三維遙感技術(shù)在十宜鐵路地質(zhì)選線中的應(yīng)用

馮光勝

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063）

三維遙感技術(shù)在十宜鐵路地質(zhì)選線中的應(yīng)用

馮光勝

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063）

介紹如何利用遙感技術(shù)生成的三維可視化圖進行相關(guān)的地質(zhì)要素判讀和鐵路選線，分析對比線路工程地質(zhì)條件，有一定的實際應(yīng)用參考價值。

十宜鐵路；遙感；三維可視化；鐵路選線

隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感圖像宏觀、逼真、直觀、豐富的信息為鐵路、公路工程地質(zhì)選線、工程可行性研究、路線工程地質(zhì)條件評價提供了有利條件[1]。而三維遙感可視化技術(shù)能再現(xiàn)工作區(qū)的真實三維場景，真實反映地形地物、地貌地質(zhì)狀況，具有直觀性、操作性強和可視化等特點。能快速有效查明線路沿線的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和不良地質(zhì)等，為復(fù)雜山區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線及優(yōu)化線路方案提供更高效、快捷的工具[]。

十宜鐵路位于鄂西北山區(qū)，走廊帶地勢險峻、交通極其困難、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，且工期短、任務(wù)緊。因此利用基于WebGIS平臺開發(fā)的三維遙感可視化技術(shù)結(jié)合高分辨率遙感影像（Alos、SPOT和QuickBird）進行三維解譯，快速查清沿線區(qū)域地質(zhì)、地層巖性及重大不良地質(zhì)體等，為方案比選和快速穩(wěn)定方案提供可靠的大比例工程地質(zhì)資料。

1 區(qū)域概況

十宜鐵路起于十堰，經(jīng)房縣、興山、三峽止于宜昌，線路全長約250 km?？傮w走向SN向，自北向南橫穿大巴山山脈東端之武當(dāng)山、神農(nóng)架－荊山兩大山系。沿線地勢險峻、河谷深切、交通極其困難、橋隧比達90%以上。測區(qū)構(gòu)造作用強烈，先后經(jīng)歷了揚子、加里東、華西-印支、燕山-喜山等構(gòu)造旋回的演化[3]。測區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有NW、NWW、NE、NEE及EW向斷裂構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地層出露較全，自元古界-新生代地層均有分布?？扇軒r大面積出露，巖溶較發(fā)育，滑坡、崩塌等不良地質(zhì)體多見，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

2 工程地質(zhì)三維遙感可視化解譯分析

2.1 遙感數(shù)據(jù)處理

本次遙感解譯數(shù)據(jù)源為ETM、SPOT、Alos和Quick-Bird等，對影像進行了最有利工程地質(zhì)解譯標(biāo)志的判識的波段組合，如 ETM 543+8、SPOT432+Pan假彩色合成等。其中ETM用于大面積遙感解譯，SPOT、Alos和QuickBird等高分辨率影像校正、融合后，主要用于方案沿線的帶狀遙感解譯。

2.2 三維遙感模型的建立

利用矢量化1:50 000地形圖生成DEM三維地形模型，制作ETM、Alos和SPOT假彩色影像作為三維表面的紋理信息。將線路方案、區(qū)域地質(zhì)資料、地理信息等以圖層方式疊加至三維表面上，構(gòu)建真實的三維可視化工程地質(zhì)遙感模型。從而反演測區(qū)實景，對研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、不良地質(zhì)等進行全面的解譯、分析和評價。

2.3 地形地貌

十宜鐵路沿線多屬構(gòu)造溶蝕-侵蝕中、低山區(qū)及丘陵區(qū)，根據(jù)沿線各段的平均高程值及地貌影像特征，將線路沿線地貌劃分為丘陵區(qū)（Ⅱ）、低山區(qū)（Ⅲ）和中山區(qū)（Ⅳ）三大地貌單元類型，每個地貌單元又進一步劃分為兩個次級單元類型。各地貌單元類型及影像特征見表1。

