南沙地區復雜地形地質條件下巖土工程的勘察及技術應用

祝敏剛，閔勇章，童 偉，李 藝，吳福平，周成凱

（中國電建集團城市規劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458）

0 前 言

南沙地區具有獨特的地質條件和場地背景，受珠江水系切割，河網密布，地形地質條件復雜多變，且廣泛分布厚度變化大的軟土層［1］。近年，隨著南沙經濟不斷發展，各地都在規模化的開發與建設。而房屋建筑、軌道交通、水利等工程重點關注第四系覆蓋層厚度、地層結構、活動斷裂分布、地質體、巖性變化等特征［2］，而勘察人員需要在緊張的工期內掌握準確的地質信息，包括了解巖土層的性質和潛在地質隱患、評估地質災害風險并提出建議措施、評估地質條件對工程的影響，為工程規劃和可行性研究提供依據，為后續的工程設計以及各項決策的落實提供充足的參考依據。

目前，工程界在南沙區已經進行了較多的地質勘察工作，但未對南沙地區復雜地形地質條件下的勘察工作開展系統性和綜合性研究。因此，結合現有勘察方法，通過總結南沙地區復雜地形和地質條件下的巖土工程勘察經驗，為勘察工作提供參考。

1 南沙區域地質特征

1.1 地形地貌

南沙區地處珠江口與伶仃洋的交匯處，由于成因與形態的差異，地貌單元主要有潮間帶地貌、海成地貌和流水地貌等［3］。其中，沖積平原占區內大部分陸地面積，丘陵臺地主要分布在南沙街道區域。

根據研究發現，南沙地區的三角洲在晚始新世晚期初是一個原始的河口，隨著海水退去，陸地逐漸形成，這一過程大約發生在晚更新世末期至全新世早期之間。

根據曾昭璇教授的觀點，南沙區境內的三角洲平原是由西、北江干流經過市橋臺地后的沖積作用形成的，逐漸向海伸展和淤高，形成淤漲型潮坪和淺灘［3-4］。

1.2 地層巖性

南沙區主要由三角洲沖積土形成，有深厚的海陸交互相淤泥軟土廣泛分布。陳小月［5］于2018年經過大量勘察研究發現，南沙區覆蓋層厚度普遍超過40 m，其中廣泛分布的軟土層厚度普遍達20 m。

丘陵臺地主要分布在南沙街道，大多數是白堊系紅色礫巖組成的低丘；其他低洼區則主要由第四紀河口相沉積物組成。由于近海潮位的影響，南沙的地形地質條件相當復雜。

在南沙林場茸鵝山至塘坑，分布有區域內最老的下古生界震旦系片巖、變質砂巖、硅質巖；南沙深灣主要分布有加里東期的混合花崗巖；南沙的黃山臺一帶，以及黃閣的大山乸等地廣泛分布燕山期的細粒～粗粒黑云母花崗巖，也是區域內分布面積最大的基巖。

1.3 地質構造

在南沙區域內，廣泛分布著形成于四紀（迄今約250萬年）以后的第四系晚更新統和全新統沉積物。這一時期，地殼經歷了繼承性升降運動，進入了相對穩定的階段。

南沙主要經歷了加里東、華力西～印支、燕山各期地殼運動，構造頗為復雜。而中生代燕山運動使地臺活化，形成不同方向展布的斷裂。其中發育的斷裂主要有大涌斷裂（F7）、沙灣斷裂（F9）、陳村斷裂（F11）、橫瀝斷裂（F12）、紫坭斷裂（F13）、洪奇瀝斷裂（F14）、南沙-東莞斷裂（F15）等，幾組斷裂帶相互切割，控制了研究區的地貌形態和基底斷塊的形狀［6］（見圖1）。

圖1 1∶50萬廣州市斷裂構造［7］

1.4 地 震

據記載，珠江三角洲地區自公元1045年以來發生的地震有400多次，震級大多較低，破壞力度較小，曾發生過5次不超過6級的破壞性地震。從空間來看，地震主要是沿著3組斷裂發生。北西向斷裂，如沿西江斷裂帶在四會（1445年、1584年）、磨刀門（1905年）發生過4.75～5.5級地震；順德斷裂發生過21次3～4級地震；沙灣斷裂曾發生12次3級地震，2次4級地震；北東向斷裂，如廣從斷裂曾發生4次4.75～5.0級地震；東西向的瘦狗嶺斷裂、廣三斷裂，在廣州曾發生過3～4.75級地震。

