齊岳山

第46卷第

10期

2020年10月地質(zhì)與勘測(cè)

水力發(fā)電

綜合航測(cè)與踏勘的山嶺隧址區(qū)

潛在地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別探究

張培興1>2,曹聰慧1,劉帥3,徐鐵生4,呂曉峰1

（1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050061；2.南京大學(xué)地球科學(xué)與

工程學(xué)院，江蘇南京

210023；3.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊050031；

4.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司天津分院，天津300073）

摘要：山嶺隧址區(qū)傳統(tǒng)勘察存在局限性#相關(guān)隧道設(shè)計(jì)考慮并不充分#致使施工及運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害

風(fēng)險(xiǎn)性增大$以齊岳山隧址區(qū)工程為例#在前期地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，借助開(kāi)源的航測(cè)影像優(yōu)化實(shí)地踏勘路線

#提高捕獲地質(zhì)信息的有效性#提出積極構(gòu)建基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系$研究結(jié)果表明#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$

關(guān)鍵詞：山嶺隧址區(qū)；航測(cè)影像；踏勘；結(jié)構(gòu)面

RearchonIdentificationofPotentialGeologicalHazardsinMountainTunnelAreawithComprehensive

Aerial

SurveyandReconnaissance

ZHANGPeixing1,2,

CAO

Conghui1,LIUShuai3,XUTiesheng4,LUXiaofeng1

eofManagementSciencc&Engineering,Hebei

University

of

EconomicsandBusiness,Shijiazhuang050061,

Hebei,China;of

EarthScienccsandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing

210023,Jiangsu,China;

EOUniversity,Shijiazhuang050031,Hebei,China;

nBranch,ChinaRailwayShanghaiDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Tianjin

300073,China)

Abstract:Theamitationsof

traditionalinvestigationinmountaintunnelareaandtheinsufficientccnsiderationintunneldesign

resultintheitheQiyueMountainTunnelsite

projectasanexample,thefieldsurvvyroute

isoptimizedwith

thehelp

of

opensourccaerialirnaaesbadontheanalysisof

preliminarygeelogicatdatatothe

effectivenessofcapturinggeelogicatinformation,andthedisasteridentificationindex

systembadongeelogicatstructuralplaneidentificationis

earchresultsshowthatthe

larae-calestructural

planesare

afaverablechannel

forcatchmentwaterccntrol

inthestudyarea,andtheinterctingformofsmall-calestructural

planesandtheinteractionofrocklayersandslopesincreas

thepossibilityofinstabilityofthesurroundingrockattheentrancc.

KeyWords:mountaintunnelarea;aerialimaae;survey;

structuralplane

中圖分類號(hào)：U452.

1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0559-9342

(2020)10-0052-04

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(kāi)展，我國(guó)現(xiàn)已成為世界上隧道修建規(guī)模與難度

最大的國(guó)家之一*1-+,特別是隨著西南地區(qū)大開(kāi)發(fā)，

大批山嶺隧道得以立項(xiàng)建設(shè)，不同程度的地質(zhì)災(zāi)害

層出不窮$隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，一些地質(zhì)災(zāi)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［41$因此，如能在工程設(shè)計(jì)施工前期開(kāi)展必要的

地質(zhì)勘察，可有效減少隧道的災(zāi)害發(fā)生，進(jìn)而降低

隧道建設(shè)成本$

由于開(kāi)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(biāo)記而后人工現(xiàn)場(chǎng)踏勘為主

收稿日期：2019-0-2

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目

（D2020207003）；河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目（2019QN01

）

作者簡(jiǎn)介：張培興（1988

—）,男,河北滄州人，講師，博士,

主要從事地質(zhì)災(zāi)害勘察、識(shí)別及防治等方面的研究；劉帥（通訊作

者

）?

WatrrPoorrVol.46No.10

第46卷第10期

張培興,等:綜合航測(cè)與踏勘的山嶺隧址區(qū)潛在地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別探究

的勘察方式難于適應(yīng)高等級(jí)工程的建設(shè)需要

。研究

認(rèn)為，針對(duì)結(jié)構(gòu)面優(yōu)先采用航測(cè)空中捕獲方式將有

助于增強(qiáng)工程場(chǎng)址區(qū)勘察效果與數(shù)據(jù)利用率

。潘

斌*5+通過(guò)在巖體露頭區(qū)勘測(cè)的基礎(chǔ)上加入航測(cè)影

像解譯，建立了多個(gè)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(xì)模擬打下基礎(chǔ)；張

培興等*6+初步提出了無(wú)人機(jī)航測(cè)控制引導(dǎo)與地面

針對(duì)性精細(xì)物探聯(lián)合測(cè)試思路，并將該思路應(yīng)用

于某擬建的花崗巖工程場(chǎng)址邊界斷裂識(shí)別及斷裂

影響范圍研究中，所獲數(shù)據(jù)與人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

相近；李曉昭等*7+針對(duì)隧道區(qū)內(nèi)勘測(cè)諸多不利條

件，提出了空-地-孔-隧綜合識(shí)別技術(shù)，并在甘肅

北山花崗巖區(qū)隧道工程開(kāi)展了全方位的跟蹤探

測(cè)，顯著提升了現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)巖溶區(qū)齊岳山隧址區(qū)中潛

