綜合航測(cè)與踏勘的山嶺隧址區(qū)潛在地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別探究

張培興，曹聰慧，劉 帥，徐鐵生，呂曉峰

(1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061；2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；3.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031；4.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司天津分院，天津 300073)

0 引 言

伴隨水利及交通等重大基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的陸續(xù)開(kāi)展，我國(guó)現(xiàn)已成為世界上隧道修建規(guī)模與難度最大的國(guó)家之一[1-3]，特別是隨著西南地區(qū)大開(kāi)發(fā)，大批山嶺隧道得以立項(xiàng)建設(shè)，不同程度的地質(zhì)災(zāi)害層出不窮。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，一些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生類(lèi)型和大小與勘察效果均有不同程度的關(guān)聯(lián)性[4]。因此，如能在工程設(shè)計(jì)施工前期開(kāi)展必要的地質(zhì)勘察，可有效減少隧道的災(zāi)害發(fā)生，進(jìn)而降低隧道建設(shè)成本。

由于開(kāi)挖隧道埋深大且山嶺內(nèi)地質(zhì)露頭信息有限，傳統(tǒng)的以地質(zhì)略圖標(biāo)記而后人工現(xiàn)場(chǎng)踏勘為主的勘察方式難于適應(yīng)高等級(jí)工程的建設(shè)需要。研究認(rèn)為，針對(duì)結(jié)構(gòu)面優(yōu)先采用航測(cè)空中捕獲方式將有助于增強(qiáng)工程場(chǎng)址區(qū)勘察效果與數(shù)據(jù)利用率。潘斌[5]通過(guò)在巖體露頭區(qū)勘測(cè)的基礎(chǔ)上加入航測(cè)影像解譯，建立了多個(gè)尺度的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，為后續(xù)巖體穩(wěn)定性及滲流特性精細(xì)模擬打下基礎(chǔ)；張培興等[6]初步提出了無(wú)人機(jī)航測(cè)控制引導(dǎo)與地面針對(duì)性精細(xì)物探聯(lián)合測(cè)試思路，并將該思路應(yīng)用于某擬建的花崗巖工程場(chǎng)址邊界斷裂識(shí)別及斷裂影響范圍研究中，所獲數(shù)據(jù)與人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果相近；李曉昭等[7]針對(duì)隧道區(qū)內(nèi)勘測(cè)諸多不利條件，提出了空-地-孔-隧綜合識(shí)別技術(shù)，并在甘肅北山花崗巖區(qū)隧道工程開(kāi)展了全方位的跟蹤探測(cè)，顯著提升了現(xiàn)場(chǎng)不同尺度結(jié)構(gòu)面參數(shù)的獲取數(shù)量與質(zhì)量。

本文選取典型山嶺強(qiáng)巖溶區(qū)齊岳山隧址區(qū)中潛在的地質(zhì)災(zāi)害為主要研究目標(biāo)，在前期地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，以航測(cè)與踏勘識(shí)別解譯出的結(jié)構(gòu)面跡線信息為基本數(shù)據(jù)源，針對(duì)不同尺度結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀進(jìn)行識(shí)別分析，以期為類(lèi)似隧址區(qū)勘察思路的制定及隧道工程安全建設(shè)提供更多參考。

1 工程概況

齊岳山山脈位于湖北恩施利川市西部，其西邊與重慶萬(wàn)州、石柱接壤，為控制東部上海至西南重慶間多條公路、鐵路通行的巨大屏障帶，形貌上呈束狀高陡背斜條帶區(qū)，地表高程變化較大，基本屬構(gòu)造溶蝕-剝蝕型中山形態(tài)地貌。隧道相對(duì)平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1[8]。

圖1 隧道相對(duì)分布

2 航測(cè)圖像獲取及數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 航測(cè)圖像的來(lái)源、效率及利用

航測(cè)數(shù)據(jù)源可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)源地圖軟件獲取。目前，大部分?jǐn)?shù)字地圖軟件可提供較新的清晰航測(cè)圖像，其數(shù)據(jù)自開(kāi)放以來(lái)，就不斷進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)更新，地形辨識(shí)精度可達(dá)0.6 m，甚至更高。無(wú)論航測(cè)影像清晰度還是精細(xì)度均可滿足本次勘測(cè)需求，即搜尋大尺度的結(jié)構(gòu)面跡線后通過(guò)跡線產(chǎn)狀信息可實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)面分組識(shí)別；通過(guò)進(jìn)一步的區(qū)域級(jí)的大尺度結(jié)構(gòu)面(斷裂)走向觀察，整體斷裂走向控制著該區(qū)的水流方向。此外，目前利用廣泛開(kāi)源的三維地球可視化軟件，根據(jù)隧道標(biāo)記的坐標(biāo)點(diǎn)，可方便、快速進(jìn)行查找，通過(guò)放大縮小工具欄可對(duì)研究區(qū)內(nèi)的宏觀斷裂跡象、重點(diǎn)踏勘區(qū)以及勘測(cè)路線進(jìn)行標(biāo)記，獲取高清正射影像甚至仿真的三維局部模型等，進(jìn)而能夠快速確定隧道與山體之間的空間關(guān)系，并且利用其空間關(guān)系快速而準(zhǔn)確的追索主要致災(zāi)構(gòu)造與隧道相對(duì)位置。齊岳山隧址區(qū)航測(cè)正射影像見(jiàn)圖2。

