綜合航測與踏勘的山嶺隧址區(qū)潛在地質(zhì)災害識別探究

張培興，曹聰慧，劉 帥，徐鐵生，呂曉峰

(1.河北經(jīng)貿(mào)大學管理科學與工程學院，河北 石家莊 050061；2.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023；3.河北地質(zhì)大學，河北 石家莊 050031；4.中鐵上海設(shè)計院集團有限公司天津分院，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)開展，我國現(xiàn)已成為世界上隧道修建規(guī)模與難度最大的國家之一[1-3]，特別是隨著西南地區(qū)大開發(fā)，大批山嶺隧道得以立項建設(shè)，不同程度的地質(zhì)災害層出不窮。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，一些地質(zhì)災害的發(fā)生類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)計施工前期開展必要的地質(zhì)勘察，可有效減少隧道的災害發(fā)生，進而降低隧道建設(shè)成本。

由于開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)略圖標記而后人工現(xiàn)場踏勘為主的勘察方式難于適應(yīng)高等級工程的建設(shè)需要。研究認為，針對結(jié)構(gòu)面優(yōu)先采用航測空中捕獲方式將有助于增強工程場址區(qū)勘察效果與數(shù)據(jù)利用率。潘斌[5]通過在巖體露頭區(qū)勘測的基礎(chǔ)上加入航測影像解譯，建立了多個尺度的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，為后續(xù)巖體穩(wěn)定性及滲流特性精細模擬打下基礎(chǔ)；張培興等[6]初步提出了無人機航測控制引導與地面針對性精細物探聯(lián)合測試思路，并將該思路應(yīng)用于某擬建的花崗巖工程場址邊界斷裂識別及斷裂影響范圍研究中，所獲數(shù)據(jù)與人工現(xiàn)場測量結(jié)果相近；李曉昭等[7]針對隧道區(qū)內(nèi)勘測諸多不利條件，提出了空-地-孔-隧綜合識別技術(shù)，并在甘肅北山花崗巖區(qū)隧道工程開展了全方位的跟蹤探測，顯著提升了現(xiàn)場不同尺度結(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巖溶區(qū)齊岳山隧址區(qū)中潛在的地質(zhì)災害為主要研究目標，在前期地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，以航測與踏勘識別解譯出的結(jié)構(gòu)面跡線信息為基本數(shù)據(jù)源，針對不同尺度結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀進行識別分析，以期為類似隧址區(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。隧道相對平面位置關(guān)系見圖1[8]。

圖1 隧道相對分布

2 航測圖像獲取及數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 航測圖像的來源、效率及利用

航測數(shù)據(jù)源可通過網(wǎng)絡(luò)上開源地圖軟件獲取。目前，大部分數(shù)字地圖軟件可提供較新的清晰航測圖像，其數(shù)據(jù)自開放以來，就不斷進行圖像實時更新，地形辨識精度可達0.6 m，甚至更高。無論航測影像清晰度還是精細度均可滿足本次勘測需求，即搜尋大尺度的結(jié)構(gòu)面跡線后通過跡線產(chǎn)狀信息可實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)面分組識別；通過進一步的區(qū)域級的大尺度結(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，目前利用廣泛開源的三維地球可視化軟件，根據(jù)隧道標記的坐標點，可方便、快速進行查找，通過放大縮小工具欄可對研究區(qū)內(nèi)的宏觀斷裂跡象、重點踏勘區(qū)以及勘測路線進行標記，獲取高清正射影像甚至仿真的三維局部模型等，進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)系快速而準確的追索主要致災構(gòu)造與隧道相對位置。齊岳山隧址區(qū)航測正射影像見圖2。

