基于數字化的巖土工程勘察技術分析

賓海東 中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司

1 前言

2 勘察技術在巖土工程施工中的運用意義

在巖土工程中，勘察工作涉及了許多領域，其中包括力學、結構學等多方面知識。特別是勘察技術應用效率，直接關系到工程建設的安全性和穩(wěn)定性。由于受技術、設備等因素的制約，導致勘察精度不高，對巖土工程勘察工作的開展具有直接的影響。因此在巖土工程建設中要做好地質勘探工作，利用科學的勘察技術開展相應的工作，以獲得準確、高效的資料和信息，對巖土工程的建設工作產生積極的影響。在傳統的地質勘探工作中，鉆井作業(yè)是以鉆井為主導的一種技術種類，但隨著我國工程技術的迅速發(fā)展，對巖土工程勘察的需求日益提高，常規(guī)鉆井技術已不能適應工程建設的需要。必須引進多種先進的勘查技術，保證勘察工作的專業(yè)性，為工程設計、施工等方面的技術支撐。

在勘測階段，會采用各種新型的小型儀器和設備，由于設備的體積小，可以提高工程的操作效率，減少勘察的工作量。在勘測的過程中，為了提高測量的準確性，必須清理現場的植被和雜物，以免影響勘察的質量。這樣的勘測方法會對周圍的生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞，而采用新的勘測技術，不但可以提高測量精度，還能保證數據的準確性，不會對周圍的生態(tài)造成任何影響，保證勘測工作的順利進行[1]。

3 數字化巖土工程勘察特點與其系統構成

我國幅員遼闊，地質條件存在很大的差異，整體上表現出復雜多變的特征。由于地質環(huán)境的復雜性，施工單位在開展巖土工程時會遇到很多困難。因此，在巖土工程勘察工作具有舉足輕重的地位，一旦在勘察中出現問題，將會影響到最終的測量結果，導致巖土工程的風險，影響到最終的工程質量。在進行巖土工程勘察時，施工單位要根據現場的具體情況，加大調查技術力度。在此基礎上，應根據工程地質特征，采取科學、合理的勘察設計和施工技術，提高勘察工作水平及工程施工質量。

3.1 特征

依據數字化技術在巖土工程勘察中的應用方式、方向等可以發(fā)現（圖1），主要有三類特點。

（1）具有動態(tài)性。利用數字技術的監(jiān)控探頭、感應探頭和聲波探頭，可以對特定區(qū)域內的巖土展開動態(tài)監(jiān)測，例如城市地下水等，跟蹤重點工作，根據采集到的資料，對勘察目標進行動態(tài)分析，為智慧城市建設等提供動態(tài)數據。

（2）具有安全性?？梢苑乐箍碧饺藛T深入危險復雜的地質環(huán)境，保證地質調查的安全。另一方面，數據的安全問題，基于4G技術向5G傳輸技術的轉變，使得數據無線傳輸、存儲等都具有很高的安全性，不會發(fā)生“失真”或者被惡意攻擊的現象。

（3）具有集群性。數字化技術可以為巖土工程勘測提供更為可靠的數據庫、更為立體的數據結構等，而且通過數字化技術可以讓人們更直觀、更清晰的了解所呈現的物體，在此基礎上優(yōu)化已有的設計，實現了高度的集群化。

3.2 構成

通過分析巖土工程勘察數字技術構成和原理可以發(fā)現，其由三個部分構成。

盡管存在名稱使用差異、甚至混用概念的現象，但是應該看到，相當一些學者對美國學的起源、發(fā)展、理論與方法等方面的認識趨于一致。美國學作為一個獨立學科，是隨著美國綜合國力的強盛，隨著美國文化的獨特性逐漸得到認可才在美國學界興起并得以發(fā)展。跨學科、關注文化研究被認為是美國學的基本特征。

（1）感應系統。該系統采用一系列感測元件，例如電感器等，并通過智能系統控制感應器，實現智能化控制巖土勘探的實際內容。而且感應系統的安裝和使用相對容易，總體造價可以控制在一個合理的范圍之內，目前已廣泛地應用于各個行業(yè)，也更加體現了智能城市的外部效果。

（2）傳輸系統。由于地質勘探工作的特殊性和特殊的勘探工作，一些巖土工程勘察必須建立起一套可靠的傳送網，以便將探針等傳感器采集到的資料及時傳送給作業(yè)終端或儲存裝置，以便進行后續(xù)的數據分析。

