大桥岩溶地质勘查工作研究

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摘要：通过综合物探技术和三维激光探测技术，对桩侧和桩端的重大地质灾害源进行了精确探查，对岩溶、裂隙等地质灾害源进行了定位、定量精细化探查，同时对超前钻、物探等勘察结果进行了验证，有利于避免超前钻“一孔之见”的弊端，从而解决了单一物探探测解译误差大的缺陷，为岩溶区隐伏溶洞处治、桩基施工和设计提供了重要依据。

关键词：岩溶；综合物探；三维激光探测

岩溶地貌又称喀斯特地貌［１－２］，岩溶区地基易受力不均匀从而引发沉降变形的不均匀，甚至发生塌陷，造成不可挽回的破坏，对施工安全、质量、工期影响很大［３］。中国是一个岩溶大国［４］，施工前进行地质勘探，充分了解地质条件，进而提前制定施工计划，预防桩基施工病害，提高施工效率，节约成本。跨海青特大桥，桥址区域为大理岩，发育溶蚀现象，多为溶孔、溶隙，揭示溶洞洞高０．４～４．６ｍ，无填充或全填充硬塑状粉质黏土及碎石土，遇洞率３４．０４％，线溶率１．８２％～５６％，综合分析为微弱发育～弱发育。本文运用综合物探技术和三维激光探测技术对桥址的地质条件进行了探测，由多个结果相互印证，克服了单一物探方法的多解性，提高了探测结果的可靠性［５－６］。

１岩溶综合物探方法及成果

１．１地质雷达探测

地质雷达也称探地雷达，是利用频率为１０６～１０９Ｈｚ的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器，在工程地质勘察、公路工程质量检测等众多领域被广泛应用。对３７３＃至莱方台之间的桥墩（限于农田场地条件３７６＃未做）地基进行了地质雷达探测，并参考地质勘察结果对个别桥墩加强探测。探测结果为：３７４＃墩、３７５＃墩、３７７＃墩、３７９＃墩、３８３＃墩均有岩溶发育现象，特别地，在３７５＃墩发现存在多处岩溶发育，推测下方岩溶发育比较强烈。

１．２瞬变电磁探测

瞬变电磁探测具有体积效应小，方向性强，纵横向分辨率高，对低阻体反应灵敏，施工快速等优点，可以广泛应用于各种工程物探中，是解决含水层富水区探测、工程水文地质问题的理想探测手段。采用瞬变电磁法进行探测时的整个测区面积大小为３００ｍ×１２ｍ，包含１１个承台，每个承台尺寸为１１ｍ×７ｍ，并设置了３条测线。由探测结果推测，３８３＃墩及３７３＃墩附近区域可能发育溶洞，且溶洞内不含水或含少量水；若存在发育溶洞的情况，也几乎是不充填或者砂石泥土充填。

１．３跨孔电阻率ＣＴ探测

跨孔电阻率是一种阵列式勘探方法思想，电极变换方式较常规电法丰富，数据采集方式是分布式的，在野外测量也可实现数据的快速和自动采集。测试结果经处理可以得到关于视电阻率等值线图或真电阻率反演剖面等各种图示结果。跨孔电阻率ＣＴ探测一次可以完成纵横二维勘探过程，所以观测精度较高，数据采集可靠，具备较好的成像功能。，数据采集可靠，具备较好的成像功能。采用跨孔电阻率ＣＴ探测时每个探测桥墩共设４个钻孔（４个钻孔以桥墩为中心），呈矩形分布，每组共设有６条测线。以３７５＃墩部分测线探测结果为例进行介绍，基于电阻率的分布情况，推断两孔之间区域岩溶裂隙发育。

