高速公路水工环地质勘查技术与应用

李国林

（湖南省交通科学研究院有限公司，湖南长沙410000）

0 引言

现代化建设水平的不断提升，使得各地对高速公路建设使用的安全可靠需求越来越高，然而随着高速公路交通网络系统的建设规模不断扩大，不可避免会遇到复杂的水工环地质条件。为此，工程建设者应从现有水工环地质条件资料入手，通过优化勘查技术应用的适用性，从源头入手，为高速公路建设使用的安全稳定效果提供保障。

1 工程概况

湖南省某高速公路穿越大型石膏矿及采空区，石膏矿分布于K1+200～K3+250 里程段，沿线穿过村庄、河流、农田、公路等。膏矿开采方式为：应用沿走向以顺路平巷形式推进的棋盘状壁式充填采矿法（即房柱充填法）。采场规格：长度≤100m；宽度按埋深划分，45m 以上采矿空间跨度≤8m，45m 以下为≤12m；保安柱的宽度，双采场及采空区之间≥3m，上下山运输巷两侧≥4m，主大巷两侧宽≥5m；采场回填率≥30%。此次桥址勘察为施工图设计阶段工程地质勘查，采用钻探、物探和地质调绘相结合的方法，岩土试验为室内常规物理性试验、标准贯入试验。为了详细查明采空区的空间展布（埋深、采空高度、回填情况等）、采空区对路线、桥梁的影响等，为采空区综合处治提供详细地质依据。

2 高速公路水工环地质条件

2.1 地质条件

根据1∶20 万韶山幅地质图（7-49-Ⅴ）及1∶5 万衡山县矿产资源分布图（2015年）等资料表明，路线走廊带内构造体系属早—晚期新华夏式构造体系，区内构造主要呈北东至北东向展布，桥址下伏基岩总体为单斜构造。通过此次勘察和地质调查，桥位区内无大规模构造发育，桥址下伏基岩总体为单斜构造，岩层产状为90o∠10o，本桥位区未发现新构造运动痕迹。通过此次勘察和地质调查，桥位未发现新构造运动痕迹。

2.2 水文地质条件

2.2.1 地表水

桥位区地表水主要有涓水，古称兴乐江，是湘江的一级支流。该流域发源于双峰县昌山，途经新桥、贯塘、江东、白果、长青五个乡镇，涓水全长103km，流域面积1764km2，下游河宽80～100m，平均坡降11‰。境内长约26.8km，汇水面积为490.4km2。20世纪50年代，是衡山的第二条通航河道，后来因为河床淤积问题被阻断。

2.2.2 地下水

桥位区地下水主要为基岩裂隙水与松散堆积层中的孔隙水。其中裂隙水赋存在泥质粉砂岩的层间裂隙环境，主要依靠大气降水补给。水量大小与裂隙的发育程度、连通情况密切相关，一般较小，埋深较大，水量受季节变化影响较小。而孔隙水主要赋存在第四系松散堆积层中，具体体现为场区范围内的粉质黏土及砂卵石层。因补给仅接受大气降水与地表水，所以水量小，且随季节变化问题影响明显。

2.3 采空区石膏矿脉分布

矿脉分布里程：路线K1+200～K3+500 之前均有灰绿色青石膏层分布。K1+900 之前埋藏浅，风化强烈，无开采价值。厚度2～4m 的青石膏矿脉从西侧(起点)以2～5o的倾角向北东70o方向东侧(终点)分布；K1+260 处矿脉埋深6.3～8.6m，上部为黏性土及全风化岩；K2+940 处矿脉埋深67～71m，地表3～7m土层，土层与矿脉之间为强—中风化泥质粉砂岩(含数层1～20cm 白石膏)。

3 水工环地质勘查技术在高速公路中的优化应用

3.1 钻孔勘察技术

根据地质调查和矿山开采资料收集，结合钻孔资料分析，石膏矿分布路段为K1+200～K3+200 段，共计布置钻孔52 个，钻孔揭露青石膏矿最厚为5.6m，最薄为0.5m，平均厚为2.65m，矿层分布比较稳定，与岩层基本一致，产状为70o∠5o，即矿脉走向340o（160o），倾向70o（北东向），倾角约5o。调查及本次勘探，为挖掘石膏矿而废弃的矿洞，路线附近于2009年曾发生过地面塌陷。矿体走向北东、倾向东南，倾角4o～6o，呈层状产出，矿体垂直厚度1.5～2.6m，平均厚度2m。

根据此次物探及钻探情况显示，主要影响范围位于K1+900～K3+180，共计1.28km。钻孔揭露采空区高度2.5～3.5m，埋深24～90m。采空区顶板为较完整的中风化泥质粉砂岩，含10cm 白石膏多层，地表覆盖层厚度约3.0～4.0m；采空区底部为较完整的中风化泥质粉砂岩，该段对路线及桥梁设计影响较大。其中K1+900～K2+480 路段，采空区埋深24～36m，采空区顶部中风化泥质粉砂岩厚度10～20m。K2+480～K2+710 路段，采空区埋深36～44m，采空区顶部中风化泥质粉砂岩厚度38～42m。K2+710～K2+940 路段，采空区埋深44～67m，采空区顶部中风化泥质粉砂岩厚度44～60m。K2+940～K3+250 路段，采空区埋深67～92m，采空区顶部中风化泥质粉砂岩厚度为60～80m。