圖2 齊岳山隧址區(qū)航測(cè)正射影像

工程人員還可在宏觀區(qū)域把控下制定更加針對(duì)性的勘察路線。以往勘察人員單純依靠粗糙的地質(zhì)圖件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，確定重點(diǎn)靶區(qū)后，制定更加清晰的勘察路線，可降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度與大大提高勘測(cè)效率。具有如下優(yōu)勢(shì)如下：①通過(guò)三維游覽模式，可快速制定探勘重點(diǎn)部位，排除可能危及人身安全的危險(xiǎn)源。②由于隧道正上方巖體無(wú)法完全揭露，可借助航測(cè)影像快速鎖定相同層位的良好露頭點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)面加以識(shí)別。③易于將地質(zhì)層組關(guān)系清晰地在航測(cè)影像圖中布置，便于區(qū)分不同層組、不同巖性對(duì)裂隙發(fā)育的影響性。通過(guò)航測(cè)影像放大觀察后快速圈定出的大型良好露頭勘測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖3。

圖3 航測(cè)影像圈定良好露頭勘測(cè)點(diǎn)

結(jié)合齊岳山隧道工程案例實(shí)際勘察經(jīng)歷可知，傳統(tǒng)的一次勘察要消耗1整天，且沒(méi)有計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程中。勘測(cè)路線航測(cè)影像見(jiàn)圖4。首先，從圖4右下角左側(cè)箭頭處出發(fā)，驅(qū)車(chē)?yán)@過(guò)齊岳山山脊后，抵達(dá)隧道出口處所在的德勝槽谷處的勘測(cè)點(diǎn)，往往只能實(shí)現(xiàn)1～2個(gè)勘測(cè)點(diǎn)探查；而在高清影像解譯分析后，制定直接徒步方式穿越齊岳山在建隧道，勘測(cè)路線得以?xún)?yōu)化，在大致相等時(shí)間內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)5個(gè)及以上勘測(cè)點(diǎn)的信息捕獲，可極大化降低人力物力的損耗，獲得更佳的勘測(cè)效果。

圖4 勘測(cè)路線航測(cè)影像

2.2 地形地貌及構(gòu)造信息解譯

根據(jù)航測(cè)影像以及現(xiàn)場(chǎng)沿線踏勘可知，該山嶺隧址區(qū)基本上屬溶蝕～剝蝕中山溝谷地形地貌，隧道橫穿山脊。綜合勘測(cè)點(diǎn)GPS高程測(cè)量與地址資料可知，地表高程在1 100～1 700 m之間，高差可達(dá)600 m，地形整體呈波狀起伏。隧道進(jìn)洞口所在斜坡坡角約為25°，坡向約為120°；隧道出洞口所在斜坡坡角約為40°，坡向約為313°。在大尺度結(jié)構(gòu)面跡線(斷裂)上發(fā)育溶溝、溶槽，漏斗、落水洞等巖溶微地貌。

根據(jù)已有資料與補(bǔ)充勘察，隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育齊岳山走向斷裂帶可以進(jìn)一步劃分出2條主要斷層，分別為：①齊岳山斷層。平行山脈走向發(fā)育，走向NE，對(duì)隧道中部工程段具有一定危害性。隧道洞內(nèi)穿越時(shí)，受斷層影響，揭露出了蓄水充泥溶腔。②德勝場(chǎng)斷層。與山脈大致平行，順德勝場(chǎng)槽谷發(fā)育，走向約54°，主要沿德勝場(chǎng)槽谷展布出露。該斷層處伴生地下暗河，因此該處斷裂也是匯水控水的主要通道。該斷層與多條隧道軸線呈大角度相較，其中伴生在斷層帶內(nèi)附近巖溶極其發(fā)育，如在勘察路線中偶見(jiàn)有大型溶洞存在(見(jiàn)圖5)，對(duì)本隧道的建設(shè)影響較大，這類(lèi)大型的溶洞一般為良好匯水區(qū)，尤其在大雨過(guò)后，可能為內(nèi)部巖溶腔體提供水源。

