朱懷斌吳明剛

（1.中冶成都勘察研究總院有限公司，四川 成都 610000；2.四川秦巴誠(chéng)達(dá)工程勘察有限公司，四川 巴中 636600）

巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

朱懷斌1吳明剛2

（1.中冶成都勘察研究總院有限公司，四川 成都 610000；2.四川秦巴誠(chéng)達(dá)工程勘察有限公司，四川 巴中 636600）

在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)巖土性質(zhì)的勘察結(jié)果有針對(duì)性地進(jìn)行，才能保證工程的整體質(zhì)量。在我國(guó)目前的巖土工程勘察過(guò)程中，數(shù)字化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要從巖土工程勘察概述、勘察所需資料的收集、傳統(tǒng)的巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)存在的缺陷以及巖土工程勘察數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)等方面對(duì)巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

巖土工程；勘察；數(shù)字化技術(shù)

在整個(gè)工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，巖土工程勘察是最為首要和基礎(chǔ)的工作。巖土工程勘察的對(duì)象主要包括地形地貌、地層界面、地下水位分布、斷層等?？辈旒夹g(shù)的先進(jìn)與否能夠?qū)こ痰恼w質(zhì)量、安全性能以及綜合效益產(chǎn)生最為直接的影響。在傳統(tǒng)的數(shù)字化勘察技術(shù)中，對(duì)這些資料的分析多是處于靜態(tài)以及二維階段，因而不能對(duì)信息之間的空間變化規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確反映，也無(wú)法從中得出最為全面和科學(xué)的結(jié)論，由此對(duì)工程質(zhì)量產(chǎn)生影響。

一、概述

伴隨著GPS、GIS、RS技術(shù)的發(fā)展與在地理調(diào)查、地質(zhì)勘探方面的應(yīng)用獲得了很好的反響，這些新型技術(shù)的應(yīng)用與聯(lián)合作用，能夠改善工作效率、提高調(diào)研的精準(zhǔn)性、并增加數(shù)據(jù)與信息傳輸?shù)乃俣龋环矫婵梢源蟠蠛?jiǎn)化工作，另一方面，能夠通過(guò)這種數(shù)字化的力量改善工作模式，或者提高工作效率等。因此，在這種新型技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)與成功先例面前，需要增加巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)與實(shí)現(xiàn)。

二、巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

1.巖土工程勘察及其現(xiàn)狀

巖土工程勘察大致可分為選址階段、初步勘察階段、詳細(xì)勘察階段。其中第一階段的勘察工作應(yīng)符合方案要求，第二階段符合初步設(shè)計(jì)的要求，第三階段符合施工設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)勘察對(duì)象的不同，巖土工程勘察可分為多種類型，主要包括鐵路工程、公路工程、水利水電工程、大型橋梁及工業(yè)、港口碼頭以及民用建筑等等。我國(guó)自改革開放以來(lái)，巖土工程勘察技術(shù)得到了明顯的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)與巖土工程勘察技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，使巖土工程工作迅猛發(fā)展。但是，雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)與沿途勘察技術(shù)已經(jīng)緊密結(jié)合，但是由于巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作具有作業(yè)分散，手工操作，通過(guò)紙制文件來(lái)傳遞信息，效率低下，共享性差，并且資源無(wú)法多次使用等問(wèn)題的存在，導(dǎo)致巖土工程勘察數(shù)字化仍然存在大量的問(wèn)題需要克服。

2.存在的問(wèn)題

首先，勘察資料過(guò)于地質(zhì)化；巖土工程勘察工作需要通過(guò)長(zhǎng)期的分散作業(yè)來(lái)進(jìn)行條塊分割、勘察，并且由于科技發(fā)展，巖土工程工作獲得了大量的新技術(shù)與新方法。從而導(dǎo)致在設(shè)計(jì)方案與實(shí)際探勘過(guò)程中脫鉤較多，使勘察過(guò)程中獲得的信息通常以難以理解的形式出現(xiàn)，也使設(shè)計(jì)方案難以在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)，降低工作效率。

其次，設(shè)計(jì)系統(tǒng)間較為封閉；在巖土工程勘察過(guò)程中，由于勘察資料多數(shù)是以書面形式進(jìn)行傳輸與表達(dá)，極少使用儲(chǔ)存工具或者網(wǎng)絡(luò)傳輸文件方式，從而導(dǎo)致勘察大部分?jǐn)?shù)據(jù)資料無(wú)法共享。在工作過(guò)程中，勘察數(shù)據(jù)無(wú)法得到良好的傳輸，勘察信息無(wú)法作為下一步工作的信息依據(jù)，需要重新輸入信息，不但浪費(fèi)了時(shí)間，而且在輸入信息過(guò)程中容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

