地质病害（精选8篇）
地质病害 篇1
0 引言
由于岩溶发育因素错综复杂, 发育的形态千姿百态, 以及岩溶发育的不均衡性和不规则性, 给岩溶隧道的设计施工带来一系列困难:施工阶段的突水、突泥也对施工安全和进度造成很大威胁, 近年来铁路隧道、公路隧道也都不同程度地遇到岩溶灾害, 甚至造成重大事故。尚家湾隧道全长3 800 m, 为全线控制性工程, 岩石为白垩纪砾岩, 其岩石成分主要为灰岩, 且胶结物以钙质为主, 加上存在裂隙及地表汇水作用, 导致岩溶极其发育, 可能出现岩溶涌水、溶洞、突泥、高压涌水等不良地质灾害, 水文资料显示最大涌水量为3.0万m3/d~4.0万m3/d。因此, 尚家湾隧道施工存在相当大的技术难度及安全隐患。
1 尚家湾隧道地质灾害超前探测
1) TSP、地质雷达扫描。
采用TSP隧道地震探测仪进行200 m左右的远距离较宏观的长期预报, 采取地质雷达进行40 m范围内的较微观近期预报, 探测掌子面前方岩溶发育情况及地下水赋存情况。
2) 超前地质钻探。
在部分地段根据TSP、地质雷达等预报结果确定是否需要打探孔以及探孔的位置和数量, 超前探孔成发散形钻孔, 在钻探掌子面前方的岩溶发育情况的同时, 也勘探了在隧道开挖轮廓线外8 m~9 m范围内的岩溶发育情况, 如开挖轮廓线外侧有溶洞或岩溶水发育, 在开挖前或开挖后要采取必要的加固措施, 防止隧道开挖后, 隧道侧壁或顶壁不能承受岩溶水压力, 造成坍塌或岩溶涌水, 危及隧道施工人员及机械设备。
a.掌子面中间顶部钻孔钻探30 m, 角度向上5°;掌子面中间底部钻孔钻探30 m, 角度向下5°。
b.掌子面左、右侧拱腰及拱脚位置各钻探1个孔, 钻探深度13 m (加宽带外侧钻孔15 m) , 水平斜向外侧与隧道夹角成45°。隧道每进尺6 m一循环钻探。
c.记录每节钻杆 (1 m) 的钻进速度, 施工时间及出水情况, 留照片及影像资料。在遇到明显判断前方有溶洞或涌水时, 要对该位置进行加密钻探, 以探明溶洞发育情况或涌水量大小。
2 尚家湾隧道岩溶水及溶洞处置技术
尚家湾隧道洞身大部分处于浅饱水带, 小部分处于季节变动带, 其洞身揭露大型溶洞的几率较高。平水期, 隧道揭露地下河或溶洞后, 地下水携带大量泥砂涌入隧道, 可能产生每日1万m3~2万m3涌水。雨季, 若2日内降雨100 mm, 隧道揭露地下河或溶洞后, 可产生每日3万m3~4万m3的涌水。
根据设计图纸尚家湾隧道水文地质图显示, 尚家湾隧道下穿尚家湾、白果树垭等村庄, 所以在进行岩溶水处置时要充分考虑流水对地表环境及居民生活生产用水的影响。对于开挖导致地下水流失, 有可能引起地表环境变化或影响到居民生活用水的段落, 要采取“以堵为主”进行处置, 对于一般地段则采取“以排为主、堵排结合、因地制宜、综合治理”的原则进行处置。而对于地下水发育, 施工时可能产生突泥涌水等危及施工安全的破碎发育地带, 采取“以堵为主、限量排放、防突防涌”的原则, 通过注浆堵水加固围岩或加强支护形式, 提高围岩的承载能力, 封堵裂隙, 切断渗流通道, 减少水对衬砌的压力;同时, 加强排水措施, 以防止背后大量积水而引起水压力过大产生突泥突水, 确保施工安全。
尚家湾隧道左洞掌子面开挖至ZK64+918时, 左侧拱腰位置超前钻孔钻探至约4 m时, 从钻孔内开始涌水。后根据洞口流水情况分析, 洞内涌水情况基本稳定, 且考虑到尚家湾为上坡施工洞内不会有过深的存水, 组织相关人员先进洞查看。洞内涌水点仍为钻孔处, 涌水稳定, 现场水头喷出约15 m, 水压较大, 水流量经检测约为200 m3/h (见图1) 。初步分析涌水为裂隙管道水。
制定初步方案:
1) 进行涌水自涌放水, 观察水压力及水流量是否减小, 同时观察水流失对地表环境及村民生活生产是否产生影响。
2) 对掌子面其他位置进行加密超前钻探。
经过4 d的自涌放水, 水压力及水流量有明显减小趋势, 施工人员加大超前钻孔的密度, 通过钻孔基本可以判定前方溶洞的位置及发育方向 (如图2深色标注部位) , 从左侧拱腰延伸至右侧拱脚位置。超前钻孔中除涌水点下方两个钻孔有部分泥水流出外, 其他钻眼没有水或泥流出, 分析溶腔内没有很大存水或淤泥, 可以打眼放炮进行掘进, 以便将溶洞暴露出来。
放炮完成后, 观察洞口流出的水流没有增大的迹象, 初步分析内部没有出现新的涌水点, 进洞对掌子面检查, 在掌子面左侧拱腰及右侧拱脚位置溶洞暴露, 与之前判定位置及走向基本相符, 没有显示新的涌水点, 通风后装载机进行出渣。出渣即将结束时, 掌子面右侧拱脚突然有泥水流出, 立即停止出渣, 洞内作业人员全部迅速撤离。随即涌泥量增加, 流速增大, 并涌出洞口, 持续约15 min, 初步估算涌泥量为7 700 m3 (如图3所示) 。待涌泥稳定后, 进洞查看情况, 水流较大, 但没有涌泥迹象, 分析造成突然产生涌泥的原因是由于隧道开挖后溶腔内常年淤积的沉积物在比较大的水压力下一涌而出, 随后趋于稳定, 而之前超前钻孔内没有水或泥流出则是由于沉淀物堵塞了钻孔。在确保安全后, 进入溶洞查看情况:右侧拱脚溶洞向内右前方延伸约30 m, 高度最高位置约3.5 m, 最宽位置约4 m, 源头位置因有石头塌落堵塞, 无法继续探明, 水流在塌落的石块中流出, 洞内仍有大量的淤泥存在。左侧拱腰溶洞向内延伸约10 m, 端头位置无继续延伸, 溶洞最高位置约6 m, 最宽位置约4 m。
初步勘察后判定, 右侧拱脚溶洞的延伸方向, 经过尚家湾隧道右洞洞顶或拱腰位置, 为避免水压力过大对右洞施工造成危害, 经过研究暂不封堵溶洞, 在外侧进行围挡, 防止再次出现比较大的涌泥涌入施工作业面, 流水则经过五级沉淀后通过隧道的排水暗沟流出, 待右洞顺利通过该段后再进行处理。
尚家湾右洞掌子面开挖至YK64+955时, 左侧拱腰至拱顶位置出现管道涌水, 左洞溶洞水流随即减小, 经过分析该位置即为和左洞连接的通道, 考虑到该位置处于拱顶, 不便于引排水, 同时对隧道的防排水也极为不利, 所以决定对该位置进行封堵, 将水引流至左洞拱脚位置和排水暗沟连接。
涌水点流水近半个月的时间内, 项目安排专人每天对尚家湾隧道上方的几个村庄附近的水源及附近环境进行勘察, 同时走访当地村民, 均未发现由于水流失而造成的地面塌陷、河道干枯等现象。但是同时也发现水流量及流速明显受降雨量的影响比较大, 因此认为该水流是应和地表水相连接的管道裂隙水。通过地质剖面图发现该位置埋深300 m左右, 全部封堵会对隧道产生很大的水压力, 给隧道的施工及运营埋下安全隐患, 所以决定采取“以排为主、堵排结合”的方式进行处理。
右洞拱腰的封堵方法:在四周施作1.2 m×1.2 m间距的锚杆, 模筑后泵送C10混凝土回填, 并在最顶层注入轻质材料缓冲层 (见图4a) ) ;左洞拱脚的封堵方法:溶洞内模筑后泵送C25混凝土浇筑, 两侧嵌入岩石内60 cm~80 cm, 并施作约1.2 m×1.2 m间距的锚杆, 锚杆深入围岩2 m, 施工完成后再施作原设计结构的喷射混凝土和钢筋网初期支护, 预埋水管与隧道排水沟连接排水 (见图4b) ) 。该位置在二衬施工时环向排水管在此位置均要加密至5 m一道且每道2环, 保证排水通畅, 避免水压力过大造成渗水。
3 结语
目前尚家湾隧道左右洞开挖均已接近1.2 km, 在施工过程中出现突水涌泥及溶洞等不良地质情况20余次, 处置方案都取得了比较好的成效。在处置岩溶水及溶洞时一方面要考虑对周围环境及居民生产、生活的影响, 同时应一次根治, 不留后患, 确保隧道施工和运营安全。岩溶水处理应尽量避开雨季和暴雨天气, 对溶洞进行封堵时, 应认真测定岩溶水的水量、水压, 正确判定水流方向。
参考文献
[1]金兵, 陈四来.谈隧道突水及突泥灾害研究现状[J].山西建筑, 2012, 38 (15) :183-185.
