工程地质与物探技术在基础设施建设中的协同应用

何盼情

(西安交通工程学院,西安 710300)

为探讨工程地质与物探技术的协同应用,选取多个基础设施建设项目,覆盖道路、桥梁、隧道及建筑等领域,探讨其具体应用及对工程质量、工程进度及成本控制等方面的影响,通过工程地质与物探技术协同应用实践,为基础设施建设项目提供有力的技术支持及决策参考,通过案例及效益分析来展示其潜在价值,为相关人员提供参考,以促进基础设施建设的可持续发展。

1 工程地质与物探技术

工程地质是研究地质过程及现象如何影响工程项目的学科,通过地质勘察、地质风险评估及地质工程设计来识别并解决潜在的地质问题,确保工程的安全性及稳定性。在基础设施建设中,工程地质应用广泛,包括对地层、地质构造及地下水位等地质特征的研究[2]。物探技术是一种利用地球物理学原理,通过各种勘探方法获取地下信息的技术,包括地震勘探、电磁勘探、地磁勘探等多种方法,用于探测地下构造、地下水位、地下岩层等信息,主要目的是为工程项目提供高质量的地下信息,以指导工程设计及施工过程。

协同应用是将工程地质与物探技术有机结合在一起,充分发挥它们各自的优势,为基础设施建设提供全面的地下信息支持。在实际项目中,工程地质与物探技术的协同应用可以帮助确定地下岩层的性质、地下水位的情况、潜在的地质灾害风险等,这些信息对于基础设施的选址、设计及施工至关重要。

表1 物探技术的应用形式(常见手段及基本原理)Tab.1 Application forms of geophysical exploration technology (common methods and basic principles)

2 工程地质与物探技术的协同应用

工程地质与物探技术的协同应用在基础设施建设中发挥着至关重要的作用,确保了工程项目的安全性、可持续性及经济效益,其协同应用具体过程如下：

2.1 前期规划阶段

在项目前期规划阶段,工程地质与物探技术发挥着关键作用,确保了项目选址及整体规划的合理性,过程如下：进行地质调查与分析。项目选址前进行地质调查,收集地质信息,包括地层性质、地下水位、地质构造、地震风险等因素的分析,帮助确定项目的地理位置,分析地质条件的可行性。物探技术主要用于地下信息的获取,如电磁勘探、地震勘探及地磁勘探等方法可确定地下构造、地下岩层特性及地下水位[3],有助于项目选址及设计。

2.2 设计阶段

工程地质与物探技术可提供关键信息,确保设计的合理性及可行性。工程地质信息被整合到工程设计中,确定建筑材料、基础类型、结构设计等选择,确保工程在一定地质条件下的稳定性。物探数据用于确定地下结构,如地下岩层的分布及地下水的流动,这对于选择基础工程的类型、深度及地下水管理非常关键。在设计阶段,工程地质与物探技术提供详细的地下信息,以支持结构设计及基础工程的选择。具体过程包括：地下岩层勘探,即利用物探技术,如地震勘探与电磁勘探确定地下岩层的性质、深度及分布;物探技术可用于监测地下水位变化,这对于基础工程的设计及水文风险管理非常重要,尤其是在水土流失及淹水风险较高的区域。设计阶段还需将前期规划中的地质风险考虑进来,工程地质与物探技术提供的信息可帮助选择适当的设计参数及材料,以应对潜在的地质风险。

2.3 施工阶段

在施工阶段,工程地质与物探技术的应用有助于确保施工顺利进展。物探技术在施工中可用于地下结构的探测,避免与地下障碍物(如管道、岩层、地下均匀等)的冲突,节省时间及成本,降低风险[4]。地下水位的监测同样非常关键,特别是对于井基础工程、挖掘工程及地下施工项目,通过物探技术可实时监测地下水位的变化,采取必要的水文风险管理措施。还可用于质量控制,如检查基础工程的质量及密实度,确保工程的长期稳定性。

工程地质与物探技术的协同应用是基础设施建设的关键,其在项目的前期规划、设计及施工阶段发挥着关键作用,有助于减少地质风险,提高工程质量,降低成本,确保工程的可持续性及安全性。充分利用工程地质与物探技术,可使基础设施项目更好地适应地质条件,有效地应对潜在的地质问题。

