数字成像技术在大型桥梁勘察中的应用

李友龙

1 概述

随着我国经济建设的快速发展,我国勘察领域中采用的勘察手段越来越多样化,并在工程实践中解决了较多实际难题,其中孔内数字成像技术就是其中一种,在我国一些重要大型桥梁勘察中发挥了重要作用。

它的应用更能反映钻孔内的实际情况,在岩溶、构造带、破碎地层地区勘察,使得到的结果更加直观可信,弥补了过去在大桥基础设计时对岩溶发育的空间规模、断层的属性、节理裂隙的发育程度把握不准的缺陷,使大桥基础设计带有一定的主观性,同时该手段的应用也弥补了地质编录人员在地层破碎采芯率不足而难以编录的不足,为大桥基础设计提供可靠直观的科学依据。

2 数字成像原理

孔内数字成像集电子技术、视频技术、数字技术和计算机应用技术于一身,从侧视角度对钻孔内孔壁进行无扰动的原位摄像记录并加以分析研究,通过直接对孔壁进行研究,避免了钻孔取芯工程的扰动影响,一定程度上解决了钻孔工程地质信息采集的完整性和准确性问题。

3 主要应用成果

1)弥补岩芯采取率的不足。我国特大桥采用的基础多为深大基础,且一般多采用大口径嵌岩桩或摩擦桩,桩尖多深入至岩层中,因此在大桥勘察过程中,对一些坚硬较脆易碎岩层,往往岩芯采取率不高而出现对地层编录不全面,甚至出现漏编的情况,特别是破碎带或软弱夹层,取芯率较低,有时甚至取不上岩芯,在这样情况下,地质编录人员可以说是束手无策。通过数字成像技术,就可以清晰地看到钻芯三维柱状全景,了解整个钻探回次内岩性特征。甚至包括对破碎的原因都能进行分析,可以判别岩芯破碎是机械原因还是实际地层原本就存在着的。2)确定构造破碎带的产状。通常假定断裂为一个空间平面,因此,它可以由空间中的三个不共线的点唯一确定,那么对应发现的断裂或裂隙,只要在其平面展开图上选择不在同一直线上的三个点,就能确定构造(或裂隙)的产状。断裂或裂隙的宽度可以通过测量位于断裂(裂隙)相对的两条边上的两个点之间的距离直接得到。整个测量过程在平面展开图中进行,由于平面展开图中的点仍是空间坐标,测得的宽度是两点的空间距离。3)了解灰岩地层岩溶发育情况。钻探通过取芯能直观地发现岩溶发育的特征,判定溶洞或溶沟(槽)、溶隙的大小、溶洞的充填情况,但在破碎地层,岩芯采取率不足时,技术人员则对地下岩溶发育情况估摸不准,通过孔内数字成像技术,可以对整个钻孔灰岩段岩溶发育程度作详细了解,对裂隙的产状特征、孔壁的光滑程度、岩体的完整程度情况作出准确判断,如溶洞大小、空间展布特征,充填物特性,岩壁的溶蚀现象、溶蚀范围,能有较全面的观察和分析,甚至对溶洞的赋水情况、地下水水流、何处滴水、冒水、涌水都能了解和掌控。4)判定基岩风化程度。在桩基工程施工过程中,大口径灌注桩多采用泥浆循环技术将孔底岩芯搅成砂状物和岩粉带到孔口,由于对砂状的岩芯专业勘察技术人员也很难判别其风化程度,即是否到了勘察报告中建议的桩尖持力层,给设计带来难题,也给大桥桩基施工带来安全隐患,大桥施工中出现较多基础下沉和变形,甚至有的出现跨塌现象,这些多是由于对桩端持力层的岩性风化判断失误造成,尤其在岩浆岩地区,基岩面起伏较大风化差异显著的地段,数字成像技术解决了这样的难题,它能近距离全方位拍摄岩芯的柱状特征,准确判定岩体风化程度和风化界限。

4 应用实例

4.1 青岛海湾大桥

青岛海湾大桥非通航孔桥段,岩性以玄武岩为主,由于构造裂隙发育,钻探岩芯采取率低,设计人员很难判定桥墩持力层的完整基岩具体位置。运用数字成像技术,清晰地了解孔内岩体裂隙发育特征,统计了 50条裂隙,具体情况详见表 1。依据统计数据,描绘节理裂隙玫瑰花图,真实掌握钻孔内岩体裂隙发育情况(见图 1)。

从所绘的裂隙分布极点图和产状的倾向玫瑰花图可以看出向裂隙分布比较分散,各个方向都有一定数量的分布;还有一些不规则裂隙和随机裂隙。从统计结果可以看出,该区域钻孔裂隙多集中在 40m之内,孔壁不完整,局部破裂,岩质较疏松,有碎石块;统计了25条,平均极大视隙宽度为29.4mm;数字钻孔摄像结果显示(见图 2),该区域钻孔上部裂隙较密集,孔壁存在破裂情况;钻孔的 40m以深孔壁比较完整,是大桩嵌岩桩的理想持力层位。

表1 玄武岩节理裂隙统计表

4.2 贵州坝陵河大桥

坝陵河大桥东索塔区地质条件较为复杂,为灰岩地层,部分地段岩芯较为破碎,溶蚀现象较为明显。

以XZK 13孔为例,从成像图上看出:51.4m～51.8m发育裂隙(见图3a));60.8 m～61.2 m发育溶蚀现象(见图3b)), 67.6m～68.0m溶蚀现象强烈;76.8m～77.1m发育有溶洞;共统计裂隙12条,其中6条都为NE向(见表2)。

表2 XZK 13号钻孔裂隙列表

由于钻孔数字成像技术的成功运用,在结合钻探资料的基础上,东索塔墩选择在 81m岩石相对完整地段,使大桥东索塔基础避开了岩溶发育和地层破碎的区域,确保了桩基础的稳固。

5 结语

孔内数字成像技术配合传统的勘探手段,能够有效地解决工程地质勘察中的地质难题,具有其他手段不可替代的明显优势,能够清晰地记录钻孔内岩体的节理裂隙发育程度、风化破碎程度、岩溶溶洞发育规模、主要岩层结构面以及断裂破碎带等孔内真实情况,通过对不良地质现象分析与数理统计,分析评价大桥基础下岩体结构以及风化特征。实践证明,孔内数字成像技术在特大型桥梁勘察中,尤其是构造破碎带、岩溶地区勘察中效果显著,为大桥基础设计提供了更为全面、直观的基础资料,有效地提高了勘察成果质量。

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