圖2 齊岳山隧址區(qū)航測正射影像

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)圖件進行現(xiàn)場調(diào)查往往費時費力。因此，確定重點靶區(qū)后，制定更加清晰的勘察路線，可降低人員的勞動強度與大大提高勘測效率。具有如下優(yōu)勢如下：①通過三維游覽模式，可快速制定探勘重點部位，排除可能危及人身安全的危險源。②由于隧道正上方巖體無法完全揭露，可借助航測影像快速鎖定相同層位的良好露頭點，對結(jié)構(gòu)面加以識別。③易于將地質(zhì)層組關(guān)系清晰地在航測影像圖中布置，便于區(qū)分不同層組、不同巖性對裂隙發(fā)育的影響性。通過航測影像放大觀察后快速圈定出的大型良好露頭勘測點見圖3。

圖3 航測影像圈定良好露頭勘測點

結(jié)合齊岳山隧道工程案例實際勘察經(jīng)歷可知，傳統(tǒng)的一次勘察要消耗1整天，且沒有計劃的執(zhí)行過程中。勘測路線航測影像見圖4。首先，從圖4右下角左側(cè)箭頭處出發(fā)，驅(qū)車繞過齊岳山山脊后，抵達隧道出口處所在的德勝槽谷處的勘測點，往往只能實現(xiàn)1～2個勘測點探查；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，勘測路線得以優(yōu)化，在大致相等時間內(nèi)，可以實現(xiàn)5個及以上勘測點的信息捕獲，可極大化降低人力物力的損耗，獲得更佳的勘測效果。

圖4 勘測路線航測影像

2.2 地形地貌及構(gòu)造信息解譯

根據(jù)航測影像以及現(xiàn)場沿線踏勘可知，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。綜合勘測點GPS高程測量與地址資料可知，地表高程在1 100～1 700 m之間，高差可達600 m，地形整體呈波狀起伏。隧道進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)已有資料與補充勘察，隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育齊岳山走向斷裂帶可以進一步劃分出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，對隧道中部工程段具有一定危害性。隧道洞內(nèi)穿越時，受斷層影響，揭露出了蓄水充泥溶腔。②德勝場斷層。與山脈大致平行，順德勝場槽谷發(fā)育，走向約54°，主要沿德勝場槽谷展布出露。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有大型溶洞存在(見圖5)，對本隧道的建設(shè)影響較大，這類大型的溶洞一般為良好匯水區(qū)，尤其在大雨過后，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)定性評價

第4勘察點處，隧道出洞口所在斜坡為53°，坡向為311°，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)定性及判識可能的影響因素。通過隧道洞口附近巖體勘測可知，小尺度結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，初步統(tǒng)計可分為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，對巖體穩(wěn)定性不利，刷方減重方案考慮不充分可能會產(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)面識別的災害判識指標體系

巖土體的地質(zhì)災害的發(fā)生往往離不開不同尺度地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的作用，特別是山嶺區(qū)隧道勘測工作，不同尺度地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的有效識別提取關(guān)系到工程建設(shè)的風險高低。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，特別是當有植被遮蔽等影響時，大量具有研究價值的結(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)場踏勘為主，所依靠的地質(zhì)資料較為粗糙，一些過時地質(zhì)圖冊難于指導現(xiàn)今精細勘察的實際需要。

(3)依托純?nèi)斯し绞剿@得測量的結(jié)構(gòu)面與真實的結(jié)構(gòu)面測量可能有出入，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)問題。

隨著航空器材和攝影機器的發(fā)展，如衛(wèi)星影像、高低空無人機航測技術(shù)等，其現(xiàn)今觀測精度可達厘米級，并且根據(jù)研究區(qū)域的測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傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)面勘測的不足。

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

圖7 基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識別的災害判識指標體系

4 結(jié) 語

本文通過齊岳山隧址區(qū)的航測與踏勘綜合的方法開展了測試性探究工作，在針對類似山嶺區(qū)隧道開展勘察時，建議積極搭建綜合技術(shù)手段保障-基于結(jié)構(gòu)面識別-參數(shù)針對性獲取-災害類型預判環(huán)節(jié)-潛在地質(zhì)災害客觀評價的邏輯思路，得出以下結(jié)論：

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

(2)針對結(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。