張培興 ZHANG Pei-xing；王夢焉 WANG Meng-yan；劉紫嬋 LIU Zi-chan；牛遠(yuǎn)達(dá) NIU Yuan-da；汪猛 WANG Meng；劉帥 LIU Shuai

（①河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050061；②河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050031）

0 引言

不同尺度的巖體結(jié)構(gòu)面（例如斷層）廣泛分布于地殼當(dāng)中，是各類工程特別是重大巖體地下工程在開工建設(shè)前必須加以甄別并給出避讓、注漿加固等建議的一類缺陷[1-4]，對于耗資巨大的工程項(xiàng)目如深長隧道或高放廢物處置庫更需要精細(xì)化甄別結(jié)構(gòu)面特征信息。

周輪等[5]綜合宏觀地質(zhì)分析、TSP地震波及地質(zhì)雷達(dá)建立了一套綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，將其成功運(yùn)用于利萬高速謀道連接線齊岳山隧道地質(zhì)災(zāi)害甄別；李術(shù)才等[6]基于立體數(shù)碼攝像技術(shù)，構(gòu)建了隧道掌子面巖體結(jié)構(gòu)量化表征體系；李曉昭等[7]建立了一套空中-地表-孔中-隧道隧于一體的隧道致災(zāi)構(gòu)造觀測技術(shù)，該技術(shù)能廣泛捕獲隧道周邊巖體結(jié)構(gòu)面空間分布信息，可以用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與巖體質(zhì)量評價(jià)；Wang等[8]在靠近斷裂的斜巷中基于三維激光掃描展開洞內(nèi)結(jié)構(gòu)面捕獲與特征解譯；羅輝等[9]基于野外勘察和物探工作，綜合運(yùn)用地形數(shù)字與地球物探測量等資料，構(gòu)建出了新疆預(yù)選處置庫周邊巖體大尺度結(jié)構(gòu)面三維地質(zhì)模型，探明并獲得了巖體深部結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系。

綜上不難發(fā)現(xiàn)，諸如物探、攝影測量等信息化技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于地下工程勘測過程中來。本文以我國某高放廢物地質(zhì)處置預(yù)選場址結(jié)構(gòu)面為研究載體，在梳理地形條件的前提下，提出多源勘測識別方案，結(jié)合案例初步展示其應(yīng)用效果，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

1 研究背景及地形分類

本文所關(guān)注的高放廢物處置預(yù)選區(qū)域主要位于我國西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，區(qū)域內(nèi)氣候呈現(xiàn)干旱少雨特征，植被稀少，人跡罕至。對于高放廢物處置預(yù)選區(qū)域而言，有一些更細(xì)化的要求如地下處置庫近場5公里范圍內(nèi)無活動斷裂，圍巖厚度應(yīng)不小于2千米，將來地下工程主巖為堅(jiān)硬的花崗巖類（巖性單一、完整），地下水含量少、水力梯度小等[10]。

本文所研究的某高放廢物預(yù)選場址屬于我國西北三大預(yù)選區(qū)內(nèi)，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘記錄，初步梳理出以下幾種類別地形特征，分別是相較平坦露頭區(qū)、陡坡露頭區(qū)、露頭面上植被覆蓋區(qū)、潛在斷層覆蓋區(qū)。整體地形主要為一種或多種組合形成的多樣復(fù)合地形，其中陡坡與覆蓋會給結(jié)構(gòu)面人工甄別造成一定程度的困難。幾種類別地形現(xiàn)場典型取景如圖1所示。

圖1 某高放廢物預(yù)選場址內(nèi)常見的地形類別

2 多源勘測識別方案構(gòu)建

在面對上述多種類型的地形情況下，勘測識別過程本身就對踏勘隊(duì)員的體力造成不小負(fù)擔(dān)，要保證精細(xì)化勘測識別質(zhì)量則更具挑戰(zhàn)。有理由針對上述多樣的地形條件引入數(shù)字化技術(shù)并提出多源勘測識別方案?；谧髡叩冉Y(jié)合地形特征及前期科研經(jīng)驗(yàn)，按照從空中到地面的順序，綜合衛(wèi)星、無人機(jī)、物探及近景攝影等多源勘測技術(shù)，初步構(gòu)建一套針對多樣化地形區(qū)域的結(jié)構(gòu)面勘測識別方案，具體如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)面勘測識別方案

