跨海青特大橋巖溶地質的勘查工作研究

溫登欽，白繼宏，王培森，巴興之

(1.山東鐵路投資控股集團有限公司，山東 濟南 250102；2.中國建筑土木建設有限公司山東分公司，山東 濟南 250101；3.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101；4.山東大學 齊魯交通學院，山東 濟南 250002)

0 前 言

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，對施工安全、質量、工期影響很大[3]。中國是一個巖溶大國[4]，施工前進行地質勘探，充分了解地質條件，進而提前制定施工計劃，預防樁基施工病害，提高施工效率，節(jié)約成本。

跨海青特大橋，橋址區(qū)域為大理巖，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，無填充或全填充硬塑狀粉質黏土及碎石土，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。本文運用綜合物探技術和三維激光探測技術對橋址的地質條件進行了探測，由多個結果相互印證，克服了單一物探方法的多解性，提高了探測結果的可靠性[5-6]。

1 巖溶綜合物探方法及成果[7-10]

1.1 地質雷達探測

地質雷達也稱探地雷達，是利用頻率為106～109 Hz的無線電波來確定地下介質的一種地球物理探測儀器，在工程地質勘察、公路工程質量檢測等眾多領域被廣泛應用。

對373#至萊方臺之間的橋墩(限于農田場地條件376#未做)地基進行了地質雷達探測，并參考地質勘察結果對個別橋墩加強探測。探測結果為：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，推測下方巖溶發(fā)育比較強烈。

1.2 瞬變電磁探測

瞬變電磁探測具有體積效應小，方向性強，縱橫向分辨率高，對低阻體反應靈敏，施工快速等優(yōu)點，可以廣泛應用于各種工程物探中，是解決含水層富水區(qū)探測、工程水文地質問題的理想探測手段。

采用瞬變電磁法進行探測時的整個測區(qū)面積大小為300 m×12 m，包含11個承臺，每個承臺尺寸為11 m×7 m，并設置了3條測線。由探測結果推測，383#墩及373#墩附近區(qū)域可能發(fā)育溶洞，且溶洞內不含水或含少量水；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。

1.3 跨孔電阻率CT探測

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，在野外測量也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集。測試結果經處理可以得到關于視電阻率等值線圖或真電阻率反演剖面等各種圖示結果。跨孔電阻率CT探測一次可以完成縱橫二維勘探過程，所以觀測精度較高，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探測時每個探測橋墩共設4個鉆孔(4個鉆孔以橋墩為中心)，呈矩形分布，每組共設有6條測線。以375#墩部分測線探測結果為例進行介紹，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。

2 三維激光掃描探測[11]

2.1 三維激光掃描的探測過程

溶洞自動激光掃描系統(tǒng)的探測器利用地表的鉆孔下放至溶洞內部，迅速而安全地對溶洞進行三維激光掃描。激光探測器直徑為60 mm，一般情況下，用于下放探測器的鉆孔直徑要求不小于70 mm。受設備主電纜及鉆孔跟蹤桿件的承載力限制，探測器沿鉆孔下放的最大深度為300 m。完整探測過程如下。

1)測量地表鉆孔的孔口坐標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)，直至到達理想掃描位置，可實時觀察鉆孔內部情況，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，可設置兩個鉆孔進行探測。在100 m范圍內，操作人員可利用無線網絡進行遙控操作和監(jiān)視，最終生成溶洞點云數(shù)據(jù)，完成掃描。

4)合成鉆孔跟蹤數(shù)據(jù)和溶洞點云數(shù)據(jù)。掃描完成后，將獲得的鉆孔下放跟蹤數(shù)據(jù)以及溶洞三維點云數(shù)據(jù)合并，最終得到完整的溶洞探測數(shù)據(jù)。

2.2 原始掃描點云數(shù)據(jù)導出

通過探測得到的原始點云數(shù)據(jù)經過空區(qū)激光自動掃描系統(tǒng)處理軟件處理后得到探測孔的原始點云。原始點云數(shù)據(jù)可以采用數(shù)字處理軟件進行處理和編輯。

鉆探孔激光掃描基礎數(shù)據(jù)以萊方臺為例，樁基探測孔以49號樁為例。原始點云數(shù)據(jù)圖2自左至右依次為點云俯視圖、點云正視圖(南北向)和點云側視圖(東西向)。

2.3 點云數(shù)據(jù)處理

受外界因素影響，最終的掃描點云數(shù)據(jù)會出現(xiàn)無距離點和壞點；“中間介質點”現(xiàn)象也會造成點位的偏移。采用“濾掉掃描中單個明顯壞點”的方法進行點云數(shù)據(jù)處理，即濾掉超過工作區(qū)域固定空間范圍的噪聲點，相鄰兩點距離超過某可信值的失真點。邊緣點在掃描線上與前后兩點連線的夾角小于某可信值也為失真。合理的探測位置對準確探測溶洞實際邊界至關重要。形態(tài)復雜的溶洞要設法進行多點探測，再將數(shù)據(jù)拼接形成完整的溶洞點云數(shù)據(jù)。多點掃描數(shù)據(jù)拼接就是將多次掃描的三維點云數(shù)據(jù)置于一個公共的坐標系下。

2.4 溶洞三維模型構建

溶洞三維模型的建立是整個模型建立過程中最重要的部分，通過建立溶洞三維模型，可以實現(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，可以計算溶洞總體積，計算任意分層的體積，并在任意方向上產生剖面。萊方臺溶洞三維實體模型如圖3所示(自左至右依次為模型俯視圖、模型正視圖(南北向)和模型側視圖(東西向))。

(a)

(b)

(c)

2.5 溶洞三維激光探測成果輸出

萊方臺、49號樁、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，有流動水沖刷痕跡。其中萊方臺處溶洞的最大延伸長度約為1.6 m，最大體積約為0.55 m3；49號樁處溶洞的最長延伸長度約1 m，最大體積約0.97 m3。

3 結 論

濰萊高鐵跨海青特大橋橋址區(qū)域勘探范圍內緩坡地段局部上覆第四紀全新統(tǒng)沖洪積層粉質黏土及中砂，局部分布第四紀全新統(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#墩及萊方臺區(qū)域強烈發(fā)育，萊方臺地基有無填充溶洞，溶洞高約0.6 m，長約1.6 m，且有向周邊延展趨勢。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，施工時應注意。

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