山西省黄土路基暗穴超前探测技术及处理措施研究.pdf

第 3期 总第 1 8 6期 山西交通科技 2 0 0 7年 6月 S HAN X I S C I E NC E T E C HNO LOG Y O F C OMMUN I C AT I ON S NO ． 3 J u n e 山西省黄土路基暗穴超前探测技术及处理措施研究 黄 长安大学， 陕西 勇 西安 7 1 0 0 6 4 摘要简要论 述了 山西省黄土路基暗穴超前探测技术及处理措施研究的立题 目的、 意 义、 研究 目标及 内容， 主要研 究结论和创新点。 关键词 黄土暗穴； 超前探测 ； 处理措施 ； 研究 中图分类号 T U 4 7 5 ． 3 文献标识码 A文章编号 1 0 0 6 3 5 2 8 2 0 0 7 0 3 0 0 0 1 0 3 0 引 言 0 ． 1 本文立题 的目的、 意义 黄土沉积在西北和华北 的山西 、 内蒙地区， 是第 四纪地层 的主要部分 ，我国黄土高原地区是世界黄 土分布范围最广 、 沉积厚度最大 的地区。 由于具有疏 松 、 大孔隙、 垂直节理发育和湿陷性等特殊性质 ， 在 黄土区发育一系列特殊的不 良地质现象。湿陷性黄 土暗穴就是其 中一种 ，由于其形态类似于碳酸岩区 的岩溶现象 ，但其形成原因又和岩溶的成 因相差甚 远 ， 所以一些学者也称其为“ 假喀斯特” 。 山西省地处黄河中游 ， 黄土高原东部 ， 北接长城 与内蒙古 自治区接壤 ， 西隔黄河与陕西省相望 ， 南抵 黄河与河南省为邻 ， 东依太行 山与河南 、 河北两省毗 连。省境轮廓大体呈平形 四边形 ， 介于东经 1 1 0 。 1 4 ～ 1 1 4 。 3 5 ，北纬 3 4 。 3 5 ～ 4 0 。 4 5 之间。境 内山峦叠 嶂 ， 沟壑纵横 ， 大部分为山区和丘陵。山西省是一个 被黄土广泛覆盖 的、 起伏较大的高原 ， 是我国黄土高 原的组成部分。 全省除少数地方基岩裸露外 ， 大部分 地方覆盖着黄土。晋西吕梁 山西麓黄土为陕北黄土 高原与山西黄土高原的过渡段。黄土在 吕梁山以西 呈厚层连续分布 ， 以东呈断续分布状态。除五台山、 芦芽山、 关帝 山等亚高 山地外 ， 大部分 中山山地均可 见零星的残 留黄土面存在。 据测算 ， 全省黄土分布范 围达 1 0 ． 4万平方公里 ， 占全省总面积 的 6 6 ． 6 ％． 山西省有着丰富的矿产资源 、土地资源和旅游 资源 。 随着国家经济战略的西移 ， 西部大开发和加强 基础设施 的建设需要大力发展公路交通事业。但在 山西黄土覆盖区 ，由于生态环境脆弱 ，水土流失严 重，加之黄土具有疏松 、大孔 隙及湿陷性等特殊性 质 ， 使得该区水土流失灾害、 崩塌 、 滑坡、 泥石流等各 种地质灾害在这片千疮百孔的土地上疯狂肆虐，在 相 当程度上决定和影响着各类工程的设计 、建设和 维护 ，从而成为各类建设 的严重障碍。这些地质灾 害 ， 由于其后果严重、 影响大而大多得到了及时研究 和防治 ，但长期 以来 ，我们却忽视了一种潜在的隐 患 ，那就是山西黄土覆盖区的黄土地层中经常会形 成深度不 同、 形态各异 、 规模不同的黄土暗穴。这些 黄土暗穴可给其发育区的各类工程如公路 、 民居 、 厂 房 、 地下各种管道等带来一系列严重危害 ， 尤其以对 公路工程 的危害最为严重。 常可造成路基塌陷 、 边坡 破坏 、桥台失稳及隧道变形等一系列工程地质问题 和灾害 ， 给公路的建设和安全运营带来严重影响。 除 此之外， 由黄土暗穴所引发的崩塌、 滑坡等地质灾害 其危害也十分严重。 