岩体结构面多源勘测识别方案构建及应用前景探讨
时间：2023-06-03 15:25:17 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张培兴 ZHANG Pei-xing；
王梦焉 WANG Meng-yan；
刘紫婵 LIU Zi-chan；
牛远达 NIU Yuan-da；
汪猛 WANG Meng；
刘帅 LIU Shuai
（①河北经贸大学管理科学与工程学院，石家庄 050061；
②河北地质大学，石家庄 050031）
不同尺度的岩体结构面（例如断层）广泛分布于地壳当中，是各类工程特别是重大岩体地下工程在开工建设前必须加以甄别并给出避让、注浆加固等建议的一类缺陷[1-4]，对于耗资巨大的工程项目如深长隧道或高放废物处置库更需要精细化甄别结构面特征信息。
周轮等[5]综合宏观地质分析、TSP地震波及地质雷达建立了一套综合地质预报方法，将其成功运用于利万高速谋道连接线齐岳山隧道地质灾害甄别；
李术才等[6]基于立体数码摄像技术，构建了隧道掌子面岩体结构量化表征体系；
李晓昭等[7]建立了一套空中-地表-孔中-隧道隧于一体的隧道致灾构造观测技术，该技术能广泛捕获隧道周边岩体结构面空间分布信息，可以用于隧道地质超前预报与岩体质量评价；
Wang等[8]在靠近断裂的斜巷中基于三维激光扫描展开洞内结构面捕获与特征解译；
罗辉等[9]基于野外勘察和物探工作，综合运用地形数字与地球物探测量等资料，构建出了新疆预选处置库周边岩体大尺度结构面三维地质模型，探明并获得了岩体深部结构面交切组合关系。
综上不难发现，诸如物探、摄影测量等信息化技术已经越来越多地应用于地下工程勘测过程中来。本文以我国某高放废物地质处置预选场址结构面为研究载体，在梳理地形条件的前提下，提出多源勘测识别方案，结合案例初步展示其应用效果，并对其应用前景进行了探讨。
本文所关注的高放废物处置预选区域主要位于我国西北内陆干旱地区，区域内气候呈现干旱少雨特征，植被稀少，人迹罕至。对于高放废物处置预选区域而言，有一些更细化的要求如地下处置库近场5公里范围内无活动断裂，围岩厚度应不小于2千米，将来地下工程主岩为坚硬的花岗岩类（岩性单一、完整），地下水含量少、水力梯度小等[10]。
本文所研究的某高放废物预选场址属于我国西北三大预选区内，经过现场踏勘记录，初步梳理出以下几种类别地形特征，分别是相较平坦露头区、陡坡露头区、露头面上植被覆盖区、潜在断层覆盖区。整体地形主要为一种或多种组合形成的多样复合地形，其中陡坡与覆盖会给结构面人工甄别造成一定程度的困难。几种类别地形现场典型取景如图1所示。
图1 某高放废物预选场址内常见的地形类别
在面对上述多种类型的地形情况下，勘测识别过程本身就对踏勘队员的体力造成不小负担，要保证精细化勘测识别质量则更具挑战。有理由针对上述多样的地形条件引入数字化技术并提出多源勘测识别方案。基于作者等结合地形特征及前期科研经验，按照从空中到地面的顺序，综合卫星、无人机、物探及近景摄影等多源勘测技术，初步构建一套针对多样化地形区域的结构面勘测识别方案，具体如图2所示。
图2 结构面勘测识别方案
本文就提出的勘察方案给出具体操作流程：①首先充分利用遥感卫星，对所研究区域进行边界圈定，对拟建工程平面布局边缘约300米或更远范围内进行重点区带的分区；
②在重点区带的分区的基础上，需要设定无人机的航线航迹。当区带较为平坦且测绘区较大时，宜采用油动型无人机进行低空航测，如碰到陡坡面则注意利用旋翼型无人机补充航测；
③对于重点区带中如涉及到大尺度结构面（密集节理带、断层）判识，可以利用针对性的物探设备展开探测；
④当工程已经进行开挖建设时，则考虑利用近景摄影测量快速跟踪施工掌子面及周围岩体结构面特征。
额外需要说明的是，在②过程中如果要进行陡坡面结构面识别范围较少或数量不大时，也可考虑利用手持式近景摄影测量补测，当碰到露头面植被覆盖时则需要人工针对性补充勘测识别；