2 勘察技術在南沙工程中的應用

2.1 測繪技術

測繪技術是勘察的一種基礎技術，主要用來勘測自然地理、空間位置、地表人工設施形狀等要素。

隨著科技的進步，測繪技術發生了巨大的變化。從傳統的水準測量、角度測量、三角高程測量及距離測量，發展到傾斜攝影測量、三維激光掃描測量、全球定位測量系統、智能測量機器人、遙感測量等；測繪計算從傳統的手算或計算器計算發展到智能軟件運算分析及智能云計算等；從傳統的繪圖板繪圖、CAD簡單制圖到全自動化繪圖及地理信息系統等，行業的發展提高了測繪的精度和效率［8］。

目前，測繪技術在南沙地質勘探、資源調查、土地利用和環境保護等領域獲廣泛應用。通過該技術獲取高精度數據，為勘察、設計、施工及數據分析提供科學依據，提高南沙工程的安全性和數字化建設。

2.2 原位測試技術

在巖土層原本所在位置勘測巖土性質。原位測試的技術原理是：在巖土層所在位置、所處環境的含水量、應力狀態、結構狀態等原始狀態下，進行原位測試，最大程度保證巖土層的工程力學性質指標，提高巖土工程勘察參數的精準。常用的原位測試技術包括標準貫入試驗、靜力觸探、動力觸探、十字板剪切、剪切波速測試、旁壓試驗、靜載試驗等。

由于室內試驗環境與室外勘察環境相差較大，目前南沙工程勘察項目通常會應用原位測試技術。該技術的運用，有效解決了因為理論公式計算往往準確度較差，或過于保守或超出預期的問題。

2.3 巖土鉆探技術

由于研究區第四系分布廣泛且較厚，大部分區域少有地質露頭，且地下隱伏巖性較多，往往需要依靠鉆探獲取基本地質資料。該技術需要利用鉆機、動力機、泥漿泵等專業的地質鉆探設備，以完成對現場巖土層的鉆探施工，其中鉆機是核心設備。

目前，在南沙工程勘察應用巖土鉆探技術的過程中，最常用到的鉆機型號有2種：一是GXY-1、二是XY-2，最常用的鉆探方法是泥漿護壁法和回旋鉆進法的巖芯鉆探法等。

2.4 地球物理方法

目前，針對復雜地形地質條件下的勘察工作，已經發展出多種成熟的地球物理方法，包括淺層地震反射波法（二維和三維）、高密度電法（二維和三維）、地質雷達、被動源面波（微動）、音頻大地電磁等。

目前，高密度電法被廣泛應用于圈定南沙地下水源［9］、查找隱伏斷裂［10］。

音頻大地電磁，通過正演模擬斷層在不同傾角、傾向與電性情況下的視電阻率和阻抗相位擬斷面，在識別南沙深部隱伏構造、盆地斷陷（地塹）方面有較高的分辨率［11-12］。

微動勘探利用布設的臺陣觀測天然場數據，提取地下面波頻散曲線，通過反演獲取地下地層的橫波速度結構信息，具有無損、觀測設備簡單、背景噪音成像、勘探效果明顯的特點，是當下探測南沙隱伏斷裂、覆蓋層厚度及地層分層的新方法［13］。

2.5 GIS技術

針對復雜的地形地質條件，建議靈活運用地理信息系統等先進技術，以達到減輕工作人員壓力，提高勘察工作效率的目的。在南沙工程勘察中，GIS技術已得到廣泛的運用。該技術能夠及時、精準地獲取勘察區域內的空間信息以及其他輔助信息，并借助網絡系統形成三維立體的結構模型，便于勘察人員靈活推進后續勘察工作，為勘察人員了解地形地質情況提供充足的信息支持。

3 南沙勘察工程實踐經驗

工程實踐表明，即便是在南沙同一區域內，也可能存在多種多樣的地質構造情況，復雜的地質條件為后續施工工作有序開展增加了隱形問題。

3.1 單一常規勘察方式無法滿足設計要求

3.1.1 問 題

南沙復雜的地形地質條件下，同一區域內的巖土性質往往也存在著較大的差異。而現實中很多勘察項目通常采用單一常規勘察方式，結果導致勘察成果無法滿足設計和施工的要求。

3.1.2 解決方案及工程實例

近幾年，為了滿足南沙規模化工程建設高速發展的需求，急需把南沙復雜的地形地質條件進行三維建模，而由于南沙地形地質條件的復雜性，采用常規的鉆探揭露后，單一的軟件建模往往效率低且可視化效果差。2020年武漢地質調查局采用綜合勘察方法，如原始鉆探、三維空間集成、多源數據融合，有效集成了整個南沙區域地質信息，并依托南沙三維地質結構模型及信息平臺搭建地質空間數據庫，通過離散光滑插值（DSI）技術構建了三維曲面，并采用半自動建模方式，依據強制約束條件建立了以鉆孔為主、其他信息為輔的三維工程地質模型［14］（見圖2）。