表1 地貌單元分區(qū)表

2.4 工程地質(zhì)巖組解譯

測區(qū)地層發(fā)育較全，自元古代－新生代地層均有出露，根據(jù)不同成因、不同成分巖石的影像特征，結(jié)合地質(zhì)體解譯標(biāo)志，將測區(qū)內(nèi)的巖層劃分為碎屑巖巖組、碳酸鹽巖巖組、變質(zhì)巖巖組及花崗巖等工程地質(zhì)巖組。其中碎屑巖巖組包括志留系的砂頁巖、侏羅系的含煤砂礫巖及白堊-老三系紅層等，地貌上多構(gòu)成低山丘陵區(qū)。碳酸鹽巖巖組包括震旦系、寒武系、奧陶系、泥盆系、二疊系及三疊系等白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r等，影像上多呈橘子皮狀紋理特征，巖溶較發(fā)育，多構(gòu)成溶蝕溝谷、峰丘洼地等巖溶地貌。變質(zhì)巖巖組主要為元古界武當(dāng)群的中、淺變質(zhì)巖系，主要分布于區(qū)內(nèi)青峰大斷裂以北的地區(qū)，多構(gòu)成中低山地貌?；◢弾r巖組主包括黃陵花崗巖及閃長巖，主要分布于黃陵背斜核部，即大老嶺一帶，影像特征明顯，易于與其他巖組分開，地貌上多構(gòu)成中低山區(qū)。

2.5 地質(zhì)構(gòu)造解譯

測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極其發(fā)育，根據(jù)斷裂構(gòu)造的色調(diào)、形狀（如斷層崖和斷層三角面等[4]）等直接判讀標(biāo)志及地層和巖體被錯斷、地貌形態(tài)及其差異、水系格局及其演變、泉水出露的展布等間接判讀標(biāo)志[5]，提取了測區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造，并對斷裂構(gòu)造的分布及走向特征、斷層性質(zhì)等分析[6]，根據(jù)分析結(jié)果，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要有NE、NNE、NW、NWW及EW向斷裂，這些斷裂構(gòu)造具有以下特征：深、大斷裂以一條或幾條主干斷裂為主，伴隨多條平行斷層，組成斷裂帶；斷裂帶寬幾公里至幾十公里不等，其中，主干斷裂破碎帶寬度一般在30～150 m。

基于工程地質(zhì)條件考慮，對線路有較大影響的深大斷裂主要4條，其特征分別如下：

1）白河－石花街大斷裂（RF1及其平行的一組斷層）：位于線路起點的武當(dāng)復(fù)背斜與兩隕復(fù)背斜交接處，總體呈北西向延伸，西至陜西白河，東至茨河。影像上斷裂線性特征顯示清楚，地貌上沿斷裂多見斷裂谷地和斷層陡崖，見圖1。該斷裂由一系列平行密集斷層組成，其中主干斷裂破碎帶寬約150m。該斷裂控制著元古代-古生代的沉積、火山噴發(fā)和花

崗巖的侵入。

圖1 白河-石花街斷裂及斷層陡崖

2）青峰大斷裂（RF2及其平行的一組構(gòu)造）：走向 NEE-EW，為一區(qū)域性大斷裂，亦為秦嶺褶皺系和揚子準(zhǔn)地臺的分界線，由一系列沖斷層組成。區(qū)內(nèi)分布于青峰-房縣一線，控制著第三系紅色斷陷盆地的分布，影響著南河水系的發(fā)育。影像上線性延伸反映清晰。

3）陽日灣大斷裂（RF3）：為一壓性斷裂，呈WE向延伸，由多條近平行斷裂組成，沿斷裂擠壓破碎明顯，分布于區(qū)內(nèi)陽日鎮(zhèn)附近。該斷裂將南北分割成兩個顯著不同的形變區(qū)域，北部為緊密線狀褶皺及沖斷層發(fā)育，南部地層產(chǎn)狀平緩多為正常褶皺。該斷裂控制著南河水系的發(fā)育。

4）新華大斷裂（RF4）：大體呈NNE向，該斷裂北抵青峰大斷裂，向南經(jīng)秭歸、長陽背斜轉(zhuǎn)折處，與來鳳斷裂相接。形成于燕山期，壓剪性明顯，控制著白俄系紅盆的形成和發(fā)展及香溪河的發(fā)育。斷裂交于線位AK160處，破碎帶寬約120m，影像特征明顯，見圖2。

