數(shù)字成像技術在大型橋梁勘察中的應用

李友龍

1 概述

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展,我國勘察領域中采用的勘察手段越來越多樣化,并在工程實踐中解決了較多實際難題,其中孔內(nèi)數(shù)字成像技術就是其中一種,在我國一些重要大型橋梁勘察中發(fā)揮了重要作用。

它的應用更能反映鉆孔內(nèi)的實際情況,在巖溶、構造帶、破碎地層地區(qū)勘察,使得到的結果更加直觀可信,彌補了過去在大橋基礎設計時對巖溶發(fā)育的空間規(guī)模、斷層的屬性、節(jié)理裂隙的發(fā)育程度把握不準的缺陷,使大橋基礎設計帶有一定的主觀性,同時該手段的應用也彌補了地質(zhì)編錄人員在地層破碎采芯率不足而難以編錄的不足,為大橋基礎設計提供可靠直觀的科學依據(jù)。

2 數(shù)字成像原理

孔內(nèi)數(shù)字成像集電子技術、視頻技術、數(shù)字技術和計算機應用技術于一身,從側(cè)視角度對鉆孔內(nèi)孔壁進行無擾動的原位攝像記錄并加以分析研究,通過直接對孔壁進行研究,避免了鉆孔取芯工程的擾動影響,一定程度上解決了鉆孔工程地質(zhì)信息采集的完整性和準確性問題。

3 主要應用成果

1)彌補巖芯采取率的不足。我國特大橋采用的基礎多為深大基礎,且一般多采用大口徑嵌巖樁或摩擦樁,樁尖多深入至巖層中,因此在大橋勘察過程中,對一些堅硬較脆易碎巖層,往往巖芯采取率不高而出現(xiàn)對地層編錄不全面,甚至出現(xiàn)漏編的情況,特別是破碎帶或軟弱夾層,取芯率較低,有時甚至取不上巖芯,在這樣情況下,地質(zhì)編錄人員可以說是束手無策。通過數(shù)字成像技術,就可以清晰地看到鉆芯三維柱狀全景,了解整個鉆探回次內(nèi)巖性特征。甚至包括對破碎的原因都能進行分析,可以判別巖芯破碎是機械原因還是實際地層原本就存在著的。2)確定構造破碎帶的產(chǎn)狀。通常假定斷裂為一個空間平面,因此,它可以由空間中的三個不共線的點唯一確定,那么對應發(fā)現(xiàn)的斷裂或裂隙,只要在其平面展開圖上選擇不在同一直線上的三個點,就能確定構造(或裂隙)的產(chǎn)狀。斷裂或裂隙的寬度可以通過測量位于斷裂(裂隙)相對的兩條邊上的兩個點之間的距離直接得到。整個測量過程在平面展開圖中進行,由于平面展開圖中的點仍是空間坐標,測得的寬度是兩點的空間距離。3)了解灰?guī)r地層巖溶發(fā)育情況。鉆探通過取芯能直觀地發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育的特征,判定溶洞或溶溝(槽)、溶隙的大小、溶洞的充填情況,但在破碎地層,巖芯采取率不足時,技術人員則對地下巖溶發(fā)育情況估摸不準,通過孔內(nèi)數(shù)字成像技術,可以對整個鉆孔灰?guī)r段巖溶發(fā)育程度作詳細了解,對裂隙的產(chǎn)狀特征、孔壁的光滑程度、巖體的完整程度情況作出準確判斷,如溶洞大小、空間展布特征,充填物特性,巖壁的溶蝕現(xiàn)象、溶蝕范圍,能有較全面的觀察和分析,甚至對溶洞的賦水情況、地下水水流、何處滴水、冒水、涌水都能了解和掌控。4)判定基巖風化程度。在樁基工程施工過程中,大口徑灌注樁多采用泥漿循環(huán)技術將孔底巖芯攪成砂狀物和巖粉帶到孔口,由于對砂狀的巖芯專業(yè)勘察技術人員也很難判別其風化程度,即是否到了勘察報告中建議的樁尖持力層,給設計帶來難題,也給大橋樁基施工帶來安全隱患,大橋施工中出現(xiàn)較多基礎下沉和變形,甚至有的出現(xiàn)跨塌現(xiàn)象,這些多是由于對樁端持力層的巖性風化判斷失誤造成,尤其在巖漿巖地區(qū),基巖面起伏較大風化差異顯著的地段,數(shù)字成像技術解決了這樣的難題,它能近距離全方位拍攝巖芯的柱狀特征,準確判定巖體風化程度和風化界限。