圖2 廣州市南沙區三維結構模型

再如對南沙區主干斷裂-沙灣斷裂帶的研究上，2016年董好剛等［6］通過綜合運用聯合鉆孔驗證、構造解析、淺層地震勘測、斷層活動年代測定、氡氣測量及地質地貌填圖等勘察方法，發現目前該斷裂仍有一定活動性，為后續勘察界對南沙地質的勘察研究提供了重要的依據。

3.2 不同區域同一地層巖土性質的差異性

3.2.1 問 題

在工程界，勘察工作往往會得出在一定區域巖土的性質具有相似性的規律；而不同區域、相同地層的巖土性質差異較大。在工程實踐中，很多勘察人員，包括設計和施工方或業主由于缺乏相關勘察理論知識或經驗，不考慮實際勘察揭露的數據，主觀上把本項目相關參數數值錯誤判定為相鄰或類似項目的參數數值，容易造成后期工程事故的發生。

3.2.2 解決方案及工程實例

地處珠江三角洲沖積平原前緣的南沙區在長期的河流沖積和海潮進退作用下，廣泛沉積了厚度變化大的海陸交互相軟土［15］。由于地質生成環境、地形影響及河道分布的不同，軟土在成層厚度、層理構造和展布深度上均有明顯的差別［16］。

經收集勘察資料總結發現，在龍穴島至萬頃沙至大崗鎮、欖核鎮一帶，軟土層內常常含有厚薄不均的細粉砂層，且分布不均勻。由于河流和海潮的復雜交替作用，淤泥與薄層砂相互交錯沉積，形成不規則的尖滅層或透鏡體夾層結構。而在黃閣鎮至番禺方向則較少有揭露夾雜砂層。

李煥新［16］研究表明，在南沙地區的軟土具有與一般軟土不同的特殊性質，并且在該地區的不同地域內，軟土的性質仍存在一定的差異性。基于以上特征，潘欽生［17］通過對南沙地區的軟土進行大量勘察實踐總結，并于2006年專門對南沙地區的軟土進行了單獨的判定標準：天然孔隙比e＞1；天然含水量接近或大于液限；壓縮模量Es＜4.0 MPa，或標準貫入擊數N＜3，或雙橋靜力觸探錐尖貫入阻力qc＜1.0 MPa，或十字板剪切強度Cu＜30 kPa。該標準的提出為南沙區軟土勘察工程提供了重要參考依據。

3.3 野外地質工作決定勘察成果的質量

3.3.1 問 題

野外地質工程勘察工作是獲取關鍵數據的基礎工作，對于編制高質量的室內勘探報告起著基礎性的作用。如野外原位測試，如果勘察人員操作不當，測試偏差較大，必然會使數據結果失真。

但是，對于南沙復雜地形地質條件的勘察工作中，勘察人員往往對野外地質勘察工作的重要性不夠重視，容易造成野外地質勘察報告質量差，導致后期設計和施工人員難以充分掌握準確的地質信息，對勘察成果影響較大。

3.3.2 解決方案及工程實例

在標準貫入試驗操作中，勘察人員經常會遇到孔深不符合桿長等問題，如果孔底存在縮徑或者殘留等情況，而標貫器沒有落到預先設計的測試位置，標貫擊數都會喪失真實性，從而導致參考標貫擊數判定的巖土層物理力學性質偏差較大，出現一系列設計和施工問題。再如，場地巖土類別與覆蓋層厚度的剪切波速測試分析，往往沒有得到足夠重視，經常對巖土工程相關評價工作造成困擾［18］。

因此，勘察人員應該投入更多的精力到野外，及時獲取不良地質信息，發現并糾正現場問題，使勘察技術能夠更好地發揮其實踐應用價值。

3.4 嚴格執行規范是巖土勘察成敗的關鍵

3.4.1 問 題

參考我國巖土工程勘察相關規范，如果遇到相對復雜的地形地質環境，勘察人員就需要根據實際情況來設置勘測點，局部地質復雜地段需要進行加密勘探，以保證勘察數據的客觀、真實與完整。然而，實際勘察工作中，部分勘察人員沒有嚴格遵循規范要求，未設置足夠的勘測點，容易造成2個勘探點之間的地層相差偏大；且編錄現場信息時缺乏耐心與責任心，數據與實際情況嚴重不符，致使勘察與巖土工程施工失去了參考依據。還有一部分勘察人員專業水平不足，沒有全面了解野外巖土層的性質和特點，僅憑主觀經驗隨意勘測地形地質，這種不規范的行為存在很大的風險和隱患。

