工程地質與物探技術在基礎設施建設中的協同應用

何盼情

(西安交通工程學院,西安 710300)

為探討工程地質與物探技術的協同應用,選取多個基礎設施建設項目,覆蓋道路、橋梁、隧道及建筑等領域,探討其具體應用及對工程質量、工程進度及成本控制等方面的影響,通過工程地質與物探技術協同應用實踐,為基礎設施建設項目提供有力的技術支持及決策參考,通過案例及效益分析來展示其潛在價值,為相關人員提供參考,以促進基礎設施建設的可持續發展。

1 工程地質與物探技術

工程地質是研究地質過程及現象如何影響工程項目的學科,通過地質勘察、地質風險評估及地質工程設計來識別并解決潛在的地質問題,確保工程的安全性及穩定性。在基礎設施建設中,工程地質應用廣泛,包括對地層、地質構造及地下水位等地質特征的研究[2]。物探技術是一種利用地球物理學原理,通過各種勘探方法獲取地下信息的技術,包括地震勘探、電磁勘探、地磁勘探等多種方法,用于探測地下構造、地下水位、地下巖層等信息,主要目的是為工程項目提供高質量的地下信息,以指導工程設計及施工過程。

協同應用是將工程地質與物探技術有機結合在一起,充分發揮它們各自的優勢,為基礎設施建設提供全面的地下信息支持。在實際項目中,工程地質與物探技術的協同應用可以幫助確定地下巖層的性質、地下水位的情況、潛在的地質災害風險等,這些信息對于基礎設施的選址、設計及施工至關重要。

表1 物探技術的應用形式(常見手段及基本原理)Tab.1 Application forms of geophysical exploration technology (common methods and basic principles)

2 工程地質與物探技術的協同應用

工程地質與物探技術的協同應用在基礎設施建設中發揮著至關重要的作用,確保了工程項目的安全性、可持續性及經濟效益,其協同應用具體過程如下：

2.1 前期規劃階段

在項目前期規劃階段,工程地質與物探技術發揮著關鍵作用,確保了項目選址及整體規劃的合理性,過程如下：進行地質調查與分析。項目選址前進行地質調查,收集地質信息,包括地層性質、地下水位、地質構造、地震風險等因素的分析,幫助確定項目的地理位置,分析地質條件的可行性。物探技術主要用于地下信息的獲取,如電磁勘探、地震勘探及地磁勘探等方法可確定地下構造、地下巖層特性及地下水位[3],有助于項目選址及設計。

2.2 設計階段

工程地質與物探技術可提供關鍵信息,確保設計的合理性及可行性。工程地質信息被整合到工程設計中,確定建筑材料、基礎類型、結構設計等選擇,確保工程在一定地質條件下的穩定性。物探數據用于確定地下結構,如地下巖層的分布及地下水的流動,這對于選擇基礎工程的類型、深度及地下水管理非常關鍵。在設計階段,工程地質與物探技術提供詳細的地下信息,以支持結構設計及基礎工程的選擇。具體過程包括：地下巖層勘探,即利用物探技術,如地震勘探與電磁勘探確定地下巖層的性質、深度及分布;物探技術可用于監測地下水位變化,這對于基礎工程的設計及水文風險管理非常重要,尤其是在水土流失及淹水風險較高的區域。設計階段還需將前期規劃中的地質風險考慮進來,工程地質與物探技術提供的信息可幫助選擇適當的設計參數及材料,以應對潛在的地質風險。

2.3 施工階段

在施工階段,工程地質與物探技術的應用有助于確保施工順利進展。物探技術在施工中可用于地下結構的探測,避免與地下障礙物(如管道、巖層、地下均勻等)的沖突,節省時間及成本,降低風險[4]。地下水位的監測同樣非常關鍵,特別是對于井基礎工程、挖掘工程及地下施工項目,通過物探技術可實時監測地下水位的變化,采取必要的水文風險管理措施。還可用于質量控制,如檢查基礎工程的質量及密實度,確保工程的長期穩定性。

工程地質與物探技術的協同應用是基礎設施建設的關鍵,其在項目的前期規劃、設計及施工階段發揮著關鍵作用,有助于減少地質風險,提高工程質量,降低成本,確保工程的可持續性及安全性。充分利用工程地質與物探技術,可使基礎設施項目更好地適應地質條件,有效地應對潛在的地質問題。

