李國林

（湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南長沙410000）

0 引言

現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，使得各地對高速公路建設(shè)使用的安全可靠需求越來越高，然而隨著高速公路交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，不可避免會(huì)遇到復(fù)雜的水工環(huán)地質(zhì)條件。為此，工程建設(shè)者應(yīng)從現(xiàn)有水工環(huán)地質(zhì)條件資料入手，通過優(yōu)化勘查技術(shù)應(yīng)用的適用性，從源頭入手，為高速公路建設(shè)使用的安全穩(wěn)定效果提供保障。

1 工程概況

湖南省某高速公路穿越大型石膏礦及采空區(qū)，石膏礦分布于K1+200～K3+250 里程段，沿線穿過村莊、河流、農(nóng)田、公路等。膏礦開采方式為：應(yīng)用沿走向以順路平巷形式推進(jìn)的棋盤狀壁式充填采礦法（即房柱充填法）。采場規(guī)格：長度≤100m；寬度按埋深劃分，45m 以上采礦空間跨度≤8m，45m 以下為≤12m；保安柱的寬度，雙采場及采空區(qū)之間≥3m，上下山運(yùn)輸巷兩側(cè)≥4m，主大巷兩側(cè)寬≥5m；采場回填率≥30%。此次橋址勘察為施工圖設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘查，采用鉆探、物探和地質(zhì)調(diào)繪相結(jié)合的方法，巖土試驗(yàn)為室內(nèi)常規(guī)物理性試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。為了詳細(xì)查明采空區(qū)的空間展布（埋深、采空高度、回填情況等）、采空區(qū)對路線、橋梁的影響等，為采空區(qū)綜合處治提供詳細(xì)地質(zhì)依據(jù)。

2 高速公路水工環(huán)地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)1∶20 萬韶山幅地質(zhì)圖（7-49-Ⅴ）及1∶5 萬衡山縣礦產(chǎn)資源分布圖（2015年）等資料表明，路線走廊帶內(nèi)構(gòu)造體系屬早—晚期新華夏式構(gòu)造體系，區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要呈北東至北東向展布，橋址下伏基巖總體為單斜構(gòu)造。通過此次勘察和地質(zhì)調(diào)查，橋位區(qū)內(nèi)無大規(guī)模構(gòu)造發(fā)育，橋址下伏基巖總體為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為90o∠10o，本橋位區(qū)未發(fā)現(xiàn)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)痕跡。通過此次勘察和地質(zhì)調(diào)查，橋位未發(fā)現(xiàn)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)痕跡。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 地表水

橋位區(qū)地表水主要有涓水，古稱興樂江，是湘江的一級支流。該流域發(fā)源于雙峰縣昌山，途經(jīng)新橋、貫塘、江東、白果、長青五個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，涓水全長103km，流域面積1764km2，下游河寬80～100m，平均坡降11‰。境內(nèi)長約26.8km，匯水面積為490.4km2。20世紀(jì)50年代，是衡山的第二條通航河道，后來因?yàn)楹哟灿俜e問題被阻斷。

2.2.2 地下水

橋位區(qū)地下水主要為基巖裂隙水與松散堆積層中的孔隙水。其中裂隙水賦存在泥質(zhì)粉砂巖的層間裂隙環(huán)境，主要依靠大氣降水補(bǔ)給。水量大小與裂隙的發(fā)育程度、連通情況密切相關(guān)，一般較小，埋深較大，水量受季節(jié)變化影響較小。而孔隙水主要賦存在第四系松散堆積層中，具體體現(xiàn)為場區(qū)范圍內(nèi)的粉質(zhì)黏土及砂卵石層。因補(bǔ)給僅接受大氣降水與地表水，所以水量小，且隨季節(jié)變化問題影響明顯。

2.3 采空區(qū)石膏礦脈分布

礦脈分布里程：路線K1+200～K3+500 之前均有灰綠色青石膏層分布。K1+900 之前埋藏淺，風(fēng)化強(qiáng)烈，無開采價(jià)值。厚度2～4m 的青石膏礦脈從西側(cè)(起點(diǎn))以2～5o的傾角向北東70o方向東側(cè)(終點(diǎn))分布；K1+260 處礦脈埋深6.3～8.6m，上部為黏性土及全風(fēng)化巖；K2+940 處礦脈埋深67～71m，地表3～7m土層，土層與礦脈之間為強(qiáng)—中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(含數(shù)層1～20cm 白石膏)。

