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物探方法在高速公路建设中的应用

物探方法在高速公路建设中的应用

【摘要】随着我国城市建设的高速发展,工程地球物理勘探(简称工程物探)在城市建设中的地位显得愈来愈重要。工程物探技术在地铁、隧道、桥梁、高层建筑、高速公路建设以及地下管线铺设、地下空间开发利用中被广泛应用。本文阐述了无损检测技术在解决高速公路建设中具体问题的作用,以促进物探技术在城市建设中的作用与地位。
【关键词】高速公路建设;物探方法;雷达探测技术
一、高速公路隧道超前预报
    高速公路隧道施工中的地质超前预报关系到工程的安全、质量和进度,因而倍受关注,特别是在地质条件复杂的隧道工程中,有必要进行超前预报工作。隧道超前预报要解决的问题主要有3个方面,包括断裂断层、溶洞、破碎带等不良地质对象的性质、规模的判定;不良地质体的位置和产状,岩体工程类别化的识别等内容。目前能有效用于隧道超前预报的工程物探方法主要有探地雷达法、TSP超前预报技术和地震反射波法。探地雷达具有高分辨率、无损伤、探测速度快以及抗干扰能力强的特点应用于隧道超前预报中。
    如某高速公路隧道地处构造溶蚀、侵蚀低山地貌区,隧道进口地形上表现为较陡斜坡,出口处地形陡峻,山坡植被较发育,进出口洞的冲沟边缘均分布有零星居民点。隧址地质条件较复杂,为确保隧道施工安全和施工质量,并为隧道开挖支护提供依据,对该隧道进行了施工期的超前地质雷达探测。
  1 岩溶探测
   岩溶发育首先应有可溶性岩层包括碳酸盐类岩石(如石灰岩、白石岩)、硫酸盐类岩石(如石膏)和卤素类岩石(如岩盐)等,其次具有溶解力(如含CO2 )和足够流量的水,同时还要有地表水下渗和地下水流动的通道。一般在节理列的交叉处或密集带及断层破碎带,岩溶最易发育。因此,岩溶与其周围的介质存在着较明显的物性差异,尤其是溶洞内的充填物与可溶性岩层之间存在的物性差异更明显。这些充填物一般是碎土、水和空气等,这些介质与可溶性岩层本身由于介电常数不同形成电性界面。无疑探测出这个界面的情况,也就知道了岩溶的位置、范围、深度等内容。
  当有岩溶发育时,反射波波幅和反射波组将随溶洞形态的变化横向上呈现出一定的变化。一般来说,溶洞雷达图像的特征是被溶洞侧壁的强反射所包围的弱反射空间,即界面反射是强反射,且常伴有弧形绕身现象;溶洞内的反射波则为弱反射:低幅、高频、波型细密,但溶洞中充填风化碎石或有水时,局部雷达反射波可变强。
  在进行隧道ZK24+280掌子面探测时,根据得出的雷达波形图,地质雷达图像出现强反射,波同相轴出现弧形异常。结合具体地质情况,推测掌子面前方10-20m。即ZK24+280―ZK240+290段,有一溶洞发育。后经开挖验证,该处岩体受溶蚀严重而形成溶蚀土洞。
   2 断层破碎带的探测
  岩层或岩体受力破裂后,破裂面两侧岩块发生了明显位移,这种断裂构造,称为断层。断层是地壳中广泛发育的地质构造。
   由于岩层发生强烈的断裂变动,致使岩体的裂隙增多、岩石破碎、风化严重、地下水发育,所以断层破碎带岩石强度和稳定性很差。在完整岩石与断层破碎带接触界面的两侧,由于破碎带内岩石的孔隙度和含水率均比完整岩石要大,而孔隙度和含水率对介质的σ(电导率)和Ε(电场强度)均较大影响,这就造成接触带两侧存在一定的波阻抗差异,致使电磁波在穿过界面进入破碎带内后其反射波能量增强、波形幅值增大,穿过破碎岩层时视其胶结程度而使得波形比较杂乱。在雷达剖面上的波场特征为:地层反射波发育,同相轴错断,反射波振幅能量明显增强,电磁波频率发生变化,有时候会出现断面波、绕射波。因此,根据地质需达的波形特征及相关地质资料,可以判明破碎带厚度以及它与完整岩石的界面。
  在该隧道ZK24+585掌子面探测时,3-14m段,反射波的同相轴出现多次错断,局部界面反射强烈,反射面附近波幅有所增强,电磁波的频率发生较大变化。结合具体地质情况,推测掌子面前方3-14m,即ZK24+588-ZK24+599段,为破碎带,围岩受地质构造影响严重,稳定性降低。后经开挖验证,该处岩体节理裂隙很发育,围岩呈块碎状。