在这些灾害中， 黄土暗穴 由于其 灾害的普遍性和隐蔽性而对公路工程建设构成 的危 害更为严重。它一方面不仅可对公路工程造成直接 的破坏而引起交通中断 ，另一方面由于公路黄土暗 穴的破坏具有突发性的特点 ，因而常常造成交通事 故而导致 车毁人亡的恶果。 黄土暗穴危害尤其是对公路的危害如此严重 ， 已经成为一种独特的工程地质灾害。为此国家交通 部于 2 0 0 1 年设立了 探测湿陷性黄土暗穴技术研 究 科技攻关项 目， 由长安大学主持对黄土暗穴的公 路灾害问题进行了深入 、 细致 的研究 ， 到 目前为止 ， 仅长安大学主要针对典型的黄土高原地区的陇东、 陇西、陕北及关中地区的黄土暗穴进行了专门性深 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 2 8 ； 修回 日期 2 0 0 7 0 51 8 作者简介 黄勇 1 9 5 7 一 ， 男， 山西临汾人， 山西省交通建设工程监理总公司总经理， 教授级高工， 1 9 8 2年毕业于西安 公路学院， 长安大学在读博士。 维普资讯 2 山西交通科技 2 0 0 7年第 3期 人研究。 然而由于时间和经费等多方面原因所限， 这 些成果均未涉及到山西的黄土地区，以至于对山西 黄土地区黄土暗穴的研究一直处在一个较浅显的程 度上 ， 许多方面尚属于研究领域 的空 白， 这就造成了 对整个黄土高原黄土暗穴研究 的一个盲 区，随着黄 土暗穴灾害影响 日趋加重 ，山西黄土暗穴灾害研究 也逐渐被重视。开展山西黄土暗穴研究不仅能够填 补黄土高原地区黄土暗穴研究的盲点，而且可以从 各个角度对黄土暗穴进行更进一步深入的认识，同 时无论是对由于黄土暗穴引起的滑坡、 崩塌、 塌陷以 及湿陷等地质灾害的深入研究 ，还是对公路工程 的 直接危害的本身，从科学研究的系统性和完整性来 说， 均具有十分重大的理论与现实意义。 0 ． 2 国内外研究现状及发展趋势 关于黄土暗穴的研究， 在 2 0 世纪 5 0 6 0年代、 8 0 9 0 年代曾出现过两个相对的研究高潮， 许多学 者在此期间做 了许多卓有成效的工作 ，取得了一些 初步成果， 为黄土洞穴的研究奠定了一定的基础。 但 这些成果绝大多数均是围绕黄土暗穴的成因进行探 讨 ， 而且多局限在野外观察的基础上进行主观推测 ， 并无相关的科学试验和理论定量计算加 以验证 。 到了 2 1 世纪 ， 随着西部大开发各项 国策的进一 步落实 ， 新的形势对各行各业提出了更高的要求。 然 而由于多方面的原因，使得我们对黄土暗穴很多方 面的研究都未能涉及到，如关于黄土暗穴的分布规 律 、 黄土暗穴的形成条件及机理 、 黄土暗穴对公路工 程危害的定量评价、 公路沿线黄土暗穴 的预测预报、 黄土暗穴地球物理精细探测方法及应用技术、黄土 地区公路暗穴治理方法等方面都没有涉及到 ，而具 体到山西黄土覆盖区则更是研究领域的空 白，这种 情况已经不适应西部大开发的形势。 为此 ，山西省交通建设工程监理总公司和长安 大学联合研发 了 山西省黄土路基暗穴超前探测技 术及处理措施研究课题 ， 该研究项 目从 2 0 0 3年开 始实施 ， 课题研究成果于 2 0 0 7年 4月由山西省科技 厅 、 山西省交通厅组织 ， 邀请国内专家进行了技术鉴 定 ， 被评为国内领先水平。 1 研究 目标及研究内容 1 ． 1 课题 的研究 目标 课题总体研究 目标为 在对山西省黄土覆盖区 内选择典型区块进行黄土地区暗穴的分布规律研 究 ， 在此基础上对黄土暗穴进行全面的分类研究 ， 并 针对黄土暗穴的成因展开全面、 系统而深入的研究 ； 在黄土暗穴成 因研究 的基础上 ，对黄土暗穴的形成 机制深入研究 ，从而归纳出各类黄土暗穴的形成模 式。 