巖體結構面多源勘測識別方案構建及應用前景探討

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)大學管理科學與工程學院，石家莊 050061；②河北地質(zhì)大學，石家莊 050031）

0 引言

不同尺度的巖體結構面（例如斷層）廣泛分布于地殼當中，是各類工程特別是重大巖體地下工程在開工建設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構面特征信息。

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)災害甄別；李術才等[6]基于立體數(shù)碼攝像技術，構建了隧道掌子面巖體結構量化表征體系；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構造觀測技術，該技術能廣泛捕獲隧道周邊巖體結構面空間分布信息，可以用于隧道地質(zhì)超前預報與巖體質(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)結構面捕獲與特征解譯；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，構建出了新疆預選處置庫周邊巖體大尺度結構面三維地質(zhì)模型，探明并獲得了巖體深部結構面交切組合關系。

綜上不難發(fā)現(xiàn)，諸如物探、攝影測量等信息化技術已經(jīng)越來越多地應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)處置預選場址結構面為研究載體，在梳理地形條件的前提下，提出多源勘測識別方案，結合案例初步展示其應用效果，并對其應用前景進行了探討。

1 研究背景及地形分類

本文所關注的高放廢物處置預選區(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選場址屬于我國西北三大預選區(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合地形，其中陡坡與覆蓋會給結構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 某高放廢物預選場址內(nèi)常見的地形類別

2 多源勘測識別方案構建

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，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)字化技術并提出多源勘測識別方案?；谧髡叩冉Y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，初步構建一套針對多樣化地形區(qū)域的結構面勘測識別方案，具體如圖2所示。

圖2 結構面勘測識別方案

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)的基礎上，需要設定無人機的航線航跡。當區(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構面（密集節(jié)理帶、斷層）判識，可以利用針對性的物探設備展開探測；④當工程已經(jīng)進行開挖建設時，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構面特征。

額外需要說明的是，在②過程中如果要進行陡坡面結構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過程中應盡可能補充鉆探，以便使得物探結果更加可靠。

3 應用案例

3.1 邊界圈定

本文以網(wǎng)絡上開源的衛(wèi)星影像為底圖，校對遙感影像中某預選場址所在區(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 某處置庫預選場址衛(wèi)星影像

3.2 重點區(qū)帶勘測

以處置庫預選場址西側(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，在電子圖件中設置1500m×15m的長條形測窗，且測窗沿長度方向垂直于斷層布設，各測窗近等間距布設如圖4所示。在航測圖中測窗范圍內(nèi)，拾取數(shù)字化結構面跡線（2點或更多點連線形成一條電子跡線），隨后經(jīng)過結構面的跡長、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計優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

圖4 重點區(qū)結構面信息提?。〒?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，解譯結果如圖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構面，以便更好預判巖體失穩(wěn)類型以及可能的導水路徑問題等。如圖6所示，前期巷道地表露頭重點勘測中巖體在三組結構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構面，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 巷道圍巖中結構面綜合判識

4 前景討論

當前，一些重大地質(zhì)工程場址建設中，不同尺度的結構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，給出恰當?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。

傳統(tǒng)人工結構面觀測，受限諸多，特別是一些多樣化地形條件下，已經(jīng)無法適應現(xiàn)代工程建設與運維的實際需求，因此，可以說是需求牽引技術的發(fā)展與完善，如遙感影像、無人機、物探及攝影測量技術的單獨應用或簡單的組合，這類數(shù)字化技術已不斷被運用于不同尺度結構面識別過程中來，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。

應當說明的是，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構面需要細化識別與進一步分析其包含的孕災信息，以便更好服務于此類工程是發(fā)展的必然趨勢。我們勘測相關的研究者或技術人員應當抓住機遇，在勘測方案多源勘測識別技術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 結語

①以我國西北某高放廢物處置庫預選場址為研究載體，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的整合型結構面勘測識別方案，該技術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，進而協(xié)助勘測人員盡可能多地捕獲相關結構面信息，通過案例展示了其應用效果，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結構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用前景，值得投入更多的研究精力。