另外，根据钻孔孔内摄像结果也验证了采空区内大部分路段没有积水，上部裂隙水呈淋雨状进入采空区后，向抽水井（2 工区斜井）汇集，并抽排至采空区外，如图1所示。

图1 采空区巷道及采场标高与地下水变化情况

3.2 GPS 技术

GPS 卫星地位技术的基本原理是通过太空卫星来接收地面的无线电信号，利用卫星导航的定位系统来测量距离。其原理是利用卫星对当地三个以上的地面位置点交会，进而确定某一未知点。具体操作方法为：首先，将1 台GPS 接收机放置在基准站上进行不间断的观测；其次，将观测到的数据通过无线电传输装置发送到地面用户观测站；再次，以相对定位原理对获取的基线向量进行计算分析得出需要的三维坐标；最后，经再预设的三维坐标系与地方坐标系的转换参数，确定所需要的三维坐标精度。此方法精确程度高，能够降低勘查时间，提高水工环地质勘查的工作效率[1]。高速公路水工环勘查应用GPS 技术的原理，如图2所示。

图2 GPS 技术的原理图

3.3 GRS 技术

GRS 技术的应用原理与GPS 技术相似，利用电磁波对所处水工环地质进行信息数据采集。而后，再对获取的地质信息数据进行分析与转换，来完成高速公路水工环的地质勘查工作。在运用探地雷达系统的过程中，需要将发射天线设置在勘测设施中，如此就可获得地下发射出的电磁波信号，进而对地下地质结构进行有效探测，为地质信息数据的处理提供重要依据。

GPS 探地雷达技术的应用，能够为实现水工环地质勘查数据采集与分析工作的全自动化建设提供技术支撑。与其他地质勘查手段相比，其获取的图像细节清晰度更好，可为工程项目建设决策的正确选择提供数据支撑。因而，GPS 探地雷达技术在水工环所处的工程项目地质勘查工作中得到了广泛应用。在具体技术应用中，要求相关人员结合地下地质结构反射获得电磁波振幅变化，来掌握结构性质与形态，但在实际应用控制过程中，GRS 技术应用仍存在探测距离较短的问题，需不断进行优化调整，以规避局限性影响。

3.4 RTK 技术

RTK 的工作原理是在基准站上放置1 台接收机，在流动站上放置另外一台或几台接收机，流动站可以是静止或者运动状态下的，RTK 技术应用原理示意图，如图3所示。

图3 RTK 技术的原理示意图

这些接收机从同一GPS 卫星、同一时间接收到信号后，就可与基准站已知信息资料进行比较分析，最终得到GPS 的差分改正值。然后将这个GPS 差分改正值发送到流动站，再根据收到的GPS 差分改正值来确定流动站的实时位置。

3.5 瑞雷面波技术

瑞雷面波技术是最近几年发展起来的技术，主要用于浅层的地震勘探。因为这项技术的应用速度与岩、土力学参数和剪切波速度有联系，所以在地基的处理以及岩土工程与土石方工程中得到了较多的应用。该项技术应用中，通过天然地震面波信号进行地球内部结构的研究，有效利用人工地震面波实现工程勘探与工程质量的无损检测。

3.6 RS 技术

RS 技术是指利用网络环境来完成水工环的地质勘查工作，进而预防自然灾害等失稳问题。从发展进程角度来看，水工环地质勘查工作在应用RS 技术后，起到了一定的积极作用。随着科技水平的不断提升，多源遥感技术已经被研发使用，即通过构建多元模型功能，为高速公路水工环地质勘查工作提供更为详细清晰的图像资料。

3.7 TEM 技术

TEM 瞬变电磁技术，早期应用在航空航天，通过探测手段分析太空物质，在水工环地质勘查领域，瞬变电磁技术的应用研究时间较短，能够充分发挥作用的勘查对象为金属矿石[2]。瞬变电磁技术的应用原理为，运用电磁设备回线作用，以脉冲信号方式把电磁波发送至水工环勘查位置。作用于地下地质结构的电磁脉冲信号，遇到具有定性或是不均匀特征的物质，就会形成异常状态的涡流流场。此技术的应用，能够有效提升地下地质结构物分析判断的准确性。如，地下地质结构介质受到电磁波干扰后，与其产生影响，电磁波传播时长越高，就会向地质结构更深层次扩散，在此技术条件下，水工环的地质勘查结果准确性就能够得到保障。因而，高速公路涉及水工环地质勘查技术工作，应用瞬变电磁技术，并通过总结经验规律，来对可能存在的不合理问题进行优化控制，进而将技术应用效果在水工环地质勘查工作中发挥出应有价值。

4 结语

综上所述，高速公路地处石膏矿采空区水工环地质条件，可以应用以下几种勘察技术，来保证水文地质评价分析结果的准确性：一是钻孔勘察技术，将钻孔资料作为基础，结合调查等，能够确定石膏矿采空区的主要影响范围；二是GPS 技术，就是通过卫星导航定位系统从太空卫星接收无线电信号，以完成水工环地质结构条件的测量确定；三是GRS 技术，经电磁波收集水工环地质情况信息，通过分析与转换处理，来保证勘察结果获得的可靠性；四是TEM 技术，借助电磁设备中的回线作用，将电磁波以脉冲信号形式发送到地下，进而产生异常涡流流场，此勘察技术能够大幅提升对地下结构物的判断准确性。基于此，处于采空区地质水文条件的高速公路工程建设，就能在确定水工环地质所带来影响的基础上开展各项作业，以达到工程建设使用的质量效果预期。