進(jìn)行地質(zhì)監(jiān)測(cè),將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比對(duì),一旦發(fā)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)假設(shè)不符,及時(shí)調(diào)整施工方案,確保施工的順利進(jìn)行。

表2 物探工作特征Tab.2 Characteristics of geophysical exploration work

通過工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用,該高速公路橋梁工程順利完成,未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害事件,確保了橋梁的安全性及穩(wěn)定性。由于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在的地質(zhì)問題,節(jié)省了超過10%的施工成本,縮短了工程周期,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益,說明工程地質(zhì)與物探技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的協(xié)同應(yīng)用具有重要性,通過科學(xué)的地質(zhì)勘察、物探技術(shù)的應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),能夠更準(zhǔn)確地了解地下情況,制定更為合理的設(shè)計(jì)及施工方案,確保工程的順利實(shí)施。

3.2 隧道建設(shè)案例

隧道工程是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分,可連接山脈、河流、城市等,面臨著復(fù)雜的地質(zhì)條件及地下問題,故工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用至關(guān)重要。某山區(qū)隧道工程需連接兩個(gè)地區(qū)。但該地區(qū)地質(zhì)多變,包括地下巖層、斷層及地下水,需確保隧道的穩(wěn)定性,減少施工風(fēng)險(xiǎn),提高工程質(zhì)量。前期規(guī)劃階段進(jìn)行了全面的地質(zhì)勘察,包括鉆孔、巖芯采樣及地質(zhì)剖面測(cè)繪,以了解地下巖石的性質(zhì)、厚度及分布。采集的數(shù)據(jù)表明在隧道路線上存在復(fù)雜的地質(zhì)情況,包括不穩(wěn)定巖層及斷層。基于地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,通過分析地質(zhì)條件識(shí)別了潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),如巖石坍塌、地下水涌入及斷層活動(dòng),為項(xiàng)目規(guī)劃及風(fēng)險(xiǎn)管理提供了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)階段使用物探技術(shù),如地震勘探和電磁勘探,確定地下巖層的性質(zhì)及分布,這些數(shù)據(jù)被用來確定隧道的截面及支護(hù)方案。結(jié)果顯示,在一段隧道路線上存在較厚的弱巖層,需采取特殊支護(hù)措施。在設(shè)計(jì)過程中考慮了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)管理措施,包括設(shè)計(jì)強(qiáng)化的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、防止地下水涌入的控制措施及連續(xù)的地下巖層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

通過前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工階段的密切協(xié)作,此項(xiàng)目成功應(yīng)對(duì)了復(fù)雜的地質(zhì)條件,確保了隧道的穩(wěn)定性及可持續(xù)性,發(fā)揮了工程地質(zhì)與物探技術(shù)的關(guān)鍵作用,提高了工程質(zhì)量,減少了風(fēng)險(xiǎn),帶來了可觀的效益。

表3 地質(zhì)勘探技術(shù)Tab.3 Geological exploration technology

3.3 效益分析

在橋梁建設(shè)中,工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用可降低項(xiàng)目成本,通過詳細(xì)的地質(zhì)勘察可準(zhǔn)確確定橋墩及橋墻的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù),避免增加不必要的工程量。物探技術(shù)的使用可減少地下結(jié)構(gòu)沖突,降低施工費(fèi)用。以跨越河流的大型橋梁工程為例,采用工程地質(zhì)與物探技術(shù)減少了約10%的成本。地質(zhì)信息有利于準(zhǔn)確規(guī)劃施工進(jìn)程,避免意外停工及延期,確保工程質(zhì)量,減少重建及修復(fù)工作,節(jié)約工期約15%。

在隧道建設(shè)中,工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用可有效降低項(xiàng)目成本,提供詳細(xì)的地質(zhì)信息,有利于更精確地估計(jì)材料及勞動(dòng)力成本,避免材料浪費(fèi)及不必要的人力投入。物探技術(shù)的使用有助于減少地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工費(fèi)用,工程地質(zhì)與物探技術(shù)的應(yīng)用降低了約12%的成本。通過及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下問題并采取必要的措施,確保施工進(jìn)程的順利進(jìn)行,節(jié)約工期約18%。

物探技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)見表4。

表4 物探技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)Tab.4 Development trend of geophysical exploration technology

4 結(jié)束語(yǔ)

工程地質(zhì)與物探技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用具有巨大的潛力,已在許多項(xiàng)目中取得了顯著的成果,雖然投入工程地質(zhì)與物探技術(shù)需要初期成本,但可減少施工中的意外情況,降低維修成本及項(xiàng)目總成本。為更好地推進(jìn)二者的協(xié)同應(yīng)用,提出以下建議：積極推廣工程地質(zhì)與物探技術(shù)的應(yīng)用,特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜的項(xiàng)目中,有助于提高項(xiàng)目的可持續(xù)性及安全性。對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)設(shè)施,建立持續(xù)的地下結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下問題并采取必要的措施。需要跨學(xué)科合作,包括地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、工程學(xué)等,促進(jìn)各領(lǐng)域之間的合作,以更好地應(yīng)對(duì)地下挑戰(zhàn)。