張培興 ZHANG Pei-xing；王夢焉 WANG Meng-yan；劉紫嬋 LIU Zi-chan；牛遠達 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目如深長隧道或高放廢物處置庫更需要精細化甄別結(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)雷達建立了一套綜合地質(zhì)預(yù)報方法，將其成功運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)報與巖體質(zhì)量評價；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員的體力造成不小負擔(dān)，要保證精細化勘測識別質(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，按照從空中到地面的順序，綜合衛(wèi)星、無人機、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)域進行邊界圈定，對擬建工程平面布局邊緣約300米或更遠范圍內(nèi)進行重點區(qū)帶的分區(qū)；②在重點區(qū)帶的分區(qū)的基礎(chǔ)上，需要設(shè)定無人機的航線航跡。當(dāng)區(qū)帶較為平坦且測繪區(qū)較大時，宜采用油動型無人機進行低空航測，如碰到陡坡面則注意利用旋翼型無人機補充航測；③對于重點區(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)進行開挖建設(shè)時，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過程中如果要進行陡坡面結(jié)構(gòu)面識別范圍較少或數(shù)量不大時，也可考慮利用手持式近景攝影測量補測，當(dāng)碰到露頭面植被覆蓋時則需要人工針對性補充勘測識別；在第③過程中應(yīng)盡可能補充鉆探，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）是否可以擴大有待確定，這需要進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，劃定重點航測區(qū)段，即斷層右側(cè)露頭區(qū)域為重點區(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點或更多點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，大體上斷層影響范圍能夠達到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)計優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

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

3.3 重點區(qū)帶斷層甄別

為了驗證預(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的條件下還需要配合針對性的鉆探對物探結(jié)果進行驗證。

圖5 隱伏斷層甄別（據(jù)文獻[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巷道為例，采用近景攝影測量的方式，實時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，其頂部極易掉塊，因此經(jīng)過時需要掛網(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方案，不僅能夠節(jié)約工程造價，更能為工程長期穩(wěn)定運行奠定基礎(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)與運維的實際需求，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、物探及攝影測量技術(shù)的單獨應(yīng)用或簡單的組合，這類數(shù)字化技術(shù)已不斷被運用于不同尺度結(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)范化或標準化的多源勘測方案。

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，多樣化地形中大量結(jié)構(gòu)面需要細化識別與進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觀的思路，從整體到局部選用匹配技術(shù)，進而協(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。