3 水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)在高速公路中的優(yōu)化應(yīng)用

3.1 鉆孔勘察技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和礦山開采資料收集，結(jié)合鉆孔資料分析，石膏礦分布路段為K1+200～K3+200 段，共計(jì)布置鉆孔52 個(gè)，鉆孔揭露青石膏礦最厚為5.6m，最薄為0.5m，平均厚為2.65m，礦層分布比較穩(wěn)定，與巖層基本一致，產(chǎn)狀為70o∠5o，即礦脈走向340o（160o），傾向70o（北東向），傾角約5o。調(diào)查及本次勘探，為挖掘石膏礦而廢棄的礦洞，路線附近于2009年曾發(fā)生過地面塌陷。礦體走向北東、傾向東南，傾角4o～6o，呈層狀產(chǎn)出，礦體垂直厚度1.5～2.6m，平均厚度2m。

根據(jù)此次物探及鉆探情況顯示，主要影響范圍位于K1+900～K3+180，共計(jì)1.28km。鉆孔揭露采空區(qū)高度2.5～3.5m，埋深24～90m。采空區(qū)頂板為較完整的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，含10cm 白石膏多層，地表覆蓋層厚度約3.0～4.0m；采空區(qū)底部為較完整的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，該段對路線及橋梁設(shè)計(jì)影響較大。其中K1+900～K2+480 路段，采空區(qū)埋深24～36m，采空區(qū)頂部中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度10～20m。K2+480～K2+710 路段，采空區(qū)埋深36～44m，采空區(qū)頂部中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度38～42m。K2+710～K2+940 路段，采空區(qū)埋深44～67m，采空區(qū)頂部中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度44～60m。K2+940～K3+250 路段，采空區(qū)埋深67～92m，采空區(qū)頂部中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度為60～80m。

另外，根據(jù)鉆孔孔內(nèi)攝像結(jié)果也驗(yàn)證了采空區(qū)內(nèi)大部分路段沒有積水，上部裂隙水呈淋雨?duì)钸M(jìn)入采空區(qū)后，向抽水井（2 工區(qū)斜井）匯集，并抽排至采空區(qū)外，如圖1所示。

圖1 采空區(qū)巷道及采場標(biāo)高與地下水變化情況

3.2 GPS 技術(shù)

GPS 衛(wèi)星地位技術(shù)的基本原理是通過太空衛(wèi)星來接收地面的無線電信號(hào)，利用衛(wèi)星導(dǎo)航的定位系統(tǒng)來測量距離。其原理是利用衛(wèi)星對當(dāng)?shù)厝齻€(gè)以上的地面位置點(diǎn)交會(huì)，進(jìn)而確定某一未知點(diǎn)。具體操作方法為：首先，將1 臺(tái)GPS 接收機(jī)放置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行不間斷的觀測；其次，將觀測到的數(shù)據(jù)通過無線電傳輸裝置發(fā)送到地面用戶觀測站；再次，以相對定位原理對獲取的基線向量進(jìn)行計(jì)算分析得出需要的三維坐標(biāo)；最后，經(jīng)再預(yù)設(shè)的三維坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，確定所需要的三維坐標(biāo)精度。此方法精確程度高，能夠降低勘查時(shí)間，提高水工環(huán)地質(zhì)勘查的工作效率[1]。高速公路水工環(huán)勘查應(yīng)用GPS 技術(shù)的原理，如圖2所示。

圖2 GPS 技術(shù)的原理圖

3.3 GRS 技術(shù)

GRS 技術(shù)的應(yīng)用原理與GPS 技術(shù)相似，利用電磁波對所處水工環(huán)地質(zhì)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)采集。而后，再對獲取的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與轉(zhuǎn)換，來完成高速公路水工環(huán)的地質(zhì)勘查工作。在運(yùn)用探地雷達(dá)系統(tǒng)的過程中，需要將發(fā)射天線設(shè)置在勘測設(shè)施中，如此就可獲得地下發(fā)射出的電磁波信號(hào)，進(jìn)而對地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效探測，為地質(zhì)信息數(shù)據(jù)的處理提供重要依據(jù)。

GPS 探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)水工環(huán)地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)采集與分析工作的全自動(dòng)化建設(shè)提供技術(shù)支撐。與其他地質(zhì)勘查手段相比，其獲取的圖像細(xì)節(jié)清晰度更好，可為工程項(xiàng)目建設(shè)決策的正確選擇提供數(shù)據(jù)支撐。因而，GPS 探地雷達(dá)技術(shù)在水工環(huán)所處的工程項(xiàng)目地質(zhì)勘查工作中得到了廣泛應(yīng)用。在具體技術(shù)應(yīng)用中，要求相關(guān)人員結(jié)合地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)反射獲得電磁波振幅變化，來掌握結(jié)構(gòu)性質(zhì)與形態(tài)，但在實(shí)際應(yīng)用控制過程中，GRS 技術(shù)應(yīng)用仍存在探測距離較短的問題，需不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以規(guī)避局限性影響。

