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(guó)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)
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(duì)施工安全、質(zhì)量、工期影響很大[3]。中國(guó)是一個(gè)巖溶大國(guó)[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(jì)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(wú)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(cè)技術(shù)對(duì)橋址的地質(zhì)條件進(jìn)行了探測(cè),由多個(gè)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(cè)結(jié)果的可靠性[5-6]。
地質(zhì)雷達(dá)也稱探地雷達(dá),是利用頻率為106~109 Hz的無(wú)線電波來(lái)確定地下介質(zhì)的一種地球物理探測(cè)儀器,在工程地質(zhì)勘察、公路工程質(zhì)量檢測(cè)等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
對(duì)373#至萊方臺(tái)之間的橋墩(限于農(nóng)田場(chǎng)地條件376#未做)地基進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè),并參考地質(zhì)勘察結(jié)果對(duì)個(gè)別橋墩加強(qiáng)探測(cè)。探測(cè)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(cè)下方巖溶發(fā)育比較強(qiáng)烈。
瞬變電磁探測(cè)具有體積效應(yīng)小,方向性強(qiáng),縱橫向分辨率高,對(duì)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(cè)、工程水文地質(zhì)問(wèn)題的理想探測(cè)手段。
采用瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)時(shí)的整個(gè)測(cè)區(qū)面積大小為300 m×12 m,包含11個(gè)承臺(tái),每個(gè)承臺(tái)尺寸為11 m×7 m,并設(shè)置了3條測(cè)線。由探測(cè)結(jié)果推測(cè),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。
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(cè)量也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。測(cè)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??缈纂娮杪蔆T探測(cè)一次可以完成縱橫二維勘探過(guò)程,所以觀測(cè)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(cè)時(shí)每個(gè)探測(cè)橋墩共設(shè)4個(gè)鉆孔(4個(gè)鉆孔以橋墩為中心),呈矩形分布,每組共設(shè)有6條測(cè)線。以375#墩部分測(cè)線探測(cè)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。
溶洞自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)的探測(cè)器利用地表的鉆孔下放至溶洞內(nèi)部,迅速而安全地對(duì)溶洞進(jìn)行三維激光掃描。激光探測(cè)器直徑為60 mm,一般情況下,用于下放探測(cè)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(cè)器沿鉆孔下放的最大深度為300 m。完整探測(cè)過(guò)程如下。
1)測(cè)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(cè)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(shí)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(gè)鉆孔進(jìn)行探測(cè)。在100 m范圍內(nèi),操作人員可利用無(wú)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(cè)數(shù)據(jù)。
通過(guò)探測(cè)得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)空區(qū)激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)處理軟件處理后得到探測(cè)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(tái)為例,樁基探測(cè)孔以49號(hào)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)。
受外界因素影響,最終的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)無(wú)距離點(diǎn)和壞點(diǎn);“中間介質(zhì)點(diǎn)”現(xiàn)象也會(huì)造成點(diǎn)位的偏移。采用“濾掉掃描中單個(gè)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(guò)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(guò)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(cè)位置對(duì)準(zhǔn)確探測(cè)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(cè),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(gè)公共的坐標(biāo)系下。
溶洞三維模型的建立是整個(gè)模型建立過(guò)程中最重要的部分,通過(guò)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(jì)算溶洞總體積,計(jì)算任意分層的體積,并在任意方向上產(chǎn)生剖面。萊方臺(tái)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)
萊方臺(tái)、49號(hào)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(shì),有流動(dòng)水沖刷痕跡。其中萊方臺(tái)處溶洞的最大延伸長(zhǎng)度約為1.6 m,最大體積約為0.55 m3;49號(hào)樁處溶洞的最長(zhǎng)延伸長(zhǎng)度約1 m,最大體積約0.97 m3。
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(tái)區(qū)域強(qiáng)烈發(fā)育,萊方臺(tái)地基有無(wú)填充溶洞,溶洞高約0.6 m,長(zhǎng)約1.6 m,且有向周邊延展趨勢(shì)。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(shí)應(yīng)注意。
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