本文就提出的勘察方案給出具體操作流程：①首先充分利用遙感衛(wèi)星，對所研究區(qū)域進(jìn)行邊界圈定，對擬建工程平面布局邊緣約300米或更遠(yuǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)帶的分區(qū)；②在重點(diǎn)區(qū)帶的分區(qū)的基礎(chǔ)上，需要設(shè)定無人機(jī)的航線航跡。當(dāng)區(qū)帶較為平坦且測繪區(qū)較大時(shí)，宜采用油動型無人機(jī)進(jìn)行低空航測，如碰到陡坡面則注意利用旋翼型無人機(jī)補(bǔ)充航測；③對于重點(diǎn)區(qū)帶中如涉及到大尺度結(jié)構(gòu)面（密集節(jié)理帶、斷層）判識，可以利用針對性的物探設(shè)備展開探測；④當(dāng)工程已經(jīng)進(jìn)行開挖建設(shè)時(shí)，則考慮利用近景攝影測量快速跟蹤施工掌子面及周圍巖體結(jié)構(gòu)面特征。

額外需要說明的是，在②過程中如果要進(jìn)行陡坡面結(jié)構(gòu)面識別范圍較少或數(shù)量不大時(shí)，也可考慮利用手持式近景攝影測量補(bǔ)測，當(dāng)碰到露頭面植被覆蓋時(shí)則需要人工針對性補(bǔ)充勘測識別；在第③過程中應(yīng)盡可能補(bǔ)充鉆探，以便使得物探結(jié)果更加可靠。

3 應(yīng)用案例

3.1 邊界圈定

本文以網(wǎng)絡(luò)上開源的衛(wèi)星影像為底圖，校對遙感影像中某預(yù)選場址所在區(qū)位，考慮避讓距離等，圈定出了該研究區(qū)域的邊界范圍。如圖3所示，東西兩側(cè)以地塊中北北東走向的斷層為邊界線，北側(cè)則以東西走向斷層為分界線，南側(cè)以南端存在的北東東走向斷層為界，處置預(yù)選場址的邊界（圖3中圓虛線）是否可以擴(kuò)大有待確定，這需要進(jìn)一步考慮遙感解譯圖中的斷層是否存在以及斷層影響范圍等。

圖3 某處置庫預(yù)選場址衛(wèi)星影像

3.2 重點(diǎn)區(qū)帶勘測

以處置庫預(yù)選場址西側(cè)斷層為例，劃定重點(diǎn)航測區(qū)段，即斷層右側(cè)露頭區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)區(qū)域，在電子圖件中設(shè)置1500m×15m的長條形測窗，且測窗沿長度方向垂直于斷層布設(shè)，各測窗近等間距布設(shè)如圖4所示。在航測圖中測窗范圍內(nèi)，拾取數(shù)字化結(jié)構(gòu)面跡線（2點(diǎn)或更多點(diǎn)連線形成一條電子跡線），隨后經(jīng)過結(jié)構(gòu)面的跡長、密度等參數(shù)化統(tǒng)計(jì)，大體上斷層影響范圍能夠達(dá)到200米左右[11]，但也有一些地方斷層影響范圍不足百米，需整體綜合考慮，這便為處置庫邊界劃定與處置庫布局設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

圖4 重點(diǎn)區(qū)結(jié)構(gòu)面信息提?。〒?jù)文獻(xiàn)[11]修改）

3.3 重點(diǎn)區(qū)帶斷層甄別

為了驗(yàn)證預(yù)選處置場址西側(cè)斷層是否存在，在綜合衛(wèi)星影像與航測圖件確定了物探儀器與物探布設(shè)方式后，作者等利用靈敏的物探法對其進(jìn)行了勘測，物探線沿垂直于該西側(cè)斷層走向方向布設(shè)，解譯結(jié)果如圖5所示，根據(jù)相對低阻區(qū)可較易圈定出斷層位置，從圖中能夠清晰獲得斷層產(chǎn)狀、寬度等關(guān)鍵信息。需要注意的是在有鉆機(jī)的條件下還需要配合針對性的鉆探對物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 隱伏斷層甄別（據(jù)文獻(xiàn)[12]修改）