形象地反映黄土暗穴的形成、 发展及演化过程； 查清典型路段上黄土暗穴对公路工程的危害，包括 对公路工程不同的危害形式及其特点， 结合数值模 拟等手段 ，重点揭示黄土暗穴对公路工程 的致灾机 理；利用各种解析方法综合对比分析对黄土暗穴进 行稳定性评价 ，确定黄土暗穴在各种工况下的临界 厚度； 借助动力有限元数值分析方法， 对车辆动荷载 作用下下伏黄土暗穴对路基稳定性的影响进行初步 探索； 探索快捷有效的黄土暗穴超前探测技术； 探索 黄土地区黄土暗穴的预测预报方法；探索经济实用 的黄土地区公路暗穴处理措施。 1 ． 2 课题 的研究内容 a 山西省黄土暗穴的分布规律研究。 b 山西省黄土暗穴的形成条件及机理研究。 c 山西省黄土暗穴对公路的危害研究。 d 黄土暗穴对公路工程危害的定量评价研究 。 e 山西省公路沿线黄土暗穴的预测预报研究。 f 黄土暗穴地球物理精细探测方法及应用技术 研究 。 g 黄土地区公路暗穴治理方法研究。 1 ． 3课题依托工程 本项 目依托工程汾阳一柳林高速公路上的黄土 暗穴工程地质野外踏勘结果表明 ，该依托工程所通 过的地区黄土暗穴发育程度较低 ，且多为浅层黄土 暗穴 ， 由于路基路面工程处理得当， 现有路基 中基本 不存在可作为探测靶场及试验点的黄土暗穴 ， 同时， 由于时间和经费有限，课题组在进行黄土暗穴的超 前探测技术研究过程中， 继续 以国家交通部 探测湿 陷性黄土暗穴技术研究项 目所建方法技术研究试 验靶区为依托 ， 并增加了方法技术三原试验场， 在此 基础上 ， 针对山西黄土暗穴问题 ， 就高密度电法 、 面 波、超浅层地震和多分量地震探澳 0 技术进行 了深化 研究 ， 取得 了相应的实用技术成果 。同样 ， 在暗穴治 理方法研究时， 选择 了与山西黄土地层 、 工况等条件 基本相同而距离上又较近的澄城县城南的一段旧公 路作为试验场， 紧密结合公路工程实际 ， 在该试验路 段进行了各种防治方法的试验 ，并最终提出了公路 黄土暗穴的防治建议。 2 主要研究结论和创新点 2 ． 1 研究结论 a 以现场调查获得 的资料为基础 ， 以黄土暗穴 的成 因为主线对山西省及陕西、甘肃黄土暗穴进行 了成 因分类 ， 考虑到工程实用性 ， 根据黄土暗穴的发 育深度、断面形状等形态学参数对黄土暗穴进行了 形态学分类研究 ， 并提供 了简 明的命名方案。 维普资讯 2 0 0 7年第 3期 黄勇 山西省黄土路基 暗穴超前探测技术及处理措施研究 3 b 全面总结归纳 了山西省黄土覆盖区黄土暗 穴分布的区域规律 、 土性规律、 微地形地貌规律 ， 以 及 山西省黄土暗穴 的分布与节理裂隙的关系、山西 省黄土暗穴的分布与降雨量 的关系、山西省黄土暗 穴的分布与人类活动的关系。 c 在国内公路行业首次研究揭示 出山西 黄土 地区黄土 的渗透性 、湿陷性和崩解性等特性与黄土 暗穴的成 因密切相关 ，是黄土暗穴赖 以发生和发展 的物质基础 ， 因此是黄土暗穴形成 的根本内因。 d 黄土地层 中的地下水是黄土暗穴赖 以发生 与发展的最根本 的源动力，因此是黄土暗穴形成的 最为重要的外界 因素。课题组在对黄土地层中的地 下水类型全面总结的基础上 ，深入分析了地下水在 黄土暗穴形成过程中的作用机理 ，同时对黄土暗穴 形成的其他外因如微地形地貌 、水文地质与气候 以 及其他外界 因素进行 了全面分析研究。 e 全面 总结 了黄土 暗穴 的成 因机理及其形成 演化过程。 