２三维激光扫描探测

２．１三维激光扫描的探测过程

溶洞自动激光扫描系统的探测器利用地表的钻孔下放至溶洞内部，迅速而安全地对溶洞进行三维激光扫描。激光探测器直径为６０ｍｍ，一般情况下，用于下放探测器的钻孔直径要求不小于７０ｍｍ。受设备主电缆及钻孔跟踪杆件的承载力限制，探测器沿钻孔下放的最大深度为３００ｍ。完整探测过程如下。１）测量地表钻孔的孔口坐标和钻孔跟踪杆件架的方位角，将其输入到控制软件中。２）下放探测器并记录钻孔跟踪数据。钻孔跟踪杆件每下放１ｍ或２ｍ读取一次钻孔跟踪数据，直至到达理想扫描位置，可实时观察钻孔内部情况，如图１所示。３）激光扫描。须选定扫描模式和合适的步幅增量。若溶洞体积巨大或中间有障碍物，可设置两个钻孔进行探测。在１００ｍ范围内，操作人员可利用无线网络进行遥控操作和监视，最终生成溶洞点云数据，完成扫描。４）合成钻孔跟踪数据和溶洞点云数据。扫描完成后，将获得的钻孔下放跟踪数据以及溶洞三维点云数据合并，最终得到完整的溶洞探测数据。

２．２原始扫描点云数据导出

通过探测得到的原始点云数据经过空区激光自动扫描系统处理软件处理后得到探测孔的原始点云。原始点云数据可以采用数字处理软件进行处理和编辑。钻探孔激光扫描基础数据以莱方台为例，桩基探测孔以４９号桩为例。原始点云数据图２自左至右依次为点云俯视图、点云正视图（南北向）和点云侧视图（东西向）。

２．３点云数据处理

受外界因素影响，最终的扫描点云数据会出现无距离点和坏点；“中间介质点”现象也会造成点位的偏移。采用“滤掉扫描中单个明显坏点”的方法进行点云数据处理，即滤掉超过工作区域固定空间范围的噪声点，相邻两点距离超过某可信值的失真点。边缘点在扫描线上与前后两点连线的夹角小于某可信值也为失真。合理的探测位置对准确探测溶洞实际边界至关重要。形态复杂的溶洞要设法进行多点探测，再将数据拼接形成完整的溶洞点云数据。多点扫描数据拼接就是将多次扫描的三维点云数据置于一个公共的坐标系下。

２．４溶洞三维模型构建

溶洞三维模型的建立是整个模型建立过程中最重要的部分，通过建立溶洞三维模型，可以实现溶洞的三维可视化，形成三维直观的可视化模型。建立溶洞三维模型后，可以计算溶洞总体积，计算任意分层的体积，并在任意方向上产生剖面。莱方台溶洞三维实体模型如图３所示（自左至右依次为模型俯视图、模型正视图（南北向）和模型侧视图（东西向））。

２．５溶洞三维激光探测成果输出

莱方台、４９号桩、３７５＃墩和３７９＃墩都存在溶洞发育现象，且有向四周延伸的趋势，有流动水冲刷痕迹。其中莱方台处溶洞的最大延伸长度约为１．６ｍ，最大体积约为０．５５ｍ３；４９号桩处溶洞的最长延伸长度约１ｍ，最大体积约０．９７ｍ３。

３结论

潍莱高铁跨海青特大桥桥址区域勘探范围内缓坡地段局部上覆第四纪全新统冲洪积层粉质黏土及中砂，局部分布第四纪全新统人工堆积层杂填土，下伏晋宁期花岗岩。综合分析岩溶微弱～弱发育，３７５＃墩及莱方台区域强烈发育，莱方台地基有无填充溶洞，溶洞高约０．６ｍ，长约１．６ｍ，且有向周边延展趋势。其他多为碎石及泥土填充型溶洞，岩石完整性差，其他桥墩地基大理岩裂隙、溶蚀发育，局部呈蜂窝状，有流水冲刷迹象，岩石完整性差，施工时应注意。

作者：温登钦 白继宏 王培森 巴兴之 单位：山东铁路投资控股集团有限公司 中国建筑土木建设有限公司山东分公司 山东建筑大学土木工程学院 山东大学齐鲁交通学院