3.4 開挖掌子面跟蹤勘測

在預(yù)選區(qū)內(nèi)以某開挖的地下試驗(yàn)巷道為例，采用近景攝影測量的方式，實(shí)時(shí)跟蹤開挖掌子面及巷道璧面上的巖體結(jié)構(gòu)面，以便更好預(yù)判巖體失穩(wěn)類型以及可能的導(dǎo)水路徑問題等。如圖6所示，前期巷道地表露頭重點(diǎn)勘測中巖體在三組結(jié)構(gòu)面作用下易形成碎塊，加之近景攝影測量捕獲的巖體中存在的緩傾結(jié)構(gòu)面，其開挖巷道通過時(shí)，其頂部極易掉塊，因此經(jīng)過時(shí)需要掛網(wǎng)加固。

圖6 巷道圍巖中結(jié)構(gòu)面綜合判識

4 前景討論

當(dāng)前，一些重大地質(zhì)工程場址建設(shè)中，不同尺度的結(jié)構(gòu)面識別及其分析愈發(fā)重要，特別是面對巖體工程滲流或者巖體穩(wěn)定問題，識別如果得當(dāng)，給出恰當(dāng)?shù)淖{防滲思路或者圍巖支護(hù)方案，不僅能夠節(jié)約工程造價(jià)，更能為工程長期穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)人工結(jié)構(gòu)面觀測，受限諸多，特別是一些多樣化地形條件下，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代工程建設(shè)與運(yùn)維的實(shí)際需求，因此，可以說是需求牽引技術(shù)的發(fā)展與完善，如遙感影像、無人機(jī)、物探及攝影測量技術(shù)的單獨(dú)應(yīng)用或簡單的組合，這類數(shù)字化技術(shù)已不斷被運(yùn)用于不同尺度結(jié)構(gòu)面識別過程中來，顯現(xiàn)出無限潛力，但遺憾的是目前鮮見綜合性高，規(guī)范化或標(biāo)準(zhǔn)化的多源勘測方案。

應(yīng)當(dāng)說明的是，隨著諸如深長隧道、高放廢物處置庫等重大工程持續(xù)推進(jìn)，多樣化地形中大量結(jié)構(gòu)面需要細(xì)化識別與進(jìn)一步分析其包含的孕災(zāi)信息，以便更好服務(wù)于此類工程是發(fā)展的必然趨勢。我們勘測相關(guān)的研究者或技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇，在勘測方案多源勘測識別技術(shù)整合與完善升級方面不斷發(fā)力，同時(shí)也要思考數(shù)字化信息如何最大化利用。

5 結(jié)語

①以我國西北某高放廢物處置庫預(yù)選場址為研究載體，充分考量了地形條件并進(jìn)行了分類，初步搭建了一套基于多源勘測技術(shù)的整合型結(jié)構(gòu)面勘測識別方案，該技術(shù)方案能夠按照從宏觀到細(xì)觀的思路，從整體到局部選用匹配技術(shù)，進(jìn)而協(xié)助勘測人員盡可能多地捕獲相關(guān)結(jié)構(gòu)面信息，通過案例展示了其應(yīng)用效果，最終期望其能為類似重大地下工程勘測提供一些有益參考。②結(jié)構(gòu)面多源勘測識別方案是值得繼續(xù)深化與完善的，我國地形條件多變，特別是一些重大工程場區(qū)地形不單一，急需這類適應(yīng)性強(qiáng)且不斷完善的勘測識別方案發(fā)揮作用，能夠看出其具有較好的應(yīng)用前景，值得投入更多的研究精力。