f 总结 出了黄土暗穴对公路工程不 同部位的破 坏特点及破坏方式 以及对公路交通运输的危害程度 等 。 g 运用结构力学、 有限元法， 以及动 、 静有限元 分析等方法分别定量评价了黄土暗穴对路基 的危害 作用方式 ， 确定 了公路暗穴破坏的临界厚度和范围， 进而确定 了公路 暗穴防治的深度和宽度 ，为黄土地 区公路暗穴的防治提供了可靠 的理论依据。 h 通过对公 路沿线 黄土暗穴的发 育情况进行 剖析 ，从中提取 了影响公路沿线黄土暗穴发育的主 要因素 ，并根据野外调查 的实际情况以及专家经验 等，首次在 国内同行业运用数学方法得 出了合理 的 预测评估模型 ，提出了山西省黄土暗穴预测预报的 方法体系。 i 通过本项 目研究工作 ， 进一步证实 了高密度 电法可作为黄土暗穴探测 以及黄土地裂缝一类近地 表地质缺陷问题精细定性勘查的主要方法手段 ；而 多道瞬态面波技术 、超浅高分辨地震勘探技术能够 成为黄土 暗穴定位探测 与精 细评价 的主力特探技 术。 此外 ， 超浅层工程多波地震测量工程物探新方法 在黄土地 区黄土暗穴 、黄土地裂缝以及近地表小断 层一类地质缺陷检测方法 ，已展露出明显的低成本 多参数信息特点和工程地质勘探效能 ，因此具有很 好的发展前景 。 i 研究提出了可用于不 同条件下黄土暗穴治理 的明挖 回填法 、注浆法 、S D D C法 以及综合治理措 施 ，提出了黄土暗穴处理 的技术标准和施工时的参 考意见 ，对各种方法的适用条件和优缺点进行了分 析总结 ， 并最终提出了公路黄土暗穴 的防治建议。 2 ． 2 研究的创新点 a 以现场调查资料为基础 ， 总结了山西省黄土 暗穴分布规律， 揭示 了成因， 提出了演化过程 、 分类 和命名方案 。 b 总结 了黄土暗穴破坏的特点和方式 ， 破坏临 界厚度和范围 ， 提 出了预测预报方法 ， 为黄土暗穴地 区公路设计和施工提供 了地质依据。 e 研究 了高密度 电法 、 多道 瞬态 面波 、 超浅高 分辨地震勘探等定位探测技术 ，提出了不同条件下 黄土暗穴的处理和防治措施。 总之 ， 研究成果具有创新性和明显的经济、 社会 效益及推广应用价值 ， 总体达到国内领先水平 。 The Re s e a r c h o n Le a di n g De t e c t i o n Te c h no l o g y a nd Tr e a t me nt M e a s ur e s f 0 r Lo e s s S u b g r a d e Da r k Ca v e i n S h a n x i Pr o v i n c e H UANG Yo ng Ch a n g’ a n Un i v e r s i t y ， Xi ’ a n ， S h a a n x i 7 1 0 0 6 4 ， Ch i n a Ab s t r a c t T h e p a pe r d i s c u s s e d t h e r e s e a r c h g o a l ， s e n s e ， c o n t e n t s ， c o n c l u s i o n a n d ma i n p o i n t o f i n no v a t i o n e t c ． f o r r e f e r e n c e ． Ke y wo r ds l o e s s d a r k c a v e ； l e a di n g d e t e c t i o n ； t r e a t me n t me a s u r e ； r e s e a r c h 维普资讯