  3裂隙密集带的探测
  裂隙密集带主要存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层中,由于裂隙内有不同成分、不均匀的充填物,与周边围岩形成电性差异,因此具有采用地质雷达探测岩体中裂隙存在的地球物理基础。当雷达电磁波传播到裂隙表面时,会产生较强的界面反射波,同相轴的连续性反映了裂面是否平直、连续;在穿越裂隙的过程中会产生绕射、散射、波形杂乱、波幅变化大,反映出裂隙内充填物的不均匀性。
  在隧道ZK24+300掌子面探测时,根据得出的典型雷达波形图。0-7m段内相对低幅均匀的反射波组为块碎状镶嵌结构的白云岩;7-15m段存在多组平等和杂乱的反射波,推断为裂隙密集带和岩脉条带,岩体呈碎石状压碎结构,围岩较破碎。结合具体地质情况,推测掌子面前方7-15m,即ZK24+307-zK24+315段,为裂隙密集带。后经开挖验证,该处岩层较薄,岩体节理裂隙很发育。
   4 地质雷达的探测效果
  在隧道左洞中,共探测到3次溶洞,5次断层破碎带,多次裂隙密集带。雷达探测结果与实际开挖的地质情况有一定出入,列举了部分不良地质体的探测结果与实际情况,包括不良地质体的位置与尺坟特征等。
  当然不良地质体在形态上并不是规则的长方体,而是不规则体,在此近似地用长、宽、高来形容它的尺寸上都存在一定出入,但从施工角度看,这已经满足施工的要求。
  在隧道超前预报过程中,预报方、施工方、设计方与业主等相关单位,通力合作,及时进行信息交流,取得了较好的效果。在不良地质体发育区段,施工方将会及时采取措施,如超前锚杆支护、长管棚、工字钢架等,使隧道的掘进顺利通过不良地质带,避免了工程事故的发生,节省了大量的资金。
二、 高速公路质量检测
  近年来, 高等级公路质量差, 返修率高已屡见不鲜。因此,必须采取有效的检测手段,做到防患于未然。工程物探检测技术应用于公路建设, 尤其是高等级公路建设,能及时处理、按期检测、适时监测,起到对病害防范于未然,公路的良性运营将能够得到基本的保障。目前用于高速公路质量检测的工程物探方法主要有探地雷达法和瑞雷面波法。下面通过应用实例说明地质雷达检测技术在高速公路隧道工程施工中质量监控的应用。
  某高速公路全长107.136km, 山高坡陡, 地形起伏频繁, 沿线存在多处滑坡、崩塌等不良地质情况, 施工难度大。由于隧道施工本身的特点, 隧道的初衬和岩石层之间、初衬和二衬之间, 如果施工控制不当, 容易出现孔隙, 钢筋的分布也会与设计不符, 因此对隧道衬砌施工质量进行检测很有必要。作为质量控制的重要环节,高速公路指挥部利用探地雷达技术对目前已施工二衬的隧道进行检测。隧道检测使用瑞典产的RAMAC /GPR 型地质雷达。本次检测大部分测线显示隧道施工情况基本上满足设计要求, 但也存在个别隧道的某些部位实际施工情况与设计不符或者存在这样或那样的质量缺陷。
三、结束语
    工程物探应用于公路建设,尤其是高等级公路建设,不仅可以起到对病害防范于未然的目的,而且,若能及时处理、按期检测、适时监测,公路的良性运营将能够得到基本的保障。作为一门应用科学,工程物探在公路建设中的应用也有其局限,在实际工作中应该注意几点:
1)公路路线长, 覆盖地域广阔, 病害具有多样性、复杂性、演变性等特点,加之物探方法的非直接特点和多解性,因此,解释过程中,要尊重科学、实事求是,全面系统地收集资料。
2)正是因为公路病害问题的复杂性,所以在实际工作中,应该多种物探方法结合,多角度进行详细的工作,力求精益求精。
3)注重信息融合,戒主观片面。在技术人员配置上,地质工程师、岩土工程师和物探工程师密切配合,共同制定勘察方案。必要时,采取多种物探方法综合,地质、水文、人文环境资料综合,并应有已知物探参数或一定数量的钻孔验证,以尽量降低多解性,区分有用信息与干扰信息。各种物探方法具体方案的制定与实施, 应执行工程地球物理勘探规程的有关规定,保证物探工作质量。
4)各个具体物探方法都有其局限性, 如勘探深度、分辨能力等。