（3）存儲系統。該系統的主要功能是將勘探資料中的一些有價值的資料保存起來，供以后的資料利用，或者為以后的分析工作做好準備。

4 巖土工程勘察中存在的問題

4.1 前期工作問題

由于巖土工程勘察工作比較煩瑣，易受各種地質條件的影響，使勘察工作的難度增大，對勘察工作的順利進行產生不利的影響。項目前期工作中存在的問題主要表現在：一是勘察體系不清晰，難以對勘察過程進行有效的描述，造成工程項目流程化程度低，影響了工程進度，阻礙了勘察項目的實施；二是各部門的協調能力不強，勘察工作必須要多個不同的工作崗位，且要有一個有效的分工合作，這樣才能保證勘測工作的順利進行，達到更好的地質勘察效果，提高勘測結果的精確度。

4.2 泥漿護壁問題

第一，由于泥漿的比重不合理，造成了井壁上的泥漿容易脫落，不能起到防護作用，影響了井眼的穩(wěn)定；第二，抽水率和井深不協調，會影響到井壁的形成，產生不完全的孔壁；第三，一些勘測單位使用水鉆法進行鉆探，如果遇到軟土，就會造成鉆頭與淤泥產生粘連，造成孔內沾上大量的泥沙，影響到井筒的清潔性。

4.3 巖土參數問題

第一，地質參數會影響勘測分析的成果，妨礙巖土工程的力學性能，妨礙工程地質分析以及勘探工作；第二，會對勘察參數的計算產生一定的影響，從而降低測量精度，特別是在地質條件比較復雜的情況下，會對工程項目的順利進行造成不利的影響；第三，由于設計人員缺乏專業(yè)知識，在巖土參數檢測中存在誤差，造成測量數據不精確等問題，影響了巖土工程的正常進行，給后續(xù)的工程建設埋下了隱患[1]。

4.4 設備管理問題

第一，由于設備的老化，使其性能降低，不能正常工作；第二，由于設備存在故障，加之維修工作不到位，經常在使用中發(fā)現問題，致使調查工作不能順利進行；第三，由于設備運行不當，造成了設備在某種程度上的損壞，從而降低了儀器的功能，影響了巖土勘探的開展；第四，未能妥善保管好電器設備，特別是電器在使用過程中，因為受潮而造成短路，致使電線燒毀，需要重新安裝，對設備造成很大的傷害[2]。

4.5 勘探孔布置問題

在巖土工程勘察中，探井的布設存在著一定的規(guī)律性，如果布設不當，將會對勘測工作產生不利的影響。探井布設存在以下問題：第一，探井數目過多，會造成單位面積的孔隙密度增大，增大工程工作量，影響勘察成果；第二，嚴格控制探測孔的距離，超出探測范圍，會影響到探測區(qū)域，影響地質構造，降低測量精度；第三，由于鉆孔深度不夠，孔深達不到地質探測的要求，致使勘查對象未能到達指定的位置。為確?？碧匠晒臏蚀_，必須做好物探鉆孔的布置，確保物探孔的規(guī)律性。

5 數字技術在巖土工程勘察中的應用措施

5.1 在數據建模板塊

當前數字化建模在巖土工程中主要有兩類用法，即數字表面技術和不規(guī)則網絡法。

（1）數字表面模型。數字表面模型法有很長的發(fā)展應用歷史，它可以根據需要，細致地顯示勘察目標的外觀，而且所得到的數據精度很高，所以它的使用范圍很廣泛。其基本原則是以一個探測點為基礎，再將其向外擴展，獲得具有屬性和幾何特性的離散數據，最后利用數據分析的方法，將勘探隊形的位置信息以數據形式顯示在相應的系統中。這種探勘方法是將勘探目標中具有相同屬性的點按照一定的順序排列在一起，構成了一個網絡面，用于顯示勘探目標的屬性、空間屬性（見圖2）。

（2）不規(guī)則網絡法。利用不規(guī)則網絡法進行地質調查，以數字高程模型為基礎，既可以避免數據冗余，又具有良好的計算效率，可以在復雜地質條件下進行地質調查，特別是在一些特定條件下，可以保證測量結果的準確性[4]，比如水域線，斷裂線，還有其他的一些特殊情況。該方法的基本思想是通過建立斷裂線CDT的方法構建Delaunay三角，在該三角網絡中，所有的三角形都不會相互相鄰，而其他的點則不會出現在三角形的外圍。其具體方法是：把關聯點壓縮到某一區(qū)域，再以三角形的形式生成；第二種是逐步插入的方法，將三角形依次插入到其余的空間中。