地质病害 篇2
【摘要】本文结合黄咸高速公路岩溶复杂地质条件下桩基施工的实际情况，介绍该条件下钻孔灌注桩的几种施工方法；同时分析了在实际施工过程中遇到的一些常见病害的预防措施和解决方法。
【关键词】桥梁桩基；岩溶复杂地质；施工方法；常见病害；防治
1.概述
黄咸高速桥梁工程主要有4座。根据桩基地质补钻探资料显示，陈勉湾1#中桥桩位全部存在溶洞，渠首河大桥大部分桩位存在溶洞，溶洞大小不一，桩基类型设计为嵌岩摩擦桩。根据地质情况及经济效益分析，此两桥桩基全部采用钻孔法施工。地质情况由上而下依次为粉质粘土1-3m、粗砾砂3～6m、石灰岩、溶洞及溶洞填充物软塑粘性土、灰岩碎块等。
2.岩溶地质条件下的钻孔桩施工处理方法
2.1粉质粘土覆盖层下粗砾砂层地质情况
渠首河大桥桥址区为渠首河，河床受泄洪及冲刷影响，表层土下覆盖约4m深的粗砾砂层，因透水性极强，在如此饱和松散的砾砂层中进行钻孔桩施工，对成孔非常不利，极易引起砾砂土涌入孔内造成塌孔、漏浆。
2.1.1解决的方法与实践。
2.1.1.1施工原理。在冲击孔过程中，投入一定比例（按1：2）的片石和粘土块，形成片石泥浆护壁。由此可达到两个效果：一是加快进尺。当投入的片石入孔底砂层，冲锤自由下落首先作用于片石并将其击碎，同时片石又把冲锤的动能传至孔底砂层，从而孔底砂层容易悬浮于泥浆中；二是护壁作用。由于片石在孔底受到重锤的反复冲击必然使片石向孔壁挤压，致在冲击成孔过程中，周围砂层孔壁便形成厚度为10～20CM的牢固的片石泥浆层，而产生理想的护壁效果。
2.1.1.2施工方法。在正常钻孔施工到砾砂层以上50CM时抛入10～30CM的片石和粘土块。抛入量为：片石每次0.05～0.1方，粘土每次0.2～0.3方，每进尺1.5M抛入一次，抛入片石时须注意均匀抛平，粘土抛入量可根据施工中泥浆的浓度适当增减。在回填后冲击过程中注意必须放慢进尺速度，确保回填挤密效果。
2.1.2小结。采用片石泥浆护壁工艺，成功的解决了饱和砾砂层钻孔桩护壁的稳定问题，并加快了施工进度。此办法在该桥大量应用，处理效果良好，在同类工程中可借鉴使用。
2.2溶岩地质情况下桩基施工方法
根据溶洞大小分为小溶洞（高度小于3m）、大溶洞（高度大于3m）和多层溶洞。对于小溶洞采用冲击钻钻进成孔，溶洞空隙采用回填片石及粘土挤密；对于大溶洞采用钢护筒跟进的方法，一边钻进，一边下沉钢护筒；对于多层溶洞采用回填片石黏土挤密。
2.2.1解决的方法与实践。
2.2.1.1施工原理。无论回填片石粘土还是下钢护筒，均是为了能顺利成孔，起到护壁作用，且不影响灌注的质量。
2.2.1.2施工方法。（1）、溶洞内有充填物。当溶洞内有充填物是可塑或软塑的亚粘土，并且溶洞不漏水，这时不管溶洞有多大，也不管溶洞垂向数量多少，都可以不考虑溶洞的存在，在注意不卡钻的情况按照正常的地质情况施工成孔。但须注意以下两点：1）、较大溶洞要注意投入片石固壁，避免混凝土超灌量过大，保证成桩质量。2）、如桩基为摩擦桩，溶洞深度超过1米时，提请设计单位增加桩长。（2）、无充填或半充填小溶洞施工。1）、溶洞内无充填或半充填，溶洞高度不太大，一般在3m以内，但存在严重漏水，护筒内水头高度不能保持时，拟采用片石粘土水泥筑壁法，既投入片石、粘土、水泥方法处理：①、在孔位附近准备大量粘土、片石和适当数量的袋装水泥，设置2个容量较大的泥浆池，保证桩孔一旦出现漏浆，能及时补浆和回填桩孔。②、在接近溶洞顶板1m左右时，加大泥浆比重，小冲程冲击，逐渐击穿顶板，同时加强对孔内泥浆面变化的监测，发现孔内泥浆面明显下降，立即提起冲锤，及时补充泥浆，回填粘土、片石和袋装水泥（重量比1：1：0.4），停置一段时间（一般24h）。在停置期间，若孔内泥浆继续下降，应随时补充泥浆和回填混合物，待孔内泥浆稳定后，方可继续冲孔，采用小冲程冲击投下混合物，使其挤入溶洞中，堵塞溶洞通道。③、在冲击过程中，孔内泥浆还会多次下降，每次泥浆下降，都要及时提起冲锤，补充泥浆和回填粘土、片石，并停止冲孔一天，待稳定后继续冲孔。如此循环反复，直到桩孔不再漏浆为止，顺利穿越溶洞。2）、两层及多层小溶洞施工。①、两层及多层小溶洞处理方法同单层小溶洞，采用投入片石、粘土和水泥方法施工。对于两层及多层溶洞，特别是本工程部分存在多层溶洞，并且溶洞间夹层较薄，在接近溶洞顶板1m左右时，加大泥浆比重，换成小冲锤小冲程冲击，逐渐击穿顶板，同时加强对孔内泥浆面变化的监测，冲破顶板后换回原冲锤并反复多次投入片石、粘土和水泥，按上述方法反复冲击直至形成泥石护壁，施工完上层后按同样方法处理下层溶洞。②、施工中应特别注意不能冒进，以防发生卡钻或打穿两层或多层溶洞后水头高度急剧下降而造成的坍孔等事故。（3）、较大溶洞施工。溶洞较大（一般大于3米），洞内无充填物或流塑充填物，漏水很严重，采取片石加粘土反复打密，仍然无法形成泥石护壁的，拟采用以下三种方案处理：
1）回填法 施工中出现上述情况后，先对溶洞进行充填加固，用石块、水泥、粉煤灰浆填满溶洞，并夯实，同时加大孔内泥浆比重，以防已成孔段塌孔，7天后再进行成孔。施工方法同上。
2）钢护筒跟进施工 ①、内护筒长度的确定护筒长度l=h+3（m）（h为地质超前钻确定的溶洞高度）；②、一般钻头外径和钢护筒内径空隙控制在3～5cm，保证冲击钻在护筒内顺利提升或下冲。③、溶洞顶部冲孔，根据超前钻的资料，当钻孔施工接近溶洞顶部时，用冲击钻冲孔时，要求轻锤慢打，使孔壁圆滑坚固，提升高度一般不超过50cm。④、内护筒的沉放方法 当冲击穿过溶洞顶部时要反复提升冲锤，在顶部厚度范围上下慢放轻提，冲锤不明显受阻碍，说明顶部已成孔并且是圆滑垂直的，此时用钢丝绳活扣绑住内护管，用吊机把内护筒放入外护筒内至孔底。到孔底后，利用钻头重量及其震动使内护筒随钻头的钻进而下沉，直到溶洞的底部。⑤、内、外护筒间空隙及内护筒与溶洞底部间空隙的处理
1>在内护筒底部及顶部1m范围内回填砂、碎石，中部回填中砂。2>对回填体进行灌浆处理。灌浆后，内护筒上下两端空隙被砂、碎石及浆液冲填固结，固结强度要求达到30mpa，其抗渗系数可达10-7m/s。灌浆处理后，即可重新冲孔。3>在内护筒顶部及底部100cm范围内回填小碎石素水泥混凝土，内护筒中部回填砂，同样能起到堵塞空隙的目的。
3.施工中常见病害的防治
施工过程中对有可能影响施工质量的问题进行分析，并提前做出防治措施。
3.1.成孔质量问题
3.1.1.桩孔坍塌、漏浆、冒清水
（1）现象：成孔过程中或成孔后，孔壁不同程度的坍塌、漏浆。
（2）原因：A.护筒埋设太浅。B.泥浆比重不够大，孔内水头高度不够，或孔内出现承压水。C.碰到溶洞处理挤密不密实，或溶洞处有较大暗河。D.成孔后待灌时间和浇灌时间过长。
3.1.2预防
（1）散塌土层中，适当深埋护筒，密实回填土，防止钻机自重等造成下沉、坍塌。
（2）使用优质泥浆，提高泥浆比重和粘度。
（3）回填片石粘土冲击挤密过程中，冲孔进尺的速度要放缓，确保挤密效果，碰有暗河时因流失严重，反复多次回填挤密。
3.1.3治理
（1）.在钢筋笼末下入孔内的情况下，将片石、粘土混合物回填到塌孔处以上2米，再用原径钻头以优质泥浆扫孔，泥浆比重按1.2g/cm3左右控制。
（2）.回填施工放缓进尺速度，确保挤密效果，漏浆严重时，对照分析地质柱状图，可采取下钢护筒或浇灌素砼封堵暗河。
3.2 桩孔偏斜、偏位
3.2.1现象：成孔后出现桩孔垂直偏差或偏位。
3.2.2原因：（1）钻机不水平成钻台下均匀沉陷。（2）护筒埋设偏斜，钻杆弯曲，主动钻杆倾斜。（3）遇大孤石或旧基础等障碍物。
（4）土层软硬不均匀，基岩面倾斜。
3.2.3预防
（1）钻杆安装端正，水平，稳固，天平，转盘中心和护筒中心三点成一线。护筒埋设垂直，稳固。（2）除软硬下均层采用轻压慢转技术参数外，从软塑粘土层，尤其流塑粘土层可从软层进入基岩时，笼壮钻头下端的锥形导向小钻头要改用平底导向小钻头，或者直接带导向小钻头的平底钻头进。
3.2.4治理
（1）在硬粘土层中发生偏斜时，用片石、粘土混合物回填偏斜处以上1—2米，待密实后，用平底合金钻头轻压慢冲纠斜。
（2）在基岩面发生偏斜时，可以投入20—40MM碎石略高于偏斜处，冲击密实后用平底合金钻头纠偏。施工工程中及时发现及时解决。
3.3成桩过程质量问题
3.3.1导管堵塞现象：在浇灌砼过程中，砼在导管中不能落下去、导管不能动，砼面突然下沉至脱管。3.3.2原因：（1）初灌时隔水塞墙管。（2）粗骨料粒径大；砼坍落度不符合要求，流动性差，生产离析。（3）孔壁溶洞挤密效果不好，被砼压穿。3.3.3预防：（1）隔水塞直径要与导管内径匹配，能从管内顺利排出。（2）选用级配良好的配合比，砼拌合均匀，搅拌机拌合时间大于3分钟。（3）为确保溶洞回填挤密的效果，根据溶洞高度大小，适当放慢回冲的进尺速度，灌注中当砼面上升缓慢时，可放缓灌注速度。3.3.4治理：（1）采用长杆冲捣，强力抖动导管可在导管上安装振动器等方法迫使隔水塞或砼下落。（2）如果上述方法处理无效，应立即提出导管，进行清理，视孔内砼情况作二次捡球重新浇灌。