圖2 新華斷裂三維顯示

2.6 不良地質(zhì)解譯

測區(qū)地勢陡峻、構(gòu)造發(fā)育、可溶巖分布廣泛，故巖溶、巖堆、滑坡及崩塌等不良地質(zhì)體較發(fā)育。

1）巖溶：測區(qū)可溶巖分布較廣，巖溶較發(fā)育?？扇軒r巖性主要為震旦系的白云巖、寒武-奧陶系的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，及三疊系的厚層灰?guī)r等，其中以三疊系灰?guī)r巖溶最為發(fā)育，溶槽、溶溝、落水洞、溶洞、暗河等均有發(fā)育，見圖3、4，對工程地質(zhì)選線影響較大。

圖3 仙女山隧道出口右側(cè)490 m處暗河

圖4 仙女山隧道巖溶落水洞（直徑10 m）

2）山體變形：通過遙感解譯，發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)有較多大小規(guī)模不等的滑坡、崩塌、巖堆等不良地質(zhì)體發(fā)育。其中滑坡主要分布于山體坡腳緩坡、河流沿岸，尤其是陡崖下緩坡地段，見圖5，崩塌及危巖、落石主要分布在峽谷陡崖、山體斜坡陡崖地段，見圖6。這些不良地質(zhì)體對方案的選擇有著重要的影響，選線過程中應(yīng)予以繞避。

圖5 葉家山隧道滑坡

圖6 AK168左40 m處崩塌堆積

3 線路工程地質(zhì)條件比選及結(jié)果分析

十宜鐵路沿線地勢陡峻、河谷深切，地質(zhì)條件復(fù)雜，因此線路方案比選需考慮的因素有：①巖溶發(fā)育程度及穿越巖溶發(fā)育區(qū)的線路長短；②過大斷裂帶的寬窄；③次級斷層對線路的影響，特別是巖溶隧道的斷層；④所經(jīng)地層巖性的軟硬及風(fēng)化破碎程度；⑤滑坡、崩塌、堆積體等不良地質(zhì)及特殊巖土的影響等?；谝陨蠋c，十宜鐵路的重點選線地段主要為十堰-三峽段，該段又可分為三段進行方案比選。

3.1 十堰－房縣、青峰段

線路走行于大巴山山脈東端的武當(dāng)山區(qū)，沿線巖性主要為元古界-震旦系的中、淺變質(zhì)巖系。該段巖性相對較好，但巖性偏軟易風(fēng)化，地表覆蓋層較厚，滑坡、溜坍及堆積體等不良地質(zhì)較發(fā)育。AK方案自十堰六里坪車站引出后，經(jīng)武當(dāng)山東、葫蘆堡至青峰鎮(zhèn)以東。該段有三大比較方案，即AⅠK、AⅡK和AⅢK方案。各方案工程地質(zhì)條件基本相近，但 AK方案線路最長，平面條件亦差，且沿線多處有滑坡、溜坍等不良地質(zhì)體發(fā)育，工程地質(zhì)條件較差。AⅠK和AⅡK方案線路長度及平面條件基本相同，但均為長隧道方案，工程量大，且隧道進、出口均有不良地質(zhì)體發(fā)育，工程地質(zhì)條件一般。而 AⅢK方案線路最短，平面條件亦好，線路基本以短隧道群通過，工程量相對較小。雖局部有不良地質(zhì)體發(fā)育，但優(yōu)化后基本可予以繞避，工程地質(zhì)條件較其他方案為優(yōu)（見圖7）。通過多方案比較，認為 AⅢK方案為最優(yōu)方案，建議將改方案作為推薦方案，后經(jīng)專家論證一致通過，將該方案作為推薦方案，取代原AK方案。