4 應用實例

4.1 青島海灣大橋

青島海灣大橋非通航孔橋段,巖性以玄武巖為主,由于構造裂隙發(fā)育,鉆探巖芯采取率低,設計人員很難判定橋墩持力層的完整基巖具體位置。運用數(shù)字成像技術,清晰地了解孔內(nèi)巖體裂隙發(fā)育特征,統(tǒng)計了 50條裂隙,具體情況詳見表 1。依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),描繪節(jié)理裂隙玫瑰花圖,真實掌握鉆孔內(nèi)巖體裂隙發(fā)育情況(見圖 1)。

從所繪的裂隙分布極點圖和產(chǎn)狀的傾向玫瑰花圖可以看出向裂隙分布比較分散,各個方向都有一定數(shù)量的分布;還有一些不規(guī)則裂隙和隨機裂隙。從統(tǒng)計結果可以看出,該區(qū)域鉆孔裂隙多集中在 40m之內(nèi),孔壁不完整,局部破裂,巖質(zhì)較疏松,有碎石塊;統(tǒng)計了25條,平均極大視隙寬度為29.4mm;數(shù)字鉆孔攝像結果顯示(見圖 2),該區(qū)域鉆孔上部裂隙較密集,孔壁存在破裂情況;鉆孔的 40m以深孔壁比較完整,是大樁嵌巖樁的理想持力層位。

表1 玄武巖節(jié)理裂隙統(tǒng)計表

4.2 貴州壩陵河大橋

壩陵河大橋東索塔區(qū)地質(zhì)條件較為復雜,為灰?guī)r地層,部分地段巖芯較為破碎,溶蝕現(xiàn)象較為明顯。

以XZK 13孔為例,從成像圖上看出:51.4m～51.8m發(fā)育裂隙(見圖3a));60.8 m～61.2 m發(fā)育溶蝕現(xiàn)象(見圖3b)), 67.6m～68.0m溶蝕現(xiàn)象強烈;76.8m～77.1m發(fā)育有溶洞;共統(tǒng)計裂隙12條,其中6條都為NE向(見表2)。

表2 XZK 13號鉆孔裂隙列表

由于鉆孔數(shù)字成像技術的成功運用,在結合鉆探資料的基礎上,東索塔墩選擇在 81m巖石相對完整地段,使大橋東索塔基礎避開了巖溶發(fā)育和地層破碎的區(qū)域,確保了樁基礎的穩(wěn)固。

5 結語

孔內(nèi)數(shù)字成像技術配合傳統(tǒng)的勘探手段,能夠有效地解決工程地質(zhì)勘察中的地質(zhì)難題,具有其他手段不可替代的明顯優(yōu)勢,能夠清晰地記錄鉆孔內(nèi)巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度、風化破碎程度、巖溶溶洞發(fā)育規(guī)模、主要巖層結構面以及斷裂破碎帶等孔內(nèi)真實情況,通過對不良地質(zhì)現(xiàn)象分析與數(shù)理統(tǒng)計,分析評價大橋基礎下巖體結構以及風化特征。實踐證明,孔內(nèi)數(shù)字成像技術在特大型橋梁勘察中,尤其是構造破碎帶、巖溶地區(qū)勘察中效果顯著,為大橋基礎設計提供了更為全面、直觀的基礎資料,有效地提高了勘察成果質(zhì)量。

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