结束语
施工过程中不断地总结、积累，严格执行规程，规范，杜绝出现质量问题，制定解决问题措施。这样才能够确保桥梁的按质，按期完工。减少不必要的损失。
经超声波检测，黄咸高速公路全部为Ⅰ类桩，溶洞地质条件下施工效果较理想，工期加快，可为同类地质条件借鉴。
作者简介
沈红国，男（1977-10），湖北新洲县，专科，研究方向：路桥工程技术、现场管理。
地质病害 篇3
兰州碑林位于兰州市城关区黄河北岸白塔山西峰, 环翠山下, 苹果梁上, 遥对九州台, 海拔在1663～1692m。三面为沟壑所围, 东接梨树沟, 西邻桃树沟, 南接北滨 (黄) 河路, 北靠环翠山, 距兰州黄河索道上站约350m, 交通便利。整个碑林保护区占地35亩, 由憩息游园和6000m 2仿古风格的建筑群组成, 与山下“道通西域”的金城关、高耸入云的白塔和滚滚东去的黄河、横跨百年的铁桥, 一起构成了新兰州的一个别具特色的标志性文化符号。兰州碑林从书法艺术的角度出发, 展示了中华民族黄河文化、丝绸之路文化、西部文化的辉煌历史和当代成就, 宣传兰州, 宣传甘肃, 是人们了解甘肃地域文化的一个窗口, 如图1所示。
但是自2002年以来, 碑林场地产生变形, 地表裂缝及建筑物墙体裂缝不断出现, 并有不断张开扩大的趋势, 尽管碑林管理处多次维修, 建筑物墙体、地面及场地地表变形情况依然较为严重, 原有病害未从根本上缓解。
目前场地变形不断加剧, 地表及建筑物墙体裂缝超过上百条, 尤其是在碑林售票处, 形成一走向北东方向的裂缝带该裂缝带长约最宽处张开宽约0.3m, 局部可见深度达1.0m, 如图2所示, 碑林南侧踏步及东侧护面墙局部出现鼓胀裂缝, 如图3所示, 变形特征十分明显。
2 主要工程地质条件
2.1 地形地貌
2.1.1 碑林区原始地貌
兰州碑林场地原由两个高差12m的山梁组成, 其北端为环翠山, 山顶海拔1692m;南端为苹果梁, 梁脊海拔1679m。北端环翠山下与苹果梁之间有一条宽6～8m的道路, 与白塔山公路相连, 通向白塔山各景点。南部苹果梁南北长约1100m, 东西最宽处约30m, 最窄处约3m;东侧为一“U”型沟谷, 自北平台向南东方向切入东侧山谷, 沟底为多级人造台地, 如图4所示。
2.1.2 碑林目前地形地貌特征
兰州碑林位于黄河四级阶地之上, 属于典型的基座阶地, 整个场地南北长200余米, 东西最宽为130m, 为一长条形山脊, 山脊走向NE 14°。其北接环翠山, 东西均为沟谷切割, 地形陡峻, 沟谷相对高差约30～60m, 南侧面临黄河, 与黄河河床相对高差约200～250m, 自然山坡为25°～30°, 修有一绕山踏步自骑楼盘山而上, 如图5所示。
碑林建筑群主体分布于自然山体改造平整后的四级台地之上, 分别为北平台、中心平台、南平台以及东平台, 绕山水泥路自东向西将各平台连接。
2.2 地层岩 (土) 性
组成兰州碑林山梁的主要地层有人工填土, 坡积黄土、马兰黄土、砂层与 (砾) 卵石层等。
2.2.1 砾卵石层 (Q2al)
, 性、磨圆度较好, 砾卵石多为火成岩与变质岩质, 其中砾石含量介于20%～25%, 平均粒径1.5～1.8cm, 卵石含量介于30%～40%, 平均粒径10～15cm, 砂含量介于15%～25%, 多为中砂, 泥质含量较少, 一般小于10%, 砾卵石层质地密实, 处于胶结～半胶结状。
2.2.2 粉细砂层 (Q2al)
粉细砂层上覆于砾卵石层, 分选性好、密实、含水量高, 以细砂为主, 夹含零星小砾石与卵石, 上部泥质含量高, 下部砂体相对洁净, 厚度变化较大, 一般厚约1.0m左右, 局部缺失。
2.2.3 冲积砂黏土 (Q2)
呈棕红色, 质地密实、含水量高, 粘粒含量大, 不具湿陷性, 压缩性小。其埋深较深, 上覆于粉细砂层之上, 厚度相对稳定, 一般介于1.8～2.0m, 为碑林区域标志性地层。
2.2.4 马兰黄土 (Q3eol)
马兰黄土为本区最主要的地层组成, 为风积而成, 上覆于棕红色冲积砂黏土层之上, 主要成份为黄土状粉土, 表现为柱状孔、大孔隙发育。其中上部马兰黄土相对疏松, 孔隙发育, 土体含水量较低, 属中压缩性与强湿陷性土体, 中部马兰黄土相对密实, 属中密实土, 土体含水量中等, 压缩性较小, 湿陷性相对较弱, 下部马兰黄土质地密实 (含钙质结核) , 土体含水量相对较高, 孔隙不发育。
2.2.5 人工填土 (Q4ml)
人工填土主要分布于碑林中轴线以东区域及南侧斜坡部位, 其厚度介于3～9m。填土成份主要为黄土状粉土, 其间夹杂大量植物根系, 局部含砖石、炉渣等, 并有腐植树根存在。整体结构较为混杂、疏松, 含水率较高, 具有高压缩性和强湿陷性, 为场地内不良地质体。
在填土与老地面间揭示有一层棕褐色夹层, 其土体特性与上下地层明显区别, 厚约10～30cm, 粘性物质含量较高, 为黄土质黏土, 具有一定的隔水作用, 其客观上形成一个隔水带, 即在填土与老地面之间, 形成一个不良的地质界面 (带) 。
2.3 水文地质条件
1) 工作区位于黄河四级阶地, 场地东西两侧为沟谷切割, 地形相对平坦, 地层岩性相对简单, 地下水埋藏于阶地砾卵石层中, 地下水储量有限, 其主要补给源为大气降水与人工灌溉水下渗。由于地下水埋深深度较大, 不对场地建筑物及边坡稳定构成威胁。
2) 场区主要存在的地下水类型为孔隙水, 尤其是在填土区由于其结构疏松孔隙发育有利于地表水下渗, 同时在其底部存在一相对隔水层 (黄土质黏土) , 导致填土区含水率相对较高, 同时孔隙水在底部隔水层上有汇聚的趋势, 弱化土体的物理力学指标, 对坡体的稳定性造成威胁。
3) 试验数据显示土体含水率多大于10%, 局部超过18%, 而且土体含水率情况有一定的规律性, 如图6所示, 上部土体含水率相对较大, 下部土体含水率相对较低, 其间存在一个明显拐点, 说明在此位置存在一个相对隔水层, 其深度与钻孔和探井中揭示的填土区与老地面接触带位置相吻合。
3 兰州碑林地质病害类型及性质
碑林区的地质灾害主要表现为滑坡, 并伴随有黄土不均匀沉降。其中场地不均匀沉降主要发生在碑林建成之初, 目前病害区的地质灾害主要表现为滑坡蠕动变形。
3.1 滑坡
1) 根据碑林区地形地貌以及坡体变形迹象, 在碑林区存在3处滑坡和2处潜在滑坡, 分别命名为H-1号滑坡、H-2号滑坡、H-3号滑坡和H-4号潜在滑坡、H-5号潜在滑坡如图7所示。多表现为多级 (多块) 沿填土与老坡面接触带滑移, 如图8所示。
2) 碑林区大面积的填土, 为滑坡的形成提供了物质基础;原地貌的沟槽及斜坡等为滑坡的形成提供了地形条件;填土与老坡面间的接触带, 为两个相对不同的地质单元的薄弱带, 受地表水下渗以及原坡面植被腐植等作用, 形成一个相对隔水带 (黄土质黏土薄层) , 即滑带土物质。
3) 地表水的下渗是滑坡变形的诱发因素, 尤其是大面积绿化灌溉用水沿土体孔隙及地表裂缝下渗, 促使滑带土体物理力学强度不断降低, 诱发滑坡蠕动变形。
4) 虽然目前碑林区各滑坡处于蠕动变形阶段, 但由于坡体上部建筑物均为相对的刚性结构, 只要场地坡体发生再微小的变形, 对于上部建筑物都是致命的, 这也是碑林区场地及建筑物大面积变形开裂的原因所在。
5) 目前滑坡变形导致碑林区内地面裂缝密布, 建筑群墙体严重开裂变形, 而且各滑坡变形均有愈演愈烈的趋势, 尤其是在雨季, 大量降水及绿化灌溉用水沿地面裂缝下渗, 急剧弱化滑带土体的物理力学指标, 长期作用, 各滑坡均有整体滑动的危险。
3.2 黄土湿陷性引起的不均匀沉降
碑林区广泛分布湿陷等级不同的黄土, 如图9所示, 其地质灾害类型除滑坡病害之外, 同时存在因黄土湿陷性引起的场地不均匀沉降病害。目前与滑坡变形交织在一起, 不易区分。但追溯到碑林建成之初, 场地变形是以不均匀沉降为主, 其一方面使得场地变形下沉, 尤其是在不同台地之间, 由于地基土沉降的差异性, 导致碑林建筑群, 包括四周廊道墙体开裂变形;另一方面地表形成沉陷裂缝, 促使地表水下渗为今天碑林滑坡的发生埋下隐忧
目前碑林的不匀沉降亦不同程度的存在, 与滑坡病害共同作用, 对碑林区场地的稳定造成威胁。
4 病害发生发展机理
H-1、H-2、H-3号滑坡以及H-4、H-5号潜在滑坡目前均处于不断变形当中, 而且其变形随时间推移不断扩大。从滑坡类型上分析, 均属于牵引式堆填土滑坡。
滑坡发生发展机理需追溯到碑林建成之初, 原碑林区仅为一狭长山脊, 修建碑林时, 为扩大建筑面积, 对原有地貌进行大面积的改造, 主要是将整个山梁高度降低8m左右, 并将大量挖土填至四周斜坡, 尤其是东侧及南侧斜坡及沟谷填方量最大。