3 应用案例及分析

3.1 桥梁建设案例

某座新型高速公路桥梁工程计划建设,该桥梁横跨一条深切峡谷,地理环境复杂,地质条件多变,为确保桥梁的安全性及稳定性,引入工程地质与物探技术,以应对潜在的地质风险。地质专家进行了详细的地质勘察,包括地层岩性、构造特征、断裂带分布等,通过采集岩心样品及地下水样品,确定了地下岩层的性质和地下水位。在物探技术应用上,利用地震勘探技术对峡谷底部进行高分辨率的地下结构探测,确定地下断层的位置及活动性,电磁勘探则用于探测地下水文条件,描绘地下水位分布。将地质与物探数据导入地质信息系统(GIS)进行分析,绘制了地质剖面图及地下水流动模型,通过分析地层的稳定性及承载力,确定了桥墩基础设计参数。对于地质风险评估,将地质数据与历史地质灾害事件进行对比,利用概率统计方法评估地质风险,确定了可能出现的地质问题,如滑坡、崩塌等,为工程施工制定了预防措施。根据地质数据设计了桥墩的深基础结构,确保其稳定性,采用加固措施,如增加桥墩底座面积、使用橡胶支座等,应对地质风险。根据地质勘察结果调整了施工进度及方法,在地质风险较高的区域采取防护网加固措施,防止岩石崩塌对施工造成影响[5]。施工过程中利用二者的结合不断进行地质监测,将监测数据与设计参数进行比对,一旦发现地质数据与设计假设不符,及时调整施工方案,确保施工的顺利进行。

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

通过工程地质与物探技术的协同应用,该高速公路桥梁工程顺利完成,未发生地质灾害事件,确保了桥梁的安全性及稳定性。由于及时发现并预防潜在的地质问题,节省了超过10%的施工成本,缩短了工程周期,取得了显著的经济及社会效益,说明工程地质与物探技术在基础设施建设中的协同应用具有重要性,通过科学的地质勘察、物探技术的应用、数据分析及实时监测,能够更准确地了解地下情况,制定更为合理的设计及施工方案,确保工程的顺利实施。

3.2 隧道建设案例

隧道工程是基础设施建设的重要组成部分,可连接山脉、河流、城市等,面临着复杂的地质条件及地下问题,故工程地质与物探技术的协同应用至关重要。某山区隧道工程需连接两个地区。但该地区地质多变,包括地下岩层、断层及地下水,需确保隧道的稳定性,减少施工风险,提高工程质量。前期规划阶段进行了全面的地质勘察,包括钻孔、岩芯采样及地质剖面测绘,以了解地下岩石的性质、厚度及分布。采集的数据表明在隧道路线上存在复杂的地质情况,包括不稳定岩层及断层。基于地质勘察数据进行地质风险评估,通过分析地质条件识别了潜在的地质风险,如岩石坍塌、地下水涌入及断层活动,为项目规划及风险管理提供了基础。设计阶段使用物探技术,如地震勘探和电磁勘探,确定地下岩层的性质及分布,这些数据被用来确定隧道的截面及支护方案。结果显示,在一段隧道路线上存在较厚的弱岩层,需采取特殊支护措施。在设计过程中考虑了地质风险管理措施,包括设计强化的隧道支护结构、防止地下水涌入的控制措施及连续的地下岩层监测系统。

通过前期规划、设计及施工阶段的密切协作,此项目成功应对了复杂的地质条件,确保了隧道的稳定性及可持续性,发挥了工程地质与物探技术的关键作用,提高了工程质量,减少了风险,带来了可观的效益。

表3 地质勘探技术Tab.3 Geological exploration technology

3.3 效益分析

在桥梁建设中,工程地质与物探技术的协同应用可降低项目成本,通过详细的地质勘察可准确确定桥墩及桥墙的基础设计参数,避免增加不必要的工程量。物探技术的使用可减少地下结构冲突,降低施工费用。以跨越河流的大型桥梁工程为例,采用工程地质与物探技术减少了约10%的成本。地质信息有利于准确规划施工进程,避免意外停工及延期,确保工程质量,减少重建及修复工作,节约工期约15%。

在隧道建设中,工程地质与物探技术的协同应用可有效降低项目成本,提供详细的地质信息,有利于更精确地估计材料及劳动力成本,避免材料浪费及不必要的人力投入。物探技术的使用有助于减少地下结构设计及施工费用,工程地质与物探技术的应用降低了约12%的成本。通过及时发现地下问题并采取必要的措施,确保施工进程的顺利进行,节约工期约18%。

物探技术发展趋势见表4。

表4 物探技术发展趋势Tab.4 Development trend of geophysical exploration technology

4 结束语

工程地质与物探技术的协同应用具有巨大的潜力,已在许多项目中取得了显著的成果,虽然投入工程地质与物探技术需要初期成本,但可减少施工中的意外情况,降低维修成本及项目总成本。为更好地推进二者的协同应用,提出以下建议：积极推广工程地质与物探技术的应用,特别是在地质条件复杂的项目中,有助于提高项目的可持续性及安全性。对于长期运营的基础设施,建立持续的地下结构监测系统,有助于及时发现地下问题并采取必要的措施。需要跨学科合作,包括地质学、地球物理学、工程学等,促进各领域之间的合作,以更好地应对地下挑战。