高速公路建設(shè)中,軟土地基、破壞性巖溶、高邊坡、隧道及地下管線等工程地質(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(kuò)大分析領(lǐng)域,而且機(jī)械笨重、搬運(yùn)困難,特別在山區(qū)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,通過研究天然或人工的地球物理場,達(dá)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(yīng)的地球物理場則有電場、磁場、電化學(xué)場、彈性波和重力場等。工程物探儀器設(shè)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(bǔ)充了鉆探工作的不足,又為高速公路設(shè)計(jì)及施工提供了較完善的基礎(chǔ)資料。

 

  根據(jù)所觀測的參數(shù)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(以下簡稱面波法)、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(dá)技術(shù)和地下管線探測技術(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(tǒng)的勘察方法無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(tǒng)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)波長內(nèi)(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(jié)合一定數(shù)量的鉆孔,通過對面波資料進(jìn)行綜合計(jì)算分析,根據(jù)面波法實(shí)測波速值,可以區(qū)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(jù)波速變化進(jìn)行分層,獲得較連續(xù)的地層剖面。 此外,根據(jù)面波速度VR,還可以由經(jīng)驗(yàn)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(shù),受不同地區(qū)巖土力學(xué)性質(zhì)的影響,其值可以結(jié)合靜力觸探或動(dòng)力觸探等原位測試方法來確定。

 

  與傳統(tǒng)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(shù),而且在操作上簡便易行、快速、經(jīng)濟(jì),可大面積連續(xù)采集數(shù)據(jù),與傳統(tǒng)的檢測方法結(jié)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

 

  近年來應(yīng)用于巖溶地區(qū)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(dá)技術(shù)等。 某巖溶地區(qū)高速公路路基在設(shè)計(jì)階段僅開展一些常規(guī)的工程物探,效果不好,在施工過程中,部分建好的路基因巖溶發(fā)育出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。為避免出現(xiàn)類似問題,對全部可能存在巖溶病害的路段綜合應(yīng)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(qū)完整灰?guī)r、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(qū)及巖溶異常物性特征如下:周圍密實(shí)填筑土體相對于塌陷土體來說,彈性力學(xué)強(qiáng)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(jù)此可以判斷塌陷影響土體。灰?guī)r、白云巖電阻率通常比較高,一般在1000～10000???m之間,最高可達(dá)20000???m。泥灰?guī)r電阻率相對較低,但一般也大于600???m。隨著巖石節(jié)理裂隙發(fā)育程度、破碎程度、巖溶發(fā)育程度的增強(qiáng)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(jù)以上病害異常物性特征,現(xiàn)場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(dá)剖面上則表現(xiàn)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序,而原狀粘土體的反射較有成層性,據(jù)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(guī)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(shè)提供了可靠依據(jù),避免了可能出現(xiàn)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,對邊坡施工及行車都會(huì)帶來極大的安全隱患,因此,對于有可能存在滑坡體的高邊坡,在施工前一定要開展詳細(xì)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(gòu)造或含水量較高的松散堆積物引起的。根據(jù)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(gòu)造引起的滑坡體,一般都是因?yàn)闃?gòu)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,對于此類滑坡體,采用常規(guī)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(jié)果與驗(yàn)證鉆孔基本一致。

 

  4 隧道勘察

 

  根據(jù)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(biāo),為隧道洞身的圍巖分類、隧道洞室的開挖和襯砌設(shè)計(jì)提供依據(jù)。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,查明隧道工程場址的地質(zhì)構(gòu)造背景及對隧道施工有影響的煤層、礦體、采空區(qū)、破碎帶、喀斯特發(fā)育區(qū)和水文地質(zhì)的基本特征,有較好的效果,為隧道的比選、隧道線形的展布和避讓重大不良地質(zhì)地段提供依據(jù)。

 

  5 地下管線勘察

 

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

 

  6 結(jié)語

 

  (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(yīng)仔細(xì)地分析目標(biāo)體的客觀條件(規(guī)模、埋深等)及其與非目標(biāo)體之間的物性差異,選用一種或幾種物探技術(shù),結(jié)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(xù)觀測,對查明規(guī)模及埋深變化較大目標(biāo)體的分布情況,優(yōu)于鉆探等常規(guī)方法“點(diǎn)測”的結(jié)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(xiàng)巖土力學(xué)參數(shù),應(yīng)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(yīng)的經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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(guī)的勘察手段非常困難(甚至無法采用)或不經(jīng)濟(jì)時(shí),可以借助于工程物探技術(shù)。隨著物探技術(shù)的不斷發(fā)展,其在高速公路工程勘察中有良好的應(yīng)用前景。