在的地質(zhì)災(zāi)害為主要研究目標(biāo)，在前期地質(zhì)資料分

析的基礎(chǔ)上，以航測(cè)與踏勘識(shí)別解譯出的結(jié)構(gòu)面跡

線信息為基本數(shù)據(jù)源，針對(duì)不同尺度結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀

進(jìn)行識(shí)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(wàn)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(duì)平面位置

關(guān)系見(jiàn)圖1*8+。

圖

1

隧道相對(duì)分布

2航測(cè)圖像獲取及數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1航測(cè)圖像的來(lái)源、效率及利用

航測(cè)數(shù)據(jù)源可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)源地圖軟件獲取。

目前，大部分?jǐn)?shù)字地圖軟件可提供較新的清晰航測(cè)

圖像，其數(shù)據(jù)自開(kāi)放以來(lái)，就不斷進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)更

新，地形辨識(shí)精度可達(dá)0.6m

，甚至更高。無(wú)論航

測(cè)影像清晰度還是精細(xì)度均可滿足本次勘測(cè)需求，

即搜尋大尺度的結(jié)構(gòu)面跡線后通過(guò)跡線產(chǎn)狀信息可

實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)面分組識(shí)別

；

通過(guò)進(jìn)一步的區(qū)域級(jí)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(kāi)源的三

維地球可視化軟件，根據(jù)隧道標(biāo)記的坐標(biāo)點(diǎn)，可方

便、快速進(jìn)行查找，通過(guò)放大縮小工具欄可對(duì)研究

區(qū)內(nèi)的宏觀斷裂跡象、重點(diǎn)踏勘區(qū)以及勘測(cè)路線進(jìn)

行標(biāo)記，獲取高清正射影像甚至仿真的三維局部模

型等，進(jìn)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(zhǔn)確的追索主要致

災(zāi)構(gòu)造與隧道相對(duì)位置。齊岳山隧址區(qū)航測(cè)正射影

像見(jiàn)圖2。

圖

2齊岳山隧址區(qū)航測(cè)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(duì)

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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力

。

因此，確定重點(diǎn)

靶區(qū)后，制定更加清晰的勘察路線，

可降低人員的

勞動(dòng)強(qiáng)度與大大提高勘測(cè)效率。具有如下優(yōu)勢(shì)如下:

①通過(guò)三維游覽模式，可快速制定探勘重點(diǎn)部位，

排除可能危及人身安全的危險(xiǎn)源。②由于隧道正上

方巖體無(wú)法完全揭露，可借助航測(cè)影像快速鎖定相

同層位的良好露頭點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)面加以識(shí)別。③易于

將地質(zhì)層組關(guān)系清晰地在航測(cè)影像圖中布置

，便于

區(qū)分不同層組、不同巖性對(duì)裂隙發(fā)育的影響性。

通

過(guò)航測(cè)影像放大觀察后快速圈定出的大型良好露頭

勘測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖3。

結(jié)合齊岳山隧道工程案例實(shí)際勘察經(jīng)歷可知，

傳統(tǒng)的一次勘察要消耗1

整天，且沒(méi)有計(jì)劃的執(zhí)行

過(guò)程中

。勘測(cè)路線航測(cè)影像見(jiàn)圖4。首先，從圖4右

下角左側(cè)箭頭處出發(fā)，驅(qū)車?yán)@過(guò)齊岳山山脊后，抵

達(dá)隧道出口處所在的德勝槽谷處的勘測(cè)點(diǎn)，往往只

能實(shí)現(xiàn)1?2個(gè)勘測(cè)點(diǎn)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(cè)

WatrrPoorrVol.46No.1053

水力發(fā)電

2020年10月

圖3航測(cè)影像圈定良好露頭勘測(cè)點(diǎn)

路線得以優(yōu)化，在大致相等時(shí)間內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)5個(gè)

及以上勘測(cè)點(diǎn)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(cè)效果。

詔勘測(cè)

第3勘測(cè)點(diǎn)

第T勘測(cè)點(diǎn)

第2勘測(cè)爲(wèi)

'第5勘測(cè)點(diǎn)

V

直穿隧道，優(yōu)化

9后的勘測(cè)出發(fā)點(diǎn).