（3）其他數據發(fā)展。目前，在智能城市的巖土勘探系統中，一般采用的方法有三維數字方法和地貌模型方法。前者主要是通過對巖土工程勘察內容的三維空間組成元素，建立立體的立體模型，以屬性、特征為依據，對城市地下層、地下水等進行立體的描述；后者則側重于特定區(qū)域，在利用DEM技術的基礎上，利用遙感技術進行三維立體顯示。該方法在實際應用時，可以通過PS軟件對轉換后的正射圖像進行相應的處理，以獲得具有紋理的三維城市模型。

5.2 巖土工程勘察中數字技術數據庫搭建

利用數字化技術獲取的地質勘探資料，既有地理空間的，也有非空間的，再細分為基本資料和勘探資料。①地貌或地形圖。主要反映數字化技術巖土工程勘察基礎上所得到的該區(qū)域自然地貌狀態(tài)。②自然規(guī)劃圖。自然規(guī)劃信息，包括公共設施、居民區(qū)、道路、河流等。前者指的是測量目標的有關數據，另一種是指物理力學、自然環(huán)境、地理數據等有關的數據；另一方面，則是對特定的地層資料，如沉積年代、資料周期、液化參數等。

從以上分析可以看出，在進行巖土工程數字系統建設中，有幾個方面值得注意。首先，要清晰界定數據庫的相關概念，建立一個可信的數據庫模型。在巖土工程勘測數字化過程中，需要大量的數據資源，還要面對各種復雜的數據環(huán)境。因此，為保證數據庫的準確性、可靠性和實用性，使概念數據模型更真實地反映實際情況，應將與分離實體及關聯相關的行為與功能，即資料來源必須是實地考察，并與研究目標有某種關聯。其次，建立一個資料庫。通過對數據的分析，發(fā)現數據化技術在巖土工程中的應用主要有三種：①原始資料處理；②中間系統處理；③最后的數據處理。在測量資料的基礎上，測量點的屬性資料和測量點的幾何資料構成了勘測資料；中間資料是由原始資料系統自動產生的，包括地層面等高線模型、表面模型、剖面模型等，利用該模型可以產生不同類型的用戶所需的圖形，并能進行多種查詢操作。最后數據類型很多，以用戶的需求為基礎，通過圖片和文件等中間數據產生。

6 數字化技術在巖土工程勘察時運用的案例

某項目的主要的結構形式是：鋼結構建筑面積為453000m2，跨度為17.3m，而地下室的標準高度為?5.3m。按照項目的勘察設計和施工的要求，一共有310個鉆孔，每一個鉆孔都要有24m的間距，每一個孔要有15m深。此次勘測所采用的設備、儀器、全站儀等設備，在勘測時必須準確定位鉆孔位置，然后檢查高程參數。根據勘測工作的要求，在進行勘測時，對其承載性能、變形、含水量、致密程度等開展試驗。在安裝實施階段，必須綜合考慮各種環(huán)境因素和影響，并嚴格按照施工程序和規(guī)程進行操作。當特定的品質達到要求時，應當將資料儲存到系統中，使之構成整體的分布圖。

在巖土工程的前期勘察工程結束后，再進行基礎的填筑。通過這次調查，發(fā)現了夾層中的粉質黏土，其物理特性為：壓縮系數為0.33，水分含量大于32.11%，飽和度達到95%。另外，根據調查的結果，可以看出在調查中，巖石的主要成分是石英和少量的卵石，具有連續(xù)性的分布特征，要求深度為12.2m~15.1m，底部為14.3m~16.7m，密度為中等?；谏鲜鲑Y料，相關設計人員可以將資料整合起來，形成專門的規(guī)劃圖，以此判斷出巖土的結構和性質，提高工程的施工質量。

7 結束語

因此，在現有的巖土施工項目調查背景下，運用先進的信息化技術，不僅可以保證地質調查工作的質量，提高勘察資料的可靠性，而且可以降低成本和操作難度。特別是在現代智能城市的建設中，數字巖土工程技術可以為城市的發(fā)展提供更加真實、立體的數據支持。各有關部門要進一步完善自身的技術系統，創(chuàng)新技術運用方法，促進巖土工程勘探事業(yè)的向前發(fā)展。