根据甘肃省科学研究院地质灾害防治研究所编写的《兰州碑林地基工程地质勘察报告》 (1997年8月) 可以看出, 碑林区场地黄土大部分为自重湿陷性黄土, 湿陷性较强, 属于IV级湿陷性黄土, 湿陷性厚度大于15m;虽然场地黄土湿陷性均较为严重, 但从微地貌上看, 不同位置, 尤其是在不同台地之间黄土的湿陷性存在差异性, 其影响因素及程度亦不同, 因此出现了许多不均匀沉降裂缝, 这些裂缝从客观上为坡体滑动变形打开了门窗。
碑林区域现有地形较为平坦, 局部因不均匀沉降相对低洼, 排水不畅。地表水, 尤其是暴雨及绿化灌溉用水, 沿既有裂缝大量下渗, 汇聚于填土与老地面界面, 一方面与老地面腐植质不断作用, 形成滑带物质, 另一方面不断弱化滑带物质的物理力学强度。如此长期作用, 尤其在雨季, 滑带物质的物理力学强度骤然降低, 坡体出现蠕动变形迹象, 导致地表裂缝进一步扩大增多, 地表水下渗加强, 且进一步弱化滑带物质的物理力学强度使得坡体变形加剧如此恶性循环, 形成目前碑林区场地裂缝密集、建筑物严重开裂、地面多处沉降等现象。
目前滑坡仍处于不断变形当中, 而且有愈演愈烈之势, 与黄土湿陷性引起的地表不均匀沉降共同作用, 破环碑林场地及建筑物, 如果任其发展, 后果将不堪设想。
5 治理措施与建议
碑林区的地质灾害主要表现为滑坡蠕动变形, 并伴随有黄土湿陷性引起的场地不均匀沉降。治理措施可以从以下几点考虑:
1) 虽然目前碑林区存在两种病害, 但根据变形迹象, 碑林病害是以滑坡蠕动变形为主, 故采取支挡措施, 保证坡体稳定, 是治理工程的首要任务。
2) 无论是滑坡变形还是场地不均匀沉降, 降水和灌溉用水大量下渗是其极为重要的原因。治理降雨及灌溉用水下渗是非常重要的措施之一。
3) 针对目前的坡体变形情况, 分轻重缓急, 区别对待, 首先治理变形较为显著的H-1号、H-2号和H-3号滑坡;对于H-4号和H-5号潜在滑坡, 可以持续监测观察, 根据监测情况决定是否需要进行治理。
4) 针对场地出现的不均匀沉降, 降雨及灌溉用水下渗是其变形的最为直接的原因, 故本次治理场地降雨和灌溉用水下渗, 一方面是在稳定滑坡;另一方面也能缓解场地的不均匀沉降, 建议针对场地不均匀沉降, 需要待滑坡治理之后, 坡体稳定, 在持续监测观察的基础上, 决定是否需要增设其他工程措施。
5) 关于工程措施的布置位置, 建议在力学条件满足的情况下, 主要根据保护对象布置工程;同时在技术条件允许的条件下, 尽可能的减少对景区环境的破坏。
6 总结与展望
1) 兰州碑林建成后, 其场地变形不断出现, 且愈演愈烈。其根本原因还是在修建碑林之初, 没有对填土进行很好的处理, 才有今日碑林场地四处开裂, 满目苍夷之状。故本人建议在类似黄土地区建设活动中, 凡涉及到填方, 必须对填土进行处理, 无论是黄土自身湿陷性引起的竖向变形, 还是填土与老地面间的水平变形, 都需要在建设之前考虑到, 并在建设之前予以消除, 否则后患无穷。
2) 兰州场地及建筑物的大面积变形, 一方面与建设之前未很好的处理填土有关;另一方面与碑林场地大面积绿化灌溉密不可分, 如果没有大面积绿化灌溉, 碑林场地依然会变形, 但至少不像现在变形如此严重, 从某种意义上讲, 大面积绿化灌溉起了一个诱发加剧的作用, 虽然绿化管理人员一再要求滴灌, 但据调查, 实际操作中, 多为漫灌。故建议在类似黄土填土区, 绿化灌溉管理工作一定要加强管理, 做到真正的科学滴灌。
摘要：兰州碑林地质病害属于典型的黄土地区填土变形问题, 具有一定的特殊性, 亦有广泛的代表性。对兰州碑林地质病害进行了较为系统地分析, 并提出了相应的治理措施, 同时警示在类似的建设活动中, 应重视加强对填土的处理, 并加强日后运营的管理。
关键词：兰州碑林,滑坡,黄土湿陷性,不均匀沉降
参考文献
[1]徐邦栋.滑坡分析与防治[M].北京:中国铁道出版社, 2006.
地质病害 篇4
我国中西部为多山地区,在南水北调、油气输送管道、高速公路、铁路、地铁等大型基础建设项目中,地下洞室与隧道工程占有较大比重,且多为控制性工程。在地形条件和地质构造比较复杂的地区,隧道围岩工程地质条件较差,开挖施工在隧道上部围岩形成一定范围的松动区,破坏了围岩的局部地质结构和地下水循环,诱发隧道在施工或运营过程中发生坍方冒顶、突泥涌水、隧道侧移、山体开裂、滑坡等地质病害,对隧道建设周期、运营安全和经济效益产生重大影响。为了有效治理隧道病害,需要隧道病害诊断技术查明病害发生的原因和影响范围,分析和评估地质病害对隧道安全的影响[1]。
隧道病害诊断是工程地球物理的一个难题。发生病害的隧道观测条件复杂、困难,干扰因素多。不同的地质构造和异常其物性差异不同,而隧道病害诊断包含地质构造、围岩完整性、塌方松动区的范围、软弱带分布、富水程度等工程地质和水文地质的多方面内容。岩体的构造发育、完整性、破碎程度和稳定性等主要表现在力学性质的差异上,而围岩的富水程度的差异在电阻率上反映更为敏感。任何单一的物探方法都不可能同时反映力学和电磁学两种物性参数的变化。根据隧道病害需要查明的地质问题的不同,可选择地表、地下物探方法的不同组合进行综合物探[2,3]。地震CT成像技术是隧道地质病害诊断最有效的手段之一,它具有分辨率高、可靠性好、图像直观等优点[4~6]。地下水往往是诱发隧道病害的重要原因,但是地震方法对围岩含水性并不敏感,高密度电法是探测地下水赋存状态的有效手段。它能提供地下水赋存的部位,补给径流通道,对隧道病害分析与治理有重要作用。在近年的隧道地质病害诊治中,地震CT与高密度电法已经有了一批成功的应用实例,积累了丰富的经验。
1 隧道病害概况
大风垭隧道位于昆明至曼谷公路的213国道元江至磨黑段,穿越哀牢山山脉,里程K253+885~K257+238,长3.7 km,最大埋深240 m。由于受哀牢山断裂活动带及安定向斜构造的影响,隧道区域断层构造发育,围岩主要为砂质板岩。岩体破碎,节理裂隙发育。地表有南溪河及其支流流过,地下水丰富。
隧道施工过程中,由于人为扰动、不良地质构造及地下水活动等因素的综合影响,在K255+150~600段多次发生突泥、涌水、坍塌事故,严重影响了隧道施工的进度、质量和安全。特别是在下行线K255+276~+300段发生特大涌水、泥石流病害导致坍塌冒顶,在下行线K255+290左20m形成直径达25m、深15m的塌陷坑,在下行线K255+190右侧164 m处的南溪河床出现一直径5 m的陷坑,并导致南溪河及其多条支流地表断流。为查清突泥涌水的地质条件、原因和影响范围,以便制定科学的治理方案,进行了地震CT和高密度电法结合的综合物探工作。
2 物探方法原理与工作布置
综合物探的目的是探明隧道病害发生的地质条件,包括断裂构造的分布,地下水的分布及补给径流通道,南溪河与隧道的水力联系;查明隧道突泥涌水形成的围岩松动区和空洞的位置和大小;在物探成果的基础上分析病害发生的原因,并提供科学、合理的治理建议。
2.1 物探方法的基本原理
根据隧道病害诊断目的要求,采用了地震CT和高密度电法相结合的综合物探技术。
地震CT是利用地震波穿透地质体,通过地震波的走时和能量衰减来对地质体成像。岩土介质的弹性模量、剪切模量、密度决定了地震波传播的快慢,强度高、密度大的岩体速度大,走时短;断裂带和破碎岩体波速低,走时长。地震CT图像能可靠地反映不同岩土体、软弱带、破碎构造带的力学差异,特别适合研究地层、岩性、构造、松散土体和松动区的分布,在工程勘查和病害诊断中常被用来探测断层、节理裂隙、溶洞、松散体、坍塌松动区等不良地质体的分布。它具有科学严谨、分辨率高、可靠性好、图像直观等优点,很受工程界欢迎[4~9]。
高密度电法是通过人工供电,在地下形成电场,电场的分布与地下岩土介质的电阻率密切相关,通过地表电场的测量得到地下介质电阻率的分布,推断地下的地质结构的分布特点。松散、破碎岩体易含水,导电性好,电阻率低;致密完整、干燥岩体导电性差,电阻率高。高密度电法对含水性敏感,常被用于断层、破碎带、岩溶、采空区等含水构造的勘察[10,11]。
2.2 物探工作布置
为了查明隧道病害的工程水文地质条件,查清坍塌松动、空洞范围和涌水、突泥的原因,结合地面地形及洞内场地条件,在隧道病害区域布置了2条地震CT和5条高密度电率法剖面。具体布置见物探综合平面图(图1)。
两条地震CT剖面沿上、下行线隧道轴线K245+980~K255+700段布置。激发地震波的炮点沿隧道轴线方向布置在地表,炮间距2.5m,240个炮点,延续长度600m;接收点在隧道内布置在距仰拱高1.5m的隧洞左侧边墙上,间距为2m,96个接收点。每一炮记录96道,每个CT剖面记录23040条,成像面积144000 m2,成像单元尺度2.5 m×2.5 m。
5条高密度电法剖面布置在地表,采用温纳观测装置,电极数240个。其中E1沿下行隧道轴线布置,以突泥、涌水点为中心,电极距6m,采集数据40层,探测深度240m;E2、E3两条剖面斜交隧道轴线布置,电极距3m,探测深度120m;E4、E5两条剖面沿南溪河布置,电极距离为3 m,探测深度为120m。