3 應用案例及分析

3.1 橋梁建設案例

某座新型高速公路橋梁工程計劃建設,該橋梁橫跨一條深切峽谷,地理環境復雜,地質條件多變,為確保橋梁的安全性及穩定性,引入工程地質與物探技術,以應對潛在的地質風險。地質專家進行了詳細的地質勘察,包括地層巖性、構造特征、斷裂帶分布等,通過采集巖心樣品及地下水樣品,確定了地下巖層的性質和地下水位。在物探技術應用上,利用地震勘探技術對峽谷底部進行高分辨率的地下結構探測,確定地下斷層的位置及活動性,電磁勘探則用于探測地下水文條件,描繪地下水位分布。將地質與物探數據導入地質信息系統(GIS)進行分析,繪制了地質剖面圖及地下水流動模型,通過分析地層的穩定性及承載力,確定了橋墩基礎設計參數。對于地質風險評估,將地質數據與歷史地質災害事件進行對比,利用概率統計方法評估地質風險,確定了可能出現的地質問題,如滑坡、崩塌等,為工程施工制定了預防措施。根據地質數據設計了橋墩的深基礎結構,確保其穩定性,采用加固措施,如增加橋墩底座面積、使用橡膠支座等,應對地質風險。根據地質勘察結果調整了施工進度及方法,在地質風險較高的區域采取防護網加固措施,防止巖石崩塌對施工造成影響[5]。施工過程中利用二者的結合不斷進行地質監測,將監測數據與設計參數進行比對,一旦發現地質數據與設計假設不符,及時調整施工方案,確保施工的順利進行。

表2 物探工作特征Tab.2 Characteristics of geophysical exploration work

通過工程地質與物探技術的協同應用,該高速公路橋梁工程順利完成,未發生地質災害事件,確保了橋梁的安全性及穩定性。由于及時發現并預防潛在的地質問題,節省了超過10%的施工成本,縮短了工程周期,取得了顯著的經濟及社會效益,說明工程地質與物探技術在基礎設施建設中的協同應用具有重要性,通過科學的地質勘察、物探技術的應用、數據分析及實時監測,能夠更準確地了解地下情況,制定更為合理的設計及施工方案,確保工程的順利實施。

3.2 隧道建設案例

隧道工程是基礎設施建設的重要組成部分,可連接山脈、河流、城市等,面臨著復雜的地質條件及地下問題,故工程地質與物探技術的協同應用至關重要。某山區隧道工程需連接兩個地區。但該地區地質多變,包括地下巖層、斷層及地下水,需確保隧道的穩定性,減少施工風險,提高工程質量。前期規劃階段進行了全面的地質勘察,包括鉆孔、巖芯采樣及地質剖面測繪,以了解地下巖石的性質、厚度及分布。采集的數據表明在隧道路線上存在復雜的地質情況,包括不穩定巖層及斷層。基于地質勘察數據進行地質風險評估,通過分析地質條件識別了潛在的地質風險,如巖石坍塌、地下水涌入及斷層活動,為項目規劃及風險管理提供了基礎。設計階段使用物探技術,如地震勘探和電磁勘探,確定地下巖層的性質及分布,這些數據被用來確定隧道的截面及支護方案。結果顯示,在一段隧道路線上存在較厚的弱巖層,需采取特殊支護措施。在設計過程中考慮了地質風險管理措施,包括設計強化的隧道支護結構、防止地下水涌入的控制措施及連續的地下巖層監測系統。

通過前期規劃、設計及施工階段的密切協作,此項目成功應對了復雜的地質條件,確保了隧道的穩定性及可持續性,發揮了工程地質與物探技術的關鍵作用,提高了工程質量,減少了風險,帶來了可觀的效益。

表3 地質勘探技術Tab.3 Geological exploration technology

3.3 效益分析

在橋梁建設中,工程地質與物探技術的協同應用可降低項目成本,通過詳細的地質勘察可準確確定橋墩及橋墻的基礎設計參數,避免增加不必要的工程量。物探技術的使用可減少地下結構沖突,降低施工費用。以跨越河流的大型橋梁工程為例,采用工程地質與物探技術減少了約10%的成本。地質信息有利于準確規劃施工進程,避免意外停工及延期,確保工程質量,減少重建及修復工作,節約工期約15%。

在隧道建設中,工程地質與物探技術的協同應用可有效降低項目成本,提供詳細的地質信息,有利于更精確地估計材料及勞動力成本,避免材料浪費及不必要的人力投入。物探技術的使用有助于減少地下結構設計及施工費用,工程地質與物探技術的應用降低了約12%的成本。通過及時發現地下問題并采取必要的措施,確保施工進程的順利進行,節約工期約18%。

物探技術發展趨勢見表4。

表4 物探技術發展趨勢Tab.4 Development trend of geophysical exploration technology

4 結束語

工程地質與物探技術的協同應用具有巨大的潛力,已在許多項目中取得了顯著的成果,雖然投入工程地質與物探技術需要初期成本,但可減少施工中的意外情況,降低維修成本及項目總成本。為更好地推進二者的協同應用,提出以下建議：積極推廣工程地質與物探技術的應用,特別是在地質條件復雜的項目中,有助于提高項目的可持續性及安全性。對于長期運營的基礎設施,建立持續的地下結構監測系統,有助于及時發現地下問題并采取必要的措施。需要跨學科合作,包括地質學、地球物理學、工程學等,促進各領域之間的合作,以更好地應對地下挑戰。