（1天內(nèi)實(shí)現(xiàn)5個(gè)

及以上測(cè)點(diǎn)勘察）

傳統(tǒng)形勢(shì)下的勘測(cè)出發(fā)點(diǎn)（1天內(nèi)

僅能視線1?2個(gè)測(cè)點(diǎn)勘察

）

需要坐

車上山繞道費(fèi)時(shí)費(fèi)力

圖4勘測(cè)路線航測(cè)影像

2.2地形地貌及構(gòu)造信息解譯

根據(jù)航測(cè)影像以及現(xiàn)場(chǎng)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(cè)點(diǎn)GPS高程測(cè)量與地址資料

可知，地表高程在1100

?1700m之間，高差可達(dá)

600m，地形整體呈波狀起伏$隧道進(jìn)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(bǔ)充勘察

，隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育齊岳

山走向斷裂帶可以進(jìn)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(duì)隧道中部工程段具有一定危害性$隧道洞

內(nèi)穿越時(shí)，受斷層影響，揭露出了蓄水充泥溶腔$

②德勝場(chǎng)斷層$與山脈大致平行，順德勝場(chǎng)槽谷發(fā)

育，走向約54°，主要沿德勝場(chǎng)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(jiàn)有大型溶洞存在（見(jiàn)圖5），

對(duì)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(guò)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(píng)價(jià)

第4勘察點(diǎn)處，隧道出洞口所在斜坡為53°，坡

向?yàn)?/p>

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(shí)可能的影響因素$通過(guò)隧道洞口附近巖

體勘測(cè)可知

，小尺度結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，

初步統(tǒng)計(jì)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(guò)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(duì)巖體穩(wěn)定性不利，

刷方減重方案考慮不充分可能會(huì)產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象，需

引起注意$隧道出口附近巖體節(jié)理赤平投影見(jiàn)圖6$

N

S

圖6隧道出口節(jié)理赤平投影

WatrrPoorrVol.46No.10

第46卷第10期

張培興，等:綜合航測(cè)與踏勘的山嶺隧址區(qū)潛在地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別探究

3基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系

巖土體的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往離不開(kāi)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(cè)工作，

不同尺度地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的有效識(shí)別提取關(guān)系到工程建

設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)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(dāng)有植

被遮蔽等影響時(shí)，大量具有研究?jī)r(jià)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(chǎng)踏勘為主，所依靠的地質(zhì)資料較為粗糙，一

些過(guò)時(shí)地質(zhì)圖冊(cè)難于指導(dǎo)現(xiàn)今精細(xì)勘察的實(shí)際需要$

(3)依托純?nèi)斯し绞剿@得測(cè)量的結(jié)構(gòu)面與真

實(shí)的結(jié)構(gòu)面測(cè)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(wèn)題$

隨著航空器材和攝影機(jī)器的發(fā)展

，如衛(wèi)星影像、

高低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)等，其現(xiàn)今觀測(cè)精度可達(dá)厘

米級(jí)，并且根據(jù)研究區(qū)域的測(cè)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(bǔ)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)面勘測(cè)的不足$

因此，本文建議針對(duì)山嶺隧道工程，應(yīng)優(yōu)先充

分利用航測(cè)技術(shù)進(jìn)行全方位的探查

，輔以相關(guān)的地

質(zhì)資料，在綜合航測(cè)與踏勘的基礎(chǔ)上

，應(yīng)重點(diǎn)完善

基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系研究，即

從結(jié)構(gòu)面參數(shù)(如產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)及密度)等信息提取出

發(fā)，而后圍繞著不同災(zāi)害類型判斷的實(shí)際需要

，建

立起參數(shù)與災(zāi)害類型之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，建立相應(yīng)的

標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行更加有效的研究區(qū)完整的潛在地質(zhì)災(zāi)害

的客觀評(píng)價(jià)

，初步形成研究方法邏輯思路$基于地

質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系見(jiàn)圖7$

綜合航測(cè)

與踏勘的―

技術(shù)手段

結(jié)構(gòu)面跡線

的識(shí)別

參數(shù)獲取災(zāi)書類型預(yù)判

注意

：數(shù)據(jù)樣本充注意：充分討

足與否

、正確與否論、反復(fù)査驗(yàn)

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)齊岳山隧址區(qū)的航測(cè)與踏勘綜合的方

法開(kāi)展了測(cè)試性探究工作，在針對(duì)類似山嶺區(qū)隧道

開(kāi)展勘察時(shí)，建議積極搭建綜合技術(shù)手段保障-基于

結(jié)構(gòu)面識(shí)別-參數(shù)針對(duì)性獲取-災(zāi)害類型預(yù)判環(huán)節(jié)-潛

在地質(zhì)災(zāi)害客觀評(píng)價(jià)的邏輯思路，得出以下結(jié)論：

(1)進(jìn)行大區(qū)域工程勘察時(shí)，

在有條件的前提

下，

應(yīng)首先考慮利用好高清的航測(cè)影像

；如針對(duì)特

定測(cè)區(qū)，

還可優(yōu)先考慮精度更高的低空無(wú)人機(jī)

，凸

顯更多地質(zhì)細(xì)節(jié)，盡量避免漫無(wú)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(duì)其進(jìn)行重

點(diǎn)識(shí)別解譯

，

進(jìn)而使得后續(xù)的踏勘工作更具有針對(duì)

性，獲取成果更為直接，減少無(wú)效追索$

(2)

針對(duì)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$

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(責(zé)任編輯楊健)

圖7基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別的災(zāi)害判識(shí)指標(biāo)體系

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46No.10