3 隧道病害综合物探结果
3.1 地震CT探测结果与解释
地震CT探测结果主要反映了隧道围岩力学性状的空间分布。完整致密围岩波速高,断裂带和松动岩体波速低,隐伏脱空区的波速更低。图2、图3是沿上、下行隧道轴线垂直剖面的地震CT图像,两剖面互相平行,相距40m。图中的浅灰色区为完整的板岩,波速大于2.5km/s;灰色区为强—中风化岩体,波速为1.8~2.5km/s;深灰色区为断层破碎带,波速在1.5~1.8km/s范围;黑灰色区为松动岩体,波速小于1.5km/s,黑色区为隐伏脱空区,波速小于0.8km/s。
地震CT图像显示,隧道围岩波速整体较低,沿隧道纵向速度变化较大,说明隧道的围岩受断层、裂隙及松动区的影响较大。突泥涌水造成断裂带内的岩体松动,波速降低。下行隧道内的围岩松动区沿断裂带发育,断层位置在K255+200~+270,影响宽度约70 m,上宽下窄。上行隧道断层位置在K255+260~+320,宽度约60m,呈上下直立条带。除在地表形成了直径20m、深15m的塌陷坑外,还在塌陷坑深部20m处形成了长20m、高8 m的隐伏脱空区。
3.2 高密度电法探测结果与解释
高密度电法的探测结果主要反映了围岩的含水状态,致密干燥围岩导电性差,电阻率高,含水围岩导电性好,电阻率低。图4是沿隧道下行线剖面的视电阻率分布,图5是通过冒顶塌陷区的横剖面视电阻率分布。图中灰白色和浅灰色为高电阻岩体,电阻率大于1000Ω·m;灰色为弱含水岩体,电阻率在200~1000Ω·m范围内;深灰色和黑色为富含水岩体,电阻率在50~200Ω·m左右。纵、横剖面视电阻率分布图中的灰色、深灰色和黑色的低阻区分布表明,地下水从四面八方沿断层面及其破碎带下渗,向隧道突水区域汇集,形成了以突水点为中心、连通至地表的下降漏斗,水头降深达120m。地下水的主要补给来源是南溪河及其支流地表水,此外山区大气降水的入渗也是重要的补给来源。隧道标高1740m,山体内地下水最高水位标高1900 m,水头压差高达160 m,巨大的水压是造成隧道多次突泥、涌水的主要原因。
4 隧道病害分析及治理建议
4.1 隧道病害的成因分析
地震CT和高密度电法探测结果表明,隧道发生地质病害有两个主要原因:一个是存在一条宽约70 m的断裂带,断裂带内岩体破碎,强度低,成为薄弱环节,这是发生突泥、涌水的主要力学原因;另一个原因流经隧道的南溪河及其支流是地下水的主要补给来源,隧道区域地下水丰富,水头压力高达160m,超过了衬砌的抵抗能力,这是造成突泥涌水的主要原因。
探测结果表明,突泥涌水引起了围岩的松动和脱空,松动区的主要范围是沿断裂带分布,下行隧道内围岩松动带的宽度约70m,里程K255+200~+270,上宽下窄;上行隧道内围岩松动带宽度60m,位置在K255+260~+320,宽度约60m,呈直立条带。隐伏脱空区位于地表塌陷坑下深部20m处。
4.2 隧道病害治理建议
根据综合物探对隧道突泥涌水的原因分析结果,隧道病害治理应以治水为主,同时配合加固围岩和加强衬砌。建议首先采取深度排水措施降低隧道附近围岩水压,然后对围岩进行防渗和加固注浆,最后加固衬砌;处理地段集中在下行隧道中的70 m宽的断裂松动带和上行隧道内的60 m宽的断裂松动带。
5 结语
地质病害 篇5
1 工程地质条件
气象、水文:杭瑞高速湖北段所在地区属亚热带季风气候区, 属湖北两大多雨区之一———鄂东南多雨区, 降雨多集中在3~8月份, 多年平均降雨量1 531.4mm。沿线所经过地段地表水资源比较丰富, 主要河流为富水河、陆水河。
地形地貌:表现为松散岩、侵入岩为主的丘陵垄岗地貌交互出现。
地层岩性:出露地层主要为花岗岩、花岗闪长岩等中生代侵入岩。基岩出露广泛但风化十分强烈, 浅部多为全风化, 呈砂砾状。基岩严重风化带厚度一般在20m左右, 局部厚度达30m以上。
地质构造:主要发育枫林村断裂、沙坪断裂和李家断裂, 断裂发育使岩体变得较为破碎, 为表层岩体的风化创造了条件。
2 路基病害现状
2.1 病害 (或潜在病害) 路基分布
杭瑞高速湖北段砂性土路基主要分布于K730+900-K759+718段, 分布总长度近29km。该路段路基有填方路基、半填半挖路基、挖方路基和浅填浅挖路基。根据现场调查结果, 目前砂性土路基病害主要发生在填方路基及半填半挖路基的填方边坡一侧, 而挖方边坡目前尚未见明显病害。据统计, 杭瑞高速K730+900-K759+718段砂性土填方路基分布总长度24 009m, 其中瑞丽方向分布长度11 366m, 占该段路基总长度的39.44%, 杭州方向分布长度12 643m, 占该段路基总长度的43.87%。
2.2 路基主要病害类型
通过现场调查, 该砂性土路基病害类型主要为路堤边坡浅层垮塌、冲刷成沟、局部整体垮塌、路肩掏空、开裂以及急流槽破坏等, 具体分类见表1。
3 路基病害成因分析
3.1 地质内因分析
区域地层分布表明, 该砂性土路基段沿线以及周边很大范围内皆为花岗岩、花岗闪长岩等中生代侵入岩出露。该地层风化严重, 风化带厚度一般在20m左右, 局部厚度达30m以上, 风化剥蚀作用十分强烈, 所以即使在沟谷低洼部位的第四系堆积物, 也表现出明显的砂性土特征, 极少见粘性土分布。另外, 由于建设期间考虑了土方利用及填挖平衡问题, 该段路基填料基本采用了附近土场或边坡开挖的弃方, 基本上为砂砾状的全风化花岗岩、花岗闪长岩, 亦即工程上常说的花岗残积土, 它具有明显的砂性土特征, 粘聚力基本为零, 抗冲刷能力弱, 所以在强降雨条件下路堤边坡表层易冲刷成沟槽。
该次调查期间共选取了6组样品进行颗粒分析实验, 各粒径颗粒百分含量如表2所示。从表2可以看出, 该砂性土砂粒 (0.075~2mm) 百分含量为50.4%, 而砾粒 (>2mm) 百分含量为39.8%, 根据《公路土工试验规程》土体定名规则, 该砂性土应定名为砾砂。
/%
根据表2, 得到了该砂性土的颗粒级配曲线。根据该颗粒级配曲线, 计算得到了该砂性土特征粒径如表3所示。
根据表3计算该砂性土的不均匀系数
计算该砂性土的曲率系数
由于Cu>5.0且Cc<1.0, 该砂性土为级配不连续的非均匀土, 所以其渗透性很强, 在降雨条件下地表水极易沿裂缝入渗至路基中, 从而引起路堤边坡内部掏空等病害。
3.2 水文外因分析
根据上述分析可以看出, 该段填方路基属于典型的砂性土路基, 由于其特殊的土质, 在水流冲刷下极易流失、破坏, 这是造成该段路基病害的根本原因。
1) 地表水流直接冲刷受线型及地形影响, 在路线纵断面凹面拐点等路段, 在降雨条件下往往造成雨水汇集, 由于砂性土粘聚力基本为零, 同时砂性土在降雨条件下内摩擦角减小, 路堤边坡表层抗冲刷能力较弱, 坡体在长期坡面冲刷下形成沟槽, 在强降雨条件下沟槽进一步深切并沿坡面向下延伸, 在多次降雨条件下沟槽侧边垮塌使沟槽沿侧面延伸, 最终导致路堤边坡大量冲刷沟槽形成。
2) 地表水下渗内部掏空在表层冲刷和路面车辆荷载及重力等条件下, 路堤边坡坡面向外侧发生变形, 导致路肩开裂, 在降雨条件下雨水沿路肩及坡面冲刷坑下渗至坡体中。当降雨强度加大时, 入渗水流将坡体中砂性土细小颗粒物质带走, 在多次降雨条件下导致坡体内部逐渐被掏空, 坡体掏空部位由于失去支撑, 在重力等作用下发生浅层垮塌。同时排水设施也发生相应的破坏 (如急流槽发生垮塌破坏等) , 冲刷作用加剧, 形成恶性循环, 路基进一步被掏空造成路肩下沉甚至路面开裂。
3) 坡脚水流侵蚀由于地形地貌及公路自身建设条件等原因, 在部分砂性土路基段坡脚附近存在小沟、小河, 在长期降雨或洪水期间河流满溢短期浸泡坡脚, 对砂性土路堤边坡坡脚进行软化、侵蚀, 在强降雨等诱发因素下导致坡体发生沿临空面的变形, 当变形积累到一定程度导致局部整体沿临空面发生垮塌滑移。
4 结论
a.杭瑞高速砂性土路基段病害类型主要包括路肩掏空及开裂破坏、路堤边坡坡面冲刷成槽及垮塌、排水设施垮塌损毁、砂土冲毁掩埋农田四类。
b.杭瑞高速砂性土路基病害的地质内因为:填料是强风化花岗残积土, 级配表现为不连续和非均匀, 具有渗透性强, 粘聚力低的特点。
c.杭瑞高速砂性土路基病害的水文外因为:地表水流直接冲刷、地表水下渗内部掏空及坡脚水流侵蚀。
参考文献
地质病害 篇6
从这条路线的工程地质勘察过程中,对各种工程地质病害的类型、分布特征、危害程度进行了总结分析,并提出了处治方案。
1 路线地理地质特征
1.1 自然地理概况
1.1.1 地形、地貌
本项目位于准噶尔界山西部的塔额盆地中。塔额盆地位于塔尔巴哈台山与巴尔鲁克山～乌尔嘎萨尔山之间,三面环山,向西开口,西边以中国与哈萨克斯坦国境线为界。塔尔巴哈台山横亘于盆地北缘,呈东西走向,最高点海拔2852m。乌尔嘎萨尔山呈北东～南西向雄居于盆地东南部。最高点海拔2613m。