圖5 踏勘中發(fā)現(xiàn)的大型溶洞

2.3 隧道洞口斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

第4勘察點(diǎn)處，隧道出洞口所在斜坡為53°，坡向?yàn)?11°，巖層產(chǎn)狀314°∠46°，坡向和巖層傾向組合為順向坡，坡向角稍大于巖層傾角，需注意其穩(wěn)定性及判識(shí)可能的影響因素。通過(guò)隧道洞口附近巖體勘測(cè)可知，小尺度結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，初步統(tǒng)計(jì)可分為2組，第一組產(chǎn)狀為59°∠85°，第二組產(chǎn)狀為142°∠23°。通過(guò)赤平投影分析，兩組結(jié)構(gòu)面相互交切，加之巖層面與坡面的作用，對(duì)巖體穩(wěn)定性不利，刷方減重方案考慮不充分可能會(huì)產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象，需引起注意。隧道出口附近巖體節(jié)理赤平投影見(jiàn)圖6。

圖6 隧道出口節(jié)理赤平投影

3 基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系

巖土體的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往離不開(kāi)不同尺度地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的作用，特別是山嶺區(qū)隧道勘測(cè)工作，不同尺度地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的有效識(shí)別提取關(guān)系到工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)高低。但結(jié)構(gòu)面的獲取仍然還有很多困難存在：

(1)山嶺區(qū)由于地形地貌限制，特別是當(dāng)有植被遮蔽等影響時(shí)，大量具有研究?jī)r(jià)值的結(jié)構(gòu)面信息可能被遺漏。

(2)所獲結(jié)構(gòu)面主要手段目前仍然以傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)踏勘為主，所依靠的地質(zhì)資料較為粗糙，一些過(guò)時(shí)地質(zhì)圖冊(cè)難于指導(dǎo)現(xiàn)今精細(xì)勘察的實(shí)際需要。

(3)依托純?nèi)斯し绞剿@得測(cè)量的結(jié)構(gòu)面與真實(shí)的結(jié)構(gòu)面測(cè)量可能有出入，如何提高捕獲結(jié)構(gòu)面的獲取的精度是亟待攻克的技術(shù)問(wèn)題。

隨著航空器材和攝影機(jī)器的發(fā)展，如衛(wèi)星影像、高低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)等，其現(xiàn)今觀測(cè)精度可達(dá)厘米級(jí)，并且根據(jù)研究區(qū)域的測(cè)試要求建立高精度的三維地質(zhì)模型，適合各種尺度結(jié)構(gòu)面信息的提取，可以一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)面勘測(cè)的不足。

因此，本文建議針對(duì)山嶺隧道工程，應(yīng)優(yōu)先充分利用航測(cè)技術(shù)進(jìn)行全方位的探查，輔以相關(guān)的地質(zhì)資料，在綜合航測(cè)與踏勘的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點(diǎn)完善基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系研究，即從結(jié)構(gòu)面參數(shù)(如產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)及密度)等信息提取出發(fā)，而后圍繞著不同災(zāi)害類(lèi)型判斷的實(shí)際需要，建立起參數(shù)與災(zāi)害類(lèi)型之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行更加有效的研究區(qū)完整的潛在地質(zhì)災(zāi)害的客觀評(píng)價(jià)，初步形成研究方法邏輯思路。基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系見(jiàn)圖7。

圖7 基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)齊岳山隧址區(qū)的航測(cè)與踏勘綜合的方法開(kāi)展了測(cè)試性探究工作，在針對(duì)類(lèi)似山嶺區(qū)隧道開(kāi)展勘察時(shí)，建議積極搭建綜合技術(shù)手段保障-基于結(jié)構(gòu)面識(shí)別-參數(shù)針對(duì)性獲取-災(zāi)害類(lèi)型預(yù)判環(huán)節(jié)-潛在地質(zhì)災(zāi)害客觀評(píng)價(jià)的邏輯思路，得出以下結(jié)論：

(1)進(jìn)行大區(qū)域工程勘察時(shí)，在有條件的前提下，應(yīng)首先考慮利用好高清的航測(cè)影像；如針對(duì)特定測(cè)區(qū)，還可優(yōu)先考慮精度更高的低空無(wú)人機(jī)，凸顯更多地質(zhì)細(xì)節(jié)，盡量避免漫無(wú)目的搜索工作，抓住不同尺度結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、密度等信息對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)識(shí)別解譯，進(jìn)而使得后續(xù)的踏勘工作更具有針對(duì)性，獲取成果更為直接，減少無(wú)效追索。

(2)針對(duì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況指出結(jié)構(gòu)面的作用效果，大尺度結(jié)構(gòu)面為研究區(qū)匯水控水的有利通道，小尺度結(jié)構(gòu)面交切加之巖層與坡面共同作用致使洞口圍巖失穩(wěn)的可能性增加。