第三，數(shù)字化技術(shù)綜合能力較差；巖土工程勘察的工作設(shè)計(jì)信息具有多方位性，涉及到地質(zhì)、地形、水文、水利設(shè)施、環(huán)境等多方面因素，導(dǎo)致巖土工程勘察信息具有一定的空間定位特性、又具備獨(dú)立屬性特征，不但具有定量指標(biāo)，而且具有定性指標(biāo)。當(dāng)前巖土工程勘察信息技術(shù)系統(tǒng)缺乏對(duì)各種信息的全方位采集、分類、表示、分析方法，造成了設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和巖土工程勘察的工作方位都缺乏全面的信息支持。

3.巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用方面的不足

首先，勘察資料的地質(zhì)化程度過(guò)于嚴(yán)重，受到巖土工程的專業(yè)設(shè)置過(guò)細(xì)、對(duì)新規(guī)范、新技術(shù)、新方法應(yīng)用的滯后性、部門之間被長(zhǎng)期分割導(dǎo)致設(shè)計(jì)和勘察分散作業(yè)等因素的影響，使得設(shè)計(jì)和勘察之間的聯(lián)系不夠緊密，勘察人員無(wú)法參與設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)勘察人員所提供的數(shù)據(jù)通常也很難被設(shè)計(jì)人員理解，因此導(dǎo)致勘察成果轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)成果的效率較低，造成信息浪費(fèi)。其次，數(shù)字化地圖與數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間的對(duì)接難度較大；對(duì)于設(shè)計(jì)部門來(lái)說(shuō)，地形圖是設(shè)計(jì)的底圖，是最基本的數(shù)據(jù)。由于數(shù)字化地圖的部分環(huán)節(jié)中的技術(shù)還有待完善，導(dǎo)致其與CAD設(shè)計(jì)軟件之間的正常匹配存在問(wèn)題，對(duì)接難度較大，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須將勘察資料進(jìn)行數(shù)字化。這一方面影響了對(duì)CAD的推廣使用，另一方面也對(duì)設(shè)計(jì)工作的效率產(chǎn)生了影響。

第三，勘察信息的數(shù)字化程度不高；勘察部門所提供的信息中，定性描述的信息例如表格、文字、圖表等較多。這不僅會(huì)增加設(shè)計(jì)人員對(duì)資料的理解難度，同時(shí)也會(huì)使對(duì)勘察資料進(jìn)行處理、分析及利用的難度加大，從而有可能造成信息浪費(fèi)。

三、數(shù)字化技術(shù)與實(shí)現(xiàn)的前期準(zhǔn)備

首先，確定勘測(cè)的深度和間距；因?yàn)樵诓煌貐^(qū)、不同土層的距離不同，而同一土層中不同的土性參數(shù)之間則具有十分接近的相關(guān)距離。以我國(guó)某地的土層為例，不同土層之間的相關(guān)距離（m），見表1。

其次，科學(xué)劃分野外地層；一般情況下，普通的大型工程施工采用的方式是鉆機(jī)平行作業(yè)，這種方式需要大量的技術(shù)人員。但在進(jìn)行實(shí)際施工中，各個(gè)勘探班組各自為政，將大量的資料匯集在一起。由于資料較為分散，因此整理難度非常大。解決方法是將技術(shù)人員分配到1～2個(gè)鉆孔上共同勘探，對(duì)所得的資料進(jìn)行統(tǒng)一編錄，同時(shí)派專門人員對(duì)整體的野外分層連線進(jìn)行勘測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)匯報(bào)并采取有效的措施進(jìn)行改進(jìn)。

第三，做好對(duì)地下水位的觀測(cè)；要保證各個(gè)點(diǎn)對(duì)地下水位的觀測(cè)工作能夠同時(shí)進(jìn)行，并在最后一個(gè)鉆孔結(jié)束后的24h后進(jìn)行地下水的測(cè)量工作；對(duì)地下水的開采情況例如開采地點(diǎn)等進(jìn)行深入了解和分析。例如如果進(jìn)行測(cè)量的地點(diǎn)剛好是附近抽水井抽水下降漏斗，那么所測(cè)量到的數(shù)據(jù)會(huì)比實(shí)際水位的數(shù)值大；最后，將鉆孔坐標(biāo)以及標(biāo)高回測(cè)結(jié)合起來(lái)測(cè)量。