巴克图山纵贯东西,盆地东西长120km,南北宽30～80km。大地构造上为塔城～额敏山间凹陷(盆地)。盆地平均海拔高600m。地形北高南低,由北向南地势逐渐降低,整个盆地地势由东北向南和西南倾斜,最低的西南缘海拔为470m。盆地西部额敏河中下游地势最低,海拔为403m。
本项目展布于洪积扇前缘平原地带。平原由北向南呈扇形地貌,地形平坦开阔,连成一片。形成宽广的平原地貌景观。洪积扇再向南过渡为冲积平原,即库鲁斯特大草原,海拔400～600m之间,地势平坦开阔,坡降仅1‰～3‰,该地带处于塔额盆地中心,额敏河自东向西穿过。
1.1.2 气象条件
塔城地区位于亚欧大陆腹地,属中温带干旱半干旱气候区,气候总的特点是:平原地区夏季较为炎热,冬季寒冷,春季升温不稳定,秋季气温下降迅速,气温年变化和日变化大;降水量地区间分布不均匀,年际变化大,塔城盆地年降水量较多,准噶尔盆地及和布克谷地较少;山区与平原地区相比,冬暖夏凉,热量不足,迎风坡降水丰沛,背水降水较少。
风况:塔城市境内多风,风速的变化以季节性变化最为明显,年平均风速为1.8～3.1m/s,定时最大风速为40m/s,境内多盛行北风。裕民县年平均风速2.4m/s,定时最大风速34m/s(1963年4月7日),瞬时最大风速40m/s(1962年4月18日),年平均大风日数38d,风向以西风、南风居多,受地形影响,常年以西风为主。老风口大风区:乌尔咯夏尔山和加依尔山,在托里和额敏县之间形成一条东西长百余公里,南北宽不足20km,东高西低的一条狭长谷地。由于受地形影响,整个谷地是大风带,它东通准噶尔盆地,西连塔额盆地,西南与巴尔鲁克山向东北延伸的尾部相接,形成一个通往塔城盆地的风口—老风口,冬季盛行西风和东风,夏季盛行西风。
本项目部分位于老风口大风区内这种地形的狭管效应和滑坡效应十分明显。秋、冬、春三季蒙古高压形成后,当气压梯度与狭管效应一致时,偏东大风即由谷地风带向西刮去;当蒙古高压东移,冷空气入侵时,又刮起西北大风。冬季风雪严重阻碍交通,危害人民生命财产安全。
1.1.3 水文地质条件
(1)地表水
本项目主要位于洪积扇前缘平原地带,路线所经区域河流均为额敏河(依灭勒)水系。额敏河水系位于塔城盆地内,三面环山,向西开口倾斜,北至塔尔巴哈台山脊,东到乌日可夏亦山分水岭,西以中哈边界为界,南到加依尔、玛依尔、巴尔鲁克山各分水岭,地理座标为东经82°13′～84°22′,北纬45°40′～47°13′。额敏河从东北向西贯穿塔城盆地中央,四周为山前洪积倾斜平原,中部是冲积平原,额敏河干流接受周围支流地表地下水补给,最后流入哈萨克斯坦阿拉湖,从源头至尾闾流域面积17898km 2,其中我国境内河长220km,流域面积17137km 2,是塔城、额敏、托里、裕民四个县(市)的主要用水来源。
额敏河水系山体高度小,纵深不大,小河流众多,加上发源于巴尔鲁克山西坡的塔斯特、布尔干、察汗托海等较小的独立外流水系,共有大小河流60余条,合计年径流量约20亿m 3,其中流出国境8.43亿m 3。额敏河水系中大于0.5亿m 3的河流有11条,主要为乌拉斯台河、喀浪古尔河等,这些河流最终汇入额敏河。
(2)地下水
北、东、南三面盆地山前洪积倾斜平原,地面坡降一般在1%以上,含水层岩性为砂砾石、砂卵石,含水层厚度5～15m,地下水埋深10～15m。盆地腹部冲积平原,地面坡降一般在0.3%～1%,含水层岩性为砾石、砂砾石、砂层,含水层厚度10～40m,地下水埋深5～15m。
1.1.4 地震基本烈度区
塔额盆地属于地壳比较稳定区,从1906年～1990年地震有史记以来,境内地震震级最高为1941年4月5日塔城县城南的5.5级地震,从历史记载看该盆地一般地震震级为3～4级,少量为4～5级。
本区地震基本烈度为VI度,地震动峰值加速度为0.05g。构造物应采取必要的抗震设计。
1.2 区域构造概况
1.2.1 断裂构造情况
在塔额盆地北部的塔尔巴哈台山以东西向构造行迹为主体,主要由褶皱形成的复向斜和复背斜组成,由奥陶系、泥盆系和石炭系地层组成。在塔尔巴哈台山南缘和塔额盆地地貌分界处有一东西向隐伏断裂形成山地和盆地的分界线。
在塔额盆地的东南部,额敏、托里、克拉玛依一带的准噶尔西部界山,有7条大的张性断裂构造,断裂构造间夹一些与之大致平行的向斜及背斜构造,构成了北东向的华夏构造体系。
在额敏和托里段有三条北东向断裂,其中在塔额盆地东南边缘有一条延伸较长的北东向基底断裂构成塔额盆地的东南边界。
路线所经区域无断裂构造,地质构造比较稳定,对拟建路基的稳定性没有太大的影响。
1.2.2 地层、岩性
塔～额盆地新生代以前老地层主要出露于北部、东部和南部山区。在盆地北部的塔尔巴哈台山主要出露古生代奥陶系、志留系、泥盆系地层组成向斜两翼,中间出露石炭系地层组成向斜中心。
在盆地东部的吾尔喀什尔山,主要出露古生代泥盆系和石炭系地层,并有较多华里西期(γ42、γ43)的花岗岩出露。
在盆地南部巴尔鲁克山主要出露泥盆系和石炭系地层,并有部分华里西中期(石炭系)花岗岩(γ42)分布,由于新生代以前地层分布于四周山区和盆地深部,与本项目关系不大,故不再详述。
新生代地层在盆地中分布最广,尤其是第四系地层厚薄不等,几乎覆盖了整个盆地,该系地层最厚,可达数百米至千米,主要为冲积、洪积、坡积层及砂砾石、亚砂土、亚粘土及部分淤泥组成。
2 沿线主要病害类型及处治方案
2.1 风吹雪
2.1.1 风吹雪形成的条件
降雪时或降雪后,当风速达到一定数值时,空中或地面上的雪随风运动,形成风雪流。被风雪流裹挟搬运的、在弱风区不断堆积(沉积)的雪称为风吹雪。形成风吹雪必须同时具备以下三个条件:
(1)丰富的雪源(降雪、积雪);
(2)一定的风速(起动风速一般为4～6m);
(3)具有能使风速减弱或产生涡流的地形、地物。
2.1.2 风吹雪在路面上的表现形式
风吹雪在路面上的表现形式主要有雪垅、雪槽和坡脚雪。风吹雪及其随后变化形式的不同,对交通产生的影响也不同
(1)雪垅
风吹雪在路上条形堆积,形成雪梁、雪埂,简称雪垅。
(2)雪槽
路面上的积雪,被除雪设备(除雪车、推土机等)除雪后形成中间低、两边高犹如路堑式断面,称之为雪槽。中间低的部位为槽底,两边高出槽底的部分为雪墙。当雪槽有一个雪墙时为单雪槽,有两个雪墙时为双雪槽。
路面积雪在车辆轮胎的碾压作用下高程降低,形成初期规模较小的雪槽。当自然降雪较大,尤其是除雪设备不断地除雪,被清除的雪堆积在雪墙上,再加上风吹雪在雪墙上缘粗糟表面长时间不断堆积,雪墙高度不断增高,长度逐步增加,形成名副其实的雪墙。雪墙未遭到破坏时外观宏伟、壮观,积雪结构密实,比重大,层理明显,槽底往往有冰层。当雪墙较高时,墙的根部成为新的弱风区,每当风雪流起动时,其根部都会有风吹雪堆积,严重时可与墙顶平齐。
2.1.3 沿线风吹雪段落
由于该段为平原、微丘陵区,积雪主要以路基两侧林带对风起减速作用,在加上自然降雪较大,形成漩涡形成的雪垅。
沿线公路风吹雪严重段落为K 6+000～K 14+000、K 15+700～K 19+000、K 23+880～K 27+880、K 30+910～K 31+910、K 34+800～K 37+800,总长16.30km,表现形式雪垅、雪槽,冬季经常阻断交通。
2.1.4 处治方案
由于该段道路两侧多为林带、农田和荒草地(即将成为农田),设置防雪栅将占有土地和影响景观,根据当地地形、气候条件采取的措施为:
(1)适当提高路基,路基高度高于最大积雪厚度0.5～0.7m;
(2)路堤边坡宜采用1∶3或1∶4,迎风面边坡设为1∶4;
(3)将公路两侧距路基边坡坡脚各20m范围内的障碍(包括树木)及构造物要清除;
(4)沿线公路养护部门要配备清雪装备,积雪上路时要及时清除。
2.2 水毁
2.2.1 沿线水毁段落
拟建公路部分段落布设在山前冲、洪积扇上,一到春融季节,洪水漫过路面,对公路产生一定的破坏,严重时还阻断交通。根据沿线踏勘,水毁路段集中在K 38+230～K 40+230,总长2.0km。
2.2.2 处治方案
适当提高路基,并在该段新建3～4个小桥或涵洞,并做好导流设施使来水顺利通过,防止在路基两侧集水。
2.3 盐渍土
2.3.1 沿线盐渍土段落
沿线有一部分段落地表蓬松,泛白,盐渍化程度较重,盐渍土分类主要为硫酸盐、亚硫酸盐。土体中含盐量较小时,土颗粒与盐溶液相互作用,发生离子交换,土颗粒外围扩散层厚度变厚,使土的液限增大,当增大到一定程度后,会达到饱和,形成结晶,而土体中的结晶会改变土颗粒的排列方式,并增强土体颗粒的粘结力,由于有部分液体转化为固体,或者结晶体溶解转化为液体,均产生了一定的相变,伴随相变的改变,就会产生土性的改变,宏观表现为盐胀性和溶陷性,从而造成公路路基软化或膨胀,产生翻浆或盐胀的病害,这种特性和水位、温度等造成的自由能改变关系密切。该段路线盐渍土段落为13.68km,具体划分段落见表2。