3.4.2 解決方案

嚴格的按照規范進行勘察，科學合理判定勘察的深度和間距。在具體應用勘察技術時，建議能夠針對不同類型的地質情況按照規范規定調整勘探的深度，合理調節間距以便充分滿足在復雜程度不同的地形地質條件下的勘察需求。選擇與實際情況更相適宜的勘察技術，有效降低可能在勘探工作中出現的誤差，從而增強勘察的準確性。

3.5 巖土取送樣影響巖土參數的準確性

3.5.1 問 題

巖土取樣和送樣問題中，部分勘察人員只是隨機選取勘探點進行樣本的采集后送實驗室檢測，并沒有全面了解整個勘察區的巖土特點，而巖土性質本身具有很大的離散性，容易導致最終成果的參數選取出現問題。

在實際勘察過程中，部分工作人員未能及時送樣，也并未對巖土樣品進行妥善保存，常常導致檢測結果誤差較大，例如試驗中的含水量檢測結果偏低等情況時有發生，對設計和施工造成了一定的影響［19］。

3.5.2 解決方案

鉆孔取樣過程中，勘察人員應按規范要求采集和保存巖土樣本，及時送實驗室檢測。在室內檢測試驗過程中，需要注意兩點：首先，檢測土樣時，人為主觀因素以及環境、設備等客觀因素都會對檢測結果的準確性產生影響，為了確保檢測數據的客觀性和真實性，勘察人員需要對樣本進行反復多次的檢驗；其次，使用不同的檢測方法對同一批樣本進行檢測，以驗證結果的準確性和一致性。

3.6 掌握先進技術有利于提高勘察效率和質量3.6.1 問 題

復雜地形地質條件下的勘察工作對巖土工程勘察有著更高的要求，然而在實際工作中，很多項目上的勘察仍然采用常規方法，往往滿足不了設計和施工的需求，其成果報告內容偏差也較大。

3.6.2 解決方案及工程實例

復雜地形地質條件下的勘察工作有著較大的難度，需要借助現代化勘查技術。在2018年，陳潔等［20］首次運用國際先進的等離子震源技術，在高精度地震成像的基礎上，成功揭示了南沙海域的第四紀精細地震地質結構。

在2002年，喬紀綱等［4］利用虛擬現實（VR）技術模擬巖層，并結合GIS技術，成功構建了珠江三角洲第四系基底和軟土層（包括橫攔組和燈籠沙組）的數字地形模型（DTM）。這一模型解決了南沙地區地面數據的三維建模和空間分析問題。

2023年，陳松等［21］運用AMT探測方法，利用反演的電性斷面，圈定了花崗巖、紅層砂礫巖的出露范圍，劃分了不同巖性分界面的空間位置，識別出了南沙-東莞斷裂，糾正了區域內此前勘察成果中對區域斷裂的漏判，也對工程界判斷區域斷裂具有重要意義。

再如，中電建成都院在2023年開展的番順圍防洪排澇項目的勘察工作中，針對南沙區大崗鎮深厚軟土的特征，由于電磁波吸收衰減作用明顯，采用常規大地電磁法無法有效劃分第四系厚度。項目部決策后，決定采用常規地震勘探方法探測地層松散沉積層與堅硬基巖的界面深度，為工程選址提供依據。但實踐過程中，無論采用爆破震源還是可控震源車，都會對周邊環境產生較大影響，因未有效解決擾民問題，后被禁止采用。

經過多方法比選后，項目部最終采用先進的微動勘探技術和高密度電法。微動勘探技術利用H/V譜比法曲線峰值頻率，估算土石界面深度［22］，該方法克服了常規地質雷達技術探測深度的有限性，而高密度電阻率法工作手段靈活，測線布置方便，極大節省工期。綜合使用兩種物探方法，并配合鉆探手段，得到的數據通過相互驗證，穩定高效，勘察成果有效確定了基覆界面和軟土頂底界面，為設計和施工提供了依據。

4 結束語

針對南沙復雜的地形地質條件，綜合采用多種科學合理的勘察方法，通過對數據的分類、統計、對比和分析，了解了該區域巖土的分布狀況和性質。而復雜地形的巖土勘察需要先進的技術設備和科學合理的勘察方法，以提高勘察效果和準確性。特別是在南沙地區的復雜地質條件下，設計和施工往往對巖土工程勘察要求較高，面對可能出現的諸多問題，勘察人員需要提升個人素養和專業技術水平，嚴格遵循規范要求，充分發揮主觀能動性；在選擇巖土工程勘察技術時，除了要將已有資料進行集中整合之外，還需要靈活運用現代化的計算機技術，結合實際情況采用科學合理的技術和設備，確保勘察結果客觀準確。未來，勘察人員還需要積極探索適用于南沙區復雜地形地質條件的巖土工程勘察方法，以提高勘察質量和效率，推動南沙區工程建設領域的穩定發展。