在第③过程中应尽可能补充钻探，以便使得物探结果更加可靠。
3.1 边界圈定
本文以网络上开源的卫星影像为底图，校对遥感影像中某预选场址所在区位，考虑避让距离等，圈定出了该研究区域的边界范围。如图3所示，东西两侧以地块中北北东走向的断层为边界线，北侧则以东西走向断层为分界线，南侧以南端存在的北东东走向断层为界，处置预选场址的边界（图3中圆虚线）是否可以扩大有待确定，这需要进一步考虑遥感解译图中的断层是否存在以及断层影响范围等。
图3 某处置库预选场址卫星影像
3.2 重点区带勘测
以处置库预选场址西侧断层为例，划定重点航测区段，即断层右侧露头区域为重点区域，在电子图件中设置1500m×15m的长条形测窗，且测窗沿长度方向垂直于断层布设，各测窗近等间距布设如图4所示。在航测图中测窗范围内，拾取数字化结构面迹线（2点或更多点连线形成一条电子迹线），随后经过结构面的迹长、密度等参数化统计，大体上断层影响范围能够达到200米左右[11]，但也有一些地方断层影响范围不足百米，需整体综合考虑，这便为处置库边界划定与处置库布局设计优化提供了参考依据。
图4 重点区结构面信息提取（据文献[11]修改）
3.3 重点区带断层甄别
为了验证预选处置场址西侧断层是否存在，在综合卫星影像与航测图件确定了物探仪器与物探布设方式后，作者等利用灵敏的物探法对其进行了勘测，物探线沿垂直于该西侧断层走向方向布设，解译结果如图5所示，根据相对低阻区可较易圈定出断层位置，从图中能够清晰获得断层产状、宽度等关键信息。需要注意的是在有钻机的条件下还需要配合针对性的钻探对物探结果进行验证。
图5 隐伏断层甄别（据文献[12]修改）
3.4 开挖掌子面跟踪勘测
在预选区内以某开挖的地下试验巷道为例，采用近景摄影测量的方式，实时跟踪开挖掌子面及巷道璧面上的岩体结构面，以便更好预判岩体失稳类型以及可能的导水路径问题等。如图6所示，前期巷道地表露头重点勘测中岩体在三组结构面作用下易形成碎块，加之近景摄影测量捕获的岩体中存在的缓倾结构面，其开挖巷道通过时，其顶部极易掉块，因此经过时需要挂网加固。
图6 巷道围岩中结构面综合判识
当前，一些重大地质工程场址建设中，不同尺度的结构面识别及其分析愈发重要，特别是面对岩体工程渗流或者岩体稳定问题，识别如果得当，给出恰当的注浆防渗思路或者围岩支护方案，不仅能够节约工程造价，更能为工程长期稳定运行奠定基础。
传统人工结构面观测，受限诸多，特别是一些多样化地形条件下，已经无法适应现代工程建设与运维的实际需求，因此，可以说是需求牵引技术的发展与完善，如遥感影像、无人机、物探及摄影测量技术的单独应用或简单的组合，这类数字化技术已不断被运用于不同尺度结构面识别过程中来，显现出无限潜力，但遗憾的是目前鲜见综合性高，规范化或标准化的多源勘测方案。
应当说明的是，随着诸如深长隧道、高放废物处置库等重大工程持续推进，多样化地形中大量结构面需要细化识别与进一步分析其包含的孕灾信息，以便更好服务于此类工程是发展的必然趋势。我们勘测相关的研究者或技术人员应当抓住机遇，在勘测方案多源勘测识别技术整合与完善升级方面不断发力，同时也要思考数字化信息如何最大化利用。
①以我国西北某高放废物处置库预选场址为研究载体，充分考量了地形条件并进行了分类，初步搭建了一套基于多源勘测技术的整合型结构面勘测识别方案，该技术方案能够按照从宏观到细观的思路，从整体到局部选用匹配技术，进而协助勘测人员尽可能多地捕获相关结构面信息，通过案例展示了其应用效果，最终期望其能为类似重大地下工程勘测提供一些有益参考。②结构面多源勘测识别方案是值得继续深化与完善的，我国地形条件多变，特别是一些重大工程场区地形不单一，急需这类适应性强且不断完善的勘测识别方案发挥作用，能够看出其具有较好的应用前景，值得投入更多的研究精力。
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