3.4 RTK 技術(shù)

RTK 的工作原理是在基準(zhǔn)站上放置1 臺(tái)接收機(jī)，在流動(dòng)站上放置另外一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)，流動(dòng)站可以是靜止或者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的，RTK 技術(shù)應(yīng)用原理示意圖，如圖3所示。

圖3 RTK 技術(shù)的原理示意圖

這些接收機(jī)從同一GPS 衛(wèi)星、同一時(shí)間接收到信號(hào)后，就可與基準(zhǔn)站已知信息資料進(jìn)行比較分析，最終得到GPS 的差分改正值。然后將這個(gè)GPS 差分改正值發(fā)送到流動(dòng)站，再根據(jù)收到的GPS 差分改正值來確定流動(dòng)站的實(shí)時(shí)位置。

3.5 瑞雷面波技術(shù)

瑞雷面波技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的技術(shù)，主要用于淺層的地震勘探。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用速度與巖、土力學(xué)參數(shù)和剪切波速度有聯(lián)系，所以在地基的處理以及巖土工程與土石方工程中得到了較多的應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用中，通過天然地震面波信號(hào)進(jìn)行地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，有效利用人工地震面波實(shí)現(xiàn)工程勘探與工程質(zhì)量的無損檢測。

3.6 RS 技術(shù)

RS 技術(shù)是指利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來完成水工環(huán)的地質(zhì)勘查工作，進(jìn)而預(yù)防自然災(zāi)害等失穩(wěn)問題。從發(fā)展進(jìn)程角度來看，水工環(huán)地質(zhì)勘查工作在應(yīng)用RS 技術(shù)后，起到了一定的積極作用。隨著科技水平的不斷提升，多源遙感技術(shù)已經(jīng)被研發(fā)使用，即通過構(gòu)建多元模型功能，為高速公路水工環(huán)地質(zhì)勘查工作提供更為詳細(xì)清晰的圖像資料。

3.7 TEM 技術(shù)

TEM 瞬變電磁技術(shù)，早期應(yīng)用在航空航天，通過探測手段分析太空物質(zhì)，在水工環(huán)地質(zhì)勘查領(lǐng)域，瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用研究時(shí)間較短，能夠充分發(fā)揮作用的勘查對象為金屬礦石[2]。瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用原理為，運(yùn)用電磁設(shè)備回線作用，以脈沖信號(hào)方式把電磁波發(fā)送至水工環(huán)勘查位置。作用于地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的電磁脈沖信號(hào)，遇到具有定性或是不均勻特征的物質(zhì)，就會(huì)形成異常狀態(tài)的渦流流場。此技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提升地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)物分析判斷的準(zhǔn)確性。如，地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)介質(zhì)受到電磁波干擾后，與其產(chǎn)生影響，電磁波傳播時(shí)長越高，就會(huì)向地質(zhì)結(jié)構(gòu)更深層次擴(kuò)散，在此技術(shù)條件下，水工環(huán)的地質(zhì)勘查結(jié)果準(zhǔn)確性就能夠得到保障。因而，高速公路涉及水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)工作，應(yīng)用瞬變電磁技術(shù)，并通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，來對可能存在的不合理問題進(jìn)行優(yōu)化控制，進(jìn)而將技術(shù)應(yīng)用效果在水工環(huán)地質(zhì)勘查工作中發(fā)揮出應(yīng)有價(jià)值。

4 結(jié)語

綜上所述，高速公路地處石膏礦采空區(qū)水工環(huán)地質(zhì)條件，可以應(yīng)用以下幾種勘察技術(shù)，來保證水文地質(zhì)評價(jià)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性：一是鉆孔勘察技術(shù)，將鉆孔資料作為基礎(chǔ)，結(jié)合調(diào)查等，能夠確定石膏礦采空區(qū)的主要影響范圍；二是GPS 技術(shù)，就是通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)從太空衛(wèi)星接收無線電信號(hào)，以完成水工環(huán)地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的測量確定；三是GRS 技術(shù)，經(jīng)電磁波收集水工環(huán)地質(zhì)情況信息，通過分析與轉(zhuǎn)換處理，來保證勘察結(jié)果獲得的可靠性；四是TEM 技術(shù)，借助電磁設(shè)備中的回線作用，將電磁波以脈沖信號(hào)形式發(fā)送到地下，進(jìn)而產(chǎn)生異常渦流流場，此勘察技術(shù)能夠大幅提升對地下結(jié)構(gòu)物的判斷準(zhǔn)確性?；诖耍幱诓煽諈^(qū)地質(zhì)水文條件的高速公路工程建設(shè)，就能在確定水工環(huán)地質(zhì)所帶來影響的基礎(chǔ)上開展各項(xiàng)作業(yè)，以達(dá)到工程建設(shè)使用的質(zhì)量效果預(yù)期。