2.3.2 处治方案
(1)对原有路基清除表层沥青路面,重新碾压路基
(2)对加宽部分清除地表0.50～1.00m,采用砾类土填筑路基,分层碾压;
(3)对路基危害程度严重的段落应设置隔断层;
(4)采用水泥稳定砂砾结构层来加强路面结构。
2.4 翻浆
2.4.1 翻浆路基的形成
冻胀性土路段,在冬季负气温作用下,水分连续向上聚流、冻结成冰,导致春融期间,土基含水过多、强度急剧降低,在行车作用下路面发生弹簧、裂缝、鼓包、冒泥等现象,称为翻浆。
由于拟建公路位于季节性重冻区Ⅱ1(冻深大于100cm)。秋季,由于降水和公路两侧绿化带、农田灌溉的影响地面水下渗,地下水位升高,使路基水分增多;冬季,气温下降,路基上层的水开始冻结,水分在土体内由温度较高处向温度较低处移动,使路基上层水分增多,并冻结成冰;春季,气温逐渐回升,路基上层的土首先融化,路基土含水量增大,以致路基承载能力降低在行车作用下形成翻浆
2.4.2 沿线翻浆段落的分布
根据现场踏勘和钻探资料分析,沿线共七段落,总长19.73km,路基湿软,路面出现弹簧破裂现象,局部集水,确定为翻浆段落。段落桩号为:K 0+000～K 3+370、K 7+944～K 9+044、K 9+644～K 11+094、K 16+534～K 18+904、K 20+440～K 23+640、K 24+990～K 26+140、K 27+000～K 30+960。
2.4.3 处治方案
2.4.3.1 K 0+000～K 3+370
(1)对原有路基清除表层沥青路面,挖除原有路基0.80～1.00m,重新回填路基填料进行碾压,提高路基压实度;
(2)用砾类土填筑路基,分层碾压;
(3)采用水泥稳定砂砾结构层来加强路面结构;
(4)对辅道灌溉渠进行防渗处理,避免灌溉水侵蚀路基;
(5)完善路面排水设计;
(6)施工前当地有关部门提前埋置电缆、光缆、供暖等备用的管道,避免对路面进行第二次破环。
2.4.3.2其它段落
(1)对原有路基清除表层沥青路面,挖除原有路基0.80m,重新回填路基填料进行碾压,提高路基压实度;
(2)采用水泥稳定砂砾结构层来加强路面结构;
(3)完善路面排水设计。
摘要：简要介绍了“省道222线塔城裕民公路”的自然地理、区域地质特征,总结了该段公路的各种工程地质病害的类型、分布特征和危害程度,并对不同工程地质病害提出了处治方案。
关键词：工程地质病害,病害类型,处治方案
参考文献
[1]JTJ 064-98,公路工程地质勘察规范[S].
[2]工程地质手册(第四版)[M].中国工业建筑出版社,2007.
地质病害 篇7
1 地质雷达病害探测的理论技术原理
地质雷达方法对铁路路基探测是以电磁波在有耗介质中传播规律为理论基础, 通过天线向铁路路基中发射高频率、宽频带的窄脉冲电磁波, 电磁波在介质中传播, 当遇到介电性质不同的电性界面时, 电磁波发生反射和透射, 反射电磁波被接受天线接收;透射波接续向下传播, 当再遇到电性界面时, 其又发生反射和投射, 反射波又被雷达天线感应接受, 这样雷达天线不断的接收地下反射信号就组成一道雷达数据, 系统在沿着线路移动时就形成一个雷达探测剖面。通过计算电磁波在介质中的双程走时、振幅大小、频谱、以及瞬时功率谱、相位移等特征值, 来判断构造的深度、道床的污染程度、路基的含水量。其工作原理见图1所示。
脉冲波旅行时:
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其中:t:脉冲走时;
z:反射体埋深;
x:收发天线的间距;
v:电磁波在介质中传播的速度。
电磁波在介质中传播时, 其能量满足波动方程
E=|E0|e-j (ωt-αr) ·eβr
式中第一个指数幂中αr, 表示电磁波传播时的相位项, 故称α为相位系数, 单位rad/m。与电磁波的传播速度v的关系为:
v=ω/α
根据波动方程理论, 角频率ω和频率f的关系为:ω=2πf, 频率f、速度v和波长λ的关系为λ=v/α, 因此, α值波速的决定因素, 根据不同介电常数ε下和α频率的关系知:随着频率f的增大, 相位系数α增大, 电磁波的传播速度减少;介电常数ε和电导率σ对相位系数α的影响随着频率的变化而有差异, 高频时, 介电常数ε对σ影响较大, 随着ε增大增大σ速度v减小;低频时, 电导率σ对相位系数α影响大, 随着σ增大, α增大, 速度v减小;通常, 在低导介质中, 相位系数与电导率无关, 而与介电常数的平方根成反比, 电磁波的传播速度与介质的电导率无关, 与介质的介电常数和磁导率的平方根成反比, 对于非磁性物质, 衰减常数和电导率成正比, 与介电常数的平方根成反比, 与电磁波的频率无关;在高导介质中, 相位系数电磁波传播速度与频率的平方根成正比, 与电导率的平方根成反比, 波速是频率和电导率的函数, 波速很低;衰减系数β随电导率的增大和介质的介电常数的减小而增大。在电导率很小时, 衰减系数随频率关系不明显;在电导率很大时, 衰减系数与速度关系不明显。
雷达波在传播的过程中, 其能量以波的形式传播出去, 根据电磁波理论, 电磁波在跨越介质交界面时, 紧靠界面两侧的电场强度和磁场强度的切向分量分别相等, 即
undefined
当雷达纵波从一种电学性质的介质入社到另一电学性质的介质表面时, 由于存在电磁性差异, 必然产生反射现象。从电磁波传播理论可知, 当垂直入射时, 其反射系数 (即反射能量与入射能量的比) 为:
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当电磁波垂直入射时反射系数
undefined
式中:
R:垂直分量反射系数;
undefined:第一种介质的复介电常数;
undefined:第二种介质的复介电常数。
因此当两种介质的介电常数相差越大, 其反射系数越大。反射能量也就越强, 由于道砟、空气、水和路基填料的介电常数有明显的差异, 所以可以雷达的方法来探测其内部结构。
在低导介质中, 雷达电磁波在物体或介质中传播速度v与介质的相对介电常数εr有如下关系:undefined真空中的电磁波传播速度c=0.3m/ns。介质的介电常数εr不仅与介质本身的性质有关, 而且与介质中含水量n有如下近似关系:
εr= (1-ϕ) εmγ+n·εωγ+ (ϕ-n) ε0
式中:εmγ:介质中相对介电常数;
εωγ:水的相对介电常数;
ε0:空气相对介电常数;
ϕ:介质的总孔隙度。
道砟εmγ≈6.4, 其路基填料 (干) , εmγ=9～13, 水εωγ=81, 空气ε0=1。道床中孔隙率变化或含水量n的较小变化会引起道床值较大变化;介质的孔隙率变化, 同时还引起电磁波的速度、振幅、极性、频谱和相位等因素的变化, 所以该系统对道床的污染程度和含水量评价是切实可行的。
2 陇海铁路天兰段K1392～K1576段路基工程概况
2.1 地形地貌
陇海铁路天兰段穿越甘肃省中部, 贯通三市七县, 线路经过之地多为黄土高原地段, 线路穿越地形地貌大致可分为两类:
(1) 中部丘陵沟壑区。这些地区相对高度为150m以下, 坡度15°以下, 地势稍平缓。线路依山而建, 上游雨水汇集面积大, 一旦遭受大的暴雨, 极易造成洪水袭击铁路。
(2) 河谷区。这些地区多为冲积平原, 地形起伏在10m以下, 地势平坦开阔。线路主要建于河流高阶地上, 两侧为农业用地。
2.2 气候条件
本区段气候条件属温带季风气候, 并且有向大陆性气候过渡的特征。冬季雨雪少, 寒冷时间长, 春季升温快, 夏季气温高。平均气温4～14℃。最冷月 (一月) 平均气温在零下2～12℃;最热月 (七月) 平均气温20～24℃, 最高气温达40℃。本区段年降雨量200～560mm, 主要集中在6～8月。
2.3 地层岩性
马兰组黄土 (Q3) :分布于塬梁及河谷Ⅲ-Ⅳ阶地之上部。岩性变化不大, 以淡灰黄色黄土为主, 含少量石膏结核, 呈疏松状、大孔隙、颗粒粗, 滴酸强烈气泡, 厚50～85m, 个别处可达百米。河谷地带之马兰组系之上部黄土, 属风积;塬梁地带的马兰组, 风积特征明显, 其厚度较河谷阶地上的马兰组大, 平行不整合于离石组之上。该区黄土具有强烈的湿陷性, 由于黄土遇水湿陷, 产生强烈沉降, 对铁路路基的稳定性具有较大的影响。
黑云母石英片岩 (Z1) :黑色、青灰色, 鳞片粒状变晶结构, 片理构造, 主要矿物成分为石英, 黑云母, 其中黑云母占20%～45%, 石英占40%～70%, 斜长石占0%～30%。
3 陇海铁路天兰段路基病害地质雷达病害探测结果
3.1探测结果分析
(1) 路基下沉:
由于局部路基欠压实, 其强度和承载能力不能满足要求, 在上覆荷载的作用下, 路基发生局部下沉, 这类异常在雷达剖面上表现为:基床表层反射的同相轴发生明显的弯曲下沉或同相轴中断不连续, 有时是时断时续, 如砟土混合比较严重其同相轴可能有缺失。雷达图像见图2。