四、巖土工程勘察數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

首先，巖土工程數(shù)字化勘察能夠?qū)鹘y(tǒng)的手工形式向現(xiàn)代化的CAD技術(shù)轉(zhuǎn)變，形成數(shù)據(jù)采集信息化、勘察資料處理數(shù)字化、硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、圖文處理自動(dòng)化的高效益的巖土工程勘察設(shè)計(jì)體系。巖土工程數(shù)字化勘查系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其次，主要的實(shí)現(xiàn)方法為數(shù)字化建模圖與數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的構(gòu)建。具體是表面模型法。它通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)體的外表面進(jìn)行精確地表示，以此來(lái)對(duì)均質(zhì)地質(zhì)體進(jìn)行反映。這一方法的數(shù)據(jù)來(lái)源是通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)上的離散的測(cè)點(diǎn)資料進(jìn)行分析，然后利用數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋，并對(duì)地質(zhì)體的界面進(jìn)行重構(gòu)。表示表面的方法較多，例如數(shù)學(xué)模型法、圖示模型法等等。常用的圖示模型法也是多種多樣的，例如等值線法、規(guī)則格網(wǎng)法、邊界表示法以及不規(guī)則格網(wǎng)法等等。另一方面，基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)字化巖土勘察工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的原始數(shù)據(jù)主要是地理信息層面的空間以及非空間數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，例如自然區(qū)劃圖中的河流、道路、民居等等，以及巖土工程勘察數(shù)據(jù)，例如各建筑場(chǎng)地的地理信息等等?；诖?，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可按照以下兩個(gè)步驟進(jìn)行構(gòu)建：首先，建立巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)就是將與實(shí)體有關(guān)聯(lián)的功能和行為分離出來(lái)，僅從現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的數(shù)據(jù)側(cè)面來(lái)建立模型，然后在此基礎(chǔ)上建立與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)。其次，完成數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要分為用戶輸入的原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)以及最終數(shù)據(jù)。

表1　不同土層的相關(guān)距離

五、優(yōu)勢(shì)與實(shí)現(xiàn)前景可觀

首先，從優(yōu)勢(shì)來(lái)看，這種數(shù)字化的革新或措施改進(jìn)，能夠通過(guò)“數(shù)字化管理”形式的技術(shù)型方法，改變?cè)械目辈炷Ｊ剑粡母旧吓まD(zhuǎn)傳統(tǒng)技術(shù)方面的不足之處；通過(guò)數(shù)字化，重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的采集、信息的記錄、數(shù)學(xué)形式的模型構(gòu)建與分析，以及在模型階段的論證，有效地提升了傳弘勘察過(guò)程完成后對(duì)數(shù)據(jù)的處理方式，并且提高的精準(zhǔn)性與速度；另一方面，可以通過(guò)這種模型式的圖解分析，減少同類區(qū)域的勞動(dòng)量。

其次，從具體的辦法方面來(lái)看，這種技術(shù)主要將全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)等多種新型技術(shù)進(jìn)行了綜合利用，在定位、信息處理、測(cè)量方面，更加有效、科學(xué)，而且能夠通過(guò)圖形與顏色將其中的各個(gè)不同、差異進(jìn)行區(qū)分與辨析。

第三，從實(shí)際的解決方面分析，當(dāng)前巖土工程勘察最主要的問(wèn)題是勘察資料過(guò)于地質(zhì)化、設(shè)計(jì)系統(tǒng)間較為封閉、數(shù)字化技術(shù)綜合能力較差。為了解決這一些系列問(wèn)題，就必須建立一體化的巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)。將所有的勘察、設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成，以網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄⒐こ绦畔⒐蚕砘刮募Y料保存完整，工程作業(yè)加快，保證勘察效率，節(jié)省人力資源與工程資金，提高巖土工程勘察的工作效果，保證經(jīng)濟(jì)效益可以穩(wěn)定的提升。

第四，對(duì)未來(lái)的發(fā)展與前景進(jìn)行展望也可以認(rèn)識(shí)到巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展受當(dāng)前科學(xué)水平發(fā)展的影響，在我國(guó)科技不斷發(fā)展的過(guò)程中，新的巖土工程技術(shù)以及勘察數(shù)字化技術(shù)會(huì)不斷出現(xiàn)。巖土工程勘察是一門應(yīng)用科學(xué)，為工程建設(shè)提供可靠的基礎(chǔ)，所以木土工程的建設(shè)的發(fā)展與工程勘察技術(shù)有著必然的聯(lián)系，由于我國(guó)土木工程的發(fā)展規(guī)模與發(fā)展時(shí)間都遠(yuǎn)超于世界其他國(guó)家，通過(guò)巖土工程勘察正向功能化、城市立體化、交通高速化發(fā)展，巖土勘察工作的發(fā)展，來(lái)帶動(dòng)土木工程建設(shè)的發(fā)展，進(jìn)而確保社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的平穩(wěn)增長(zhǎng)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在巖土工程勘察中數(shù)字化技術(shù)的使用已經(jīng)較為普遍。但就目前來(lái)說(shuō)，由于傳統(tǒng)的數(shù)字化勘察技術(shù)存在諸多問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作的效率受到影響，而且也造成信息和資源的浪費(fèi)。因此應(yīng)該不斷對(duì)數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化，尤其對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行不斷革新，使其更好地為巖土工程勘察工作服務(wù)。

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