圖7 十堰—三峽段方案比選前線位

3.2 房縣、青峰—興山段

線路自房縣、青峰引出，經(jīng)馬橋鎮(zhèn)后至興山縣。沿線巖性主要為元古界-震旦系的白云巖、硅質(zhì)巖，寒武-奧陶系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及志留系砂頁巖等。其中寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶較發(fā)育，是控制該段地質(zhì)選線的重要因素之一。該段主要有三大比選方案，其中 AK方案主要走行于新華大斷裂以東地區(qū)，沿線多為寒武-奧陶系的碳酸鹽巖，巖溶較發(fā)育，工程地質(zhì)條件較差，且線路長，平面條件亦差。AⅠK方案較之AK方案，雖線路長度、平面條件均較AK方案好，但該方案基本沿新華大斷裂而行，斷裂帶巖性破碎，滑坡、崩塌、堆積體等不良地質(zhì)發(fā)育，且?guī)r溶亦發(fā)育，故工程地質(zhì)條件較AK方案差。AⅡK方案自房縣引出后，經(jīng)馬橋鎮(zhèn)至興山縣，該方案雖房縣-馬橋段工程地質(zhì)條件較好，沿線主要為元古界-震旦系白云巖和硅質(zhì)巖，巖性較堅且?guī)r溶不發(fā)育，但馬橋-興山段與AⅠK方案相似，基本平行新華大斷裂而行，工程地質(zhì)條件較差。如該方案馬橋-興山段向西適當(dāng)偏移，繞避新華大斷裂則更好。經(jīng)過多方案比較后，遙感推薦了由房縣-陽日鎮(zhèn)-興山方案（見圖 9），該方案基本行走于元古界-震旦系的白云巖和硅質(zhì)巖地層中，白云巖巖溶不發(fā)育，工程地質(zhì)條件較好。該建議得到了專家的一致贊同。

3.3 興山—三峽段

線路基本行走在香溪河?xùn)|岸的中低山區(qū)，沿線巖性主要為震旦-奧陶系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，志留系砂頁巖及燕山期花崗巖等。該段主要有二大比較方案，即繞避大老嶺方案和穿花崗巖巖體方案，其中繞避大老嶺方案主要行走在志留系的碎屑巖地層中，巖性尚可，但線路較長，平面條件相對較差，且?guī)r性偏軟變形較大，易風(fēng)化剝落，沿線多處有滑坡、溜坍及堆積體等不良地質(zhì)體發(fā)育。穿花崗巖巖體方案雖局部巖溶發(fā)育，但總體巖性較好，且線路短、平面好、工程造價低。遙感通過方案的分析、比選，從而肯定了穿花崗巖巖體方案（圖8）。

圖8 方案比選后線位

4 結(jié) 語

十宜鐵路工期短，任務(wù)緊，加上地勢陡峻，地質(zhì)條件復(fù)雜，利用常規(guī)手段來進行工程地質(zhì)選線難以完成。本次利用三維遙感可視化技術(shù)結(jié)合高分辨率影像進行三維遙感工程地質(zhì)選線，完成全線1:5萬工程地質(zhì)解譯，加深地質(zhì)工作范圍完成1:1萬工程地質(zhì)解譯?；静槊髁搜鼐€地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)體的發(fā)育、分布情況，以及斷裂帶的寬度、不良地質(zhì)體的規(guī)模大小等，為工程地質(zhì)選線提供了高精度、大比例的工程地質(zhì)調(diào)查資料。同時經(jīng)多方案的工程地質(zhì)比選，選出了最佳方案，達到短時間內(nèi)穩(wěn)定方案、縮短選線周期的目的。該方法較之以往遙感大面積選線，實現(xiàn)了由平面到立體、定性化解譯到定量化解譯的飛躍，為工程地質(zhì)選線準(zhǔn)確地提供了地質(zhì)資料，值得進一步研究和推廣應(yīng)用。

[1] 卓寶熙.遙感原理和工程地質(zhì)解譯[M].北京：中國鐵道出版社，1995

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App lication of Remote Sensing Technique to Geological Route Selection of Shiyan-Yichang Railway

FENG Guangsheng
(China Rail way Si Yuan Su rvey and De sign Group Co.,Ltd.，Wu han 430063,China)

The thesisintroduced how touse remotesensing interpretationof the relatedgeological factor and geological route selection of railway by useof 3D visualized image which produced by remote sensing technique,itanalyzed and contrasted the engineering geological condition of railway.It has an certain reference value for actual application.

Shi-Yi railway；remote sensing；3D visualization；geological route selection of railway

2009-08-03

項目來源：鐵道部科研項目（2008K08）。

P237

B

1672-4623(2010)02-0096-004

馮光勝，碩士，主要從事工程地質(zhì)遙感工作。