(2) 翻浆冒泥:
翻浆冒泥是路基常见的病害, 翻浆冒泥主要由于道床厚度不足, 或基床压实度和承载力没有达到要求, 在列车动荷载的冲击和水的作用下, 基床的填料侵入道床, 道砟侵入基床, 这样反复作用使道床污染、排水不畅, 最终导致道床板结失去弹性, 使道床无法正常工作。翻浆冒泥在不同的地区不同的部位其形态各异、规模不同, 但它们和周围的介质之间的介电常数的差异是相同的, 因此在雷达剖面上具有相似的波形和波组特征。由于翻浆冒泥的物质不但在道床中分布不均, 介电常数差异较大, 而且在道床中呈上拱的趋势, 因此在雷达剖面中波组杂乱、不连续、低频宽振幅形似“山尖”状。雷达图像见图3。
(3) 含水量大:
水是铁路路基病害形成的一个重要原因, 由于水的介电常数为81, 道砟介电常数为6～8, 空气的相对介电常数为1, 当路基中含水时, 其综合介电常数、反射系数、电磁波的传播速度、反射振幅、极性、频谱和相位等因素均发生变化, 由于反射能量和反射系数成正比。因此在雷达剖面上变现为低频强振幅高能量反射, 有时会出现振铃现象, 用彩色雷达剖面时颜色较鲜艳。雷达图像见图4。
(4) 疑似空洞或陷穴:
路基中存在空洞或陷穴严重危害路基的行车安全, 空洞形成主要由于路基填料中细颗粒被水携带流失, 形成的空腔。由于填料和空气的介电性质差异较大, 特别是在空洞或陷穴中有水存在时, 雷达波反射比较强烈, 而且又多次波存在。雷达图像见图5。
3.2 路基病害探测结果
通过该区段的雷达数据对比分析, 陇海线K1392～K1576段共存在翻浆冒泥路段18处, 其中上行线路10处, 下行线路8处;含水量较大的路段43处:其中上行路基有19处, 下行线路24处;路基下沉232处, 有15处下沉比较严重, 其中上行线路中存在117处, 下行线路存在115处;另外在上行线路存在4处、下行线路存在2处2.5～3m深的范围内弧形强反射, 疑为空洞或陷穴病害。具体情况见表1、表2。
由此可见, 车载探地雷达系统作为一种高速探测系统, 在探测铁路路基结构、填料性质、基床面的平整度、道床的污染程度、道床和路基的含水量、路基的排水状况、路基的承载能力等方面优势明显, 可以以连续探测方式探测目标体在地下分布, 具有快速、连续、无损、高分辨和实时显示等优点, 探测速度可达80～100km/h, 基本不影响或很少影响铁路正常运输, 能够显著提高铁路路基病害的检测和整治效率。
参考文献
[1]王鹏越.探地雷达在公路检测中的应用研究[D].中国地质大学, 2004.
[2]冯大伟.季节性冻土地区京哈线山海关至四平段铁路路基冻害分析与研究[D].西南交通大学, 2011.
[3]黄敏.铁路路基病害车载雷达探测技术研究[D].中南大学, 2011.
地质病害 篇8
近年来, 瞬变电磁法 (TEM) 作为电磁勘察方法中最常用的一种, 其主要是利用一定波形的电流场激发, 在一次场断电后对二次场随时间的衰减特性进行密切观测。瞬变电磁法 (TEM) 因其具有较多优点, 如随机干扰小、低阻体灵敏度高、体积效应小、纵横向分辨能力高、操作简单、工效高等, 在地质勘测中得到了广泛的应用。随着病害地质情况的增加, 将瞬变电磁法 (TEM) 应用于此, 能有效地防止灾害的发生。本文就小回线装置TEM法在病害地质勘察中的应用进行了分析, 并提出了采用5m边长中心装置回线对800m深地质进行勘察, 实现了小回线探测大深度, 扩大了TEM法的勘察范围。
1 瞬变电磁法TEM概述
目前, 我国各项工业生产发展迅速, 对能源的过度开发势必会引起地质的病害情况发生, 尤其是对于煤矿、工程建设等需要对地质进行严格勘察的工程。瞬变电磁法 (Transient Electromagnetic Method, TEM) 是一种时间域电磁法勘察技术, 其主要原理是在基于下岩矿石的导磁性和导电性差异基础上, 对地下电磁场时间和分布规律采用电磁感应原理进行观测和研究, 从而实现寻找地下良导电性矿体和有效解决地质问题的目标。瞬变电磁法具有诸多优点, 比如通过多次脉冲激发, 场的重复测量叠加, 能有效地提高信噪比和观测进度;人工源方法能压制随机干扰, 穿透高阻层能力较强;不同观测时间窗口的选择, 其获取的探测深度不同。
当其他条件固定不变时, 其频率f主要决定了人工源频率域电磁勘测的深度;其二次衰减时间t决定了时间域TEM法探测深度。在1989年有人提出电磁法的理论, 在某一频率或者时间内首先对地下异常物进行勘测, 这往往取决于异常体的埋深和上覆地层的平均电阻率, 人工源、接收形式以及它们的距离通常与其无关。在对病害地质实际勘察中, 为获取足够强的信号, 可以采用不同大小回线进行测试。如Spies提出的:探测到信号与否往往与探测仪器的精度、灵敏度以及信号强度、环境噪音密切相关, 这些因素同样影响着观测系统。对TEM法而言, 若想获得预期的有效信号, 扩大勘察的应用范围, 就必须改变装置, 可以采用小回线大电流的方式, 以此提升发射磁偶极矩, 通过接收线圈匝数的增加, 以此提高装置的灵敏度。只有确保这两方面的正常, 才能有足够的二次场衰减信号以供采集, 从而增加勘察深度。
2 实际应用
近年来, 对小回线装置瞬变电磁法TEM对更大深度地质的勘察研究是地质部门和全社会共同关注的课题。根据增大发射线圈电流和提高接收探头灵敏度的理论, 采用中心小回线装置进行地质勘察, 经实践证明均取得了良好的勘察效果, 对维护工程的稳定性奠定了坚实的基础。
2.1对门头沟地区的煤矿进行勘察, 由于周围建筑物较为密集, 需要采用回线边长5m的TEM法, 通过高分辨电法与其对比和打钻验证, 探测有效深度高达150m以上, 其打钻验证成功率高达80%。后续对四川、云南、湖南等地区的公路隧道进行探测, 其探测深度在800m左右, 并取得了良好的地质勘察效果。对云南某地区进行TEM法勘察, 采用回线边长5m, 探测深度300m, 地层电性显示在剖面起点50m处有一断层, 300m处有一130m深的出水点, 主要为低阻岩溶发育带区域。
2.2对重庆某地区公路隧道地质构造进行探测, 由于该地区地形起伏较大、坡陡林密, 若想对埋深较大的地质进行探测, 不宜选择合适的便捷物探方法。因此可以采用小回线5m的瞬变电磁法, 根据地层界面阶梯起伏的情况推断该地质有5条断层。
2.3南方某地区边坡基岩为石灰岩, 坡度较陡, 物探施工存在较大的难度。采用中心小回线装置瞬变电磁法探测比较方便, 顺着边坡走向布线, 可以看出在地下30m左右处有一明显的低阻带, 由于在测线100m处有断续的塌陷, 初步分析该低阻带应该是充水充泥岩溶带。
2.4湖南某公路隧道地貌低矮石林、地质为白云质灰岩山, 且其表面高阻部分存在大量的风化灰岩块体, 下面低阻带是泥质与风化灰岩碎块的混合物。利用中心小发射回线装置瞬变电磁法进行探测, 发现其测线280m存在断层, 主要表现为X形高阻条带。同时在深100m处有明显的裂隙存在。
2.5对某隧道风化带及构造进行探测, 隧道经过的地层, 测线小于450m为花岗岩, 之后为片麻岩。采用小回线装置TEM法进行探测, 其表层为低阻风化带, 更深部逐渐表现为高阻新鲜基岩。虽然花岗岩和片麻岩电阻率都显示为高阻, 但是穿插于它们的石英岩脉呈现更高的电阻率, 在地面隐约可见。
2.6在对煤矿积水采空区进行勘测, 由于本区地貌呈现高原侵蚀性丘陵, 地形纵横切割, 地表起伏较大, 基岩裸露、植被稀少, 其地下水主要为承压水, 含水层补给条件差。如果采用大回线有一定的难度, 对各方面因素进行综合, 采用小回线装置TEM法, 电流为6A, 频率为6.25Hz。对探测结果分析, 垂直地面方向探测, 主要反映了136m深度范围内的电性变化, 断层中部电阻率相对较高, 其深部电阻率相对较低, 主要是由于近场区和关断效应的影响。本区西侧边界60m范围内的低阻异常区有积水, 富水性一般。通过井下钻探放水试验进行验证, 其含水区范围和水量与TEM法结果差别不大。
3 结束语
由于煤巷、隧道地形地貌较为复杂, 如果采用大回线TEM法进行勘察存在一定的困难。小回线装置TEM法具有操作简单、工效高、分辨能力高等优势, 提升了对复杂地区病害地质勘察的准确性和方便性, 同时为隧道、巷道中超前探测更深距离奠定了基础, 扩大了探测范围, 解决了小回线勘察不同深度病害地质问题。
摘要：小回线装置瞬变电磁法 (TEM) 具有地形影响小、施工效率高等优势, 在地质勘察工作中得到了广泛的应用。引入小回线装置TEM法对病害地质进行勘察, 能有效地避免岩溶、滑坡、沉降、崩塌等地质灾害, 提升建筑物的稳定性, 减少对社会和人们的生命财产安全的危害。
关键词：小回线装置,TEM法,病害地质勘察
参考文献
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