重載鐵路復(fù)雜斷裂構(gòu)造區(qū)遙感地質(zhì)選線

謝 猛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

瓦日鐵路是我國(guó)國(guó)家鐵路網(wǎng)規(guī)劃的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目、“西煤東運(yùn)”的重要能源運(yùn)輸通道，對(duì)確保國(guó)家能源供應(yīng)，支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。同時(shí)，也是我國(guó)第一條按照30t軸重設(shè)計(jì)的高標(biāo)準(zhǔn)重載鐵路[1-2]。線路在山東省境內(nèi)橫穿我國(guó)東部最大的活動(dòng)斷裂——郯廬斷裂的中段“沂沭斷裂帶”，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是控制該段線路方案的關(guān)鍵因素[3-4]。

30 t軸重的重載鐵路選線在我國(guó)尚屬首次，選線質(zhì)量直接關(guān)系到鐵路工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的安全[2，5]，尤其是在沂沭斷裂帶這樣的復(fù)雜斷裂構(gòu)造區(qū)內(nèi)，必須堅(jiān)持地質(zhì)選線的3個(gè)原則[6-7]。

(1)線路應(yīng)繞避全新世活動(dòng)斷裂及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍的區(qū)域，如無(wú)法繞避，應(yīng)在其較窄處以大交角通過(guò)。

(2)重點(diǎn)工程應(yīng)置于“安全島”內(nèi)。

(3)線路應(yīng)繞避重大不良地質(zhì)地段。

由于方案研究區(qū)位于以隱伏斷裂為主的區(qū)域內(nèi)[8-9]，給地面調(diào)查和其他勘探工作帶來(lái)很大困難。因此，在選線中引入遙感技術(shù)，充分發(fā)揮其“廣域、快速、多源”的特點(diǎn)，開(kāi)展以遙感構(gòu)造解譯為先導(dǎo)的地質(zhì)選線[10-11]。

1 遙感數(shù)據(jù)選擇和處理

1.1 遙感數(shù)據(jù)選擇

根據(jù)踏勘、初測(cè)階段的選線要求，選擇不同層次的遙感數(shù)據(jù)組合。

第一層次是航天遙感數(shù)據(jù)，選用美國(guó)陸地資源衛(wèi)星Landsat 8遙感數(shù)據(jù)，屬宏觀信息；第二層次是小比例尺航片，屬中觀信息；第三層次是大比例尺航片，屬微觀信息。表1為不同選線階段的遙感數(shù)據(jù)組合和解譯目標(biāo)。

表1 不同選線階段的遙感數(shù)據(jù)組合和解譯目標(biāo)

1.2 遙感數(shù)據(jù)處理

為提高解譯效果，對(duì)Landsat 8遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)解譯目標(biāo)的特點(diǎn)選擇恰當(dāng)?shù)膱D像處理方法。

1.2.1 多光譜圖像波段組合選擇

考慮Landsat 8遙感數(shù)據(jù)不同波段組合對(duì)應(yīng)的OIF指數(shù)、各波段的主要作用及不同波段之間的相關(guān)性，選擇第7、第5、第4波段進(jìn)行合成[12-13]。

1.2.2 圖像增強(qiáng)及融合

(1)圖像融合之前，對(duì)參與融合的各個(gè)單波段圖像進(jìn)行去霾和降噪處理，降低圖像的模糊度和去除噪聲[14]。

(2)采用基于主成分分析的真彩色融合方法，將第7、第5、第4波段合成后的圖像與第8波段的全色圖像進(jìn)行融合[15]，見(jiàn)圖1。

圖1 Landsat 8遙感數(shù)據(jù)處理流程

融合后的圖像既保持了多光譜圖像的光譜信息，又具有15 m空間分辨率圖像的空間信息，同時(shí)獲得了與地物色調(diào)基本一致的自然色彩。

(3)對(duì)融合后的圖像進(jìn)行傅里葉變換，在頻率域內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理后，再將圖像變換為空間域的彩色圖像，使圖像中的巖性和構(gòu)造等地質(zhì)信息得到增強(qiáng)[16]。

處理后的圖像層次豐富、色彩真實(shí)、紋理細(xì)膩，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷裂構(gòu)造具有良好的解譯效果。此外，為了突出特定的解譯目標(biāo)，還選擇了有針對(duì)性的圖像處理方法，具體方法在后面的論述中提到。

2 斷裂構(gòu)造遙感解譯

2.1 主干斷裂解譯

沂沭斷裂帶產(chǎn)生于太古代，一直活動(dòng)至今，由5條主干斷裂組成[3-4]，從東到西依次為昌邑—大店斷裂(F1)、安丘—莒縣斷裂(F5)、白芬子—浮來(lái)山斷裂(F2)、沂水—湯頭斷裂(F3)、葛溝—鄌郚斷裂(F4)。5條斷裂在第四紀(jì)均有不同程度的活動(dòng)，更新世晚期及全新世以來(lái)，F(xiàn)5斷裂活動(dòng)最明顯[3，17]。

Landsat 8遙感圖像上，研究區(qū)內(nèi)沭斷裂帶“兩塹夾一壘”的構(gòu)造格架醒目[7，17]，各主干斷裂兩側(cè)由于地貌形態(tài)和巖性的差異，色調(diào)反差大，不同色調(diào)界面所形成的線狀紋形清晰，見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)Landsat 8遙感解譯圖

解譯過(guò)程中，首先通過(guò)Landsat 8遙感圖像確定各主干斷裂的宏觀位置，再利用小比例尺航片，通過(guò)線性的色調(diào)、紋理特征和線狀分布的負(fù)地形確定各主干斷裂的影響范圍。

2.2 隱伏斷裂解譯

F5斷裂在研究區(qū)內(nèi)全部隱伏，其他各主干斷裂也均有隱伏部分。為了突出隱伏斷裂的相關(guān)信息，將處理后的圖像進(jìn)行卷積增強(qiáng)，以突出隱伏斷裂的輪廓和邊緣信息，并起到銳化的效果[18]。

增強(qiáng)后的Landsat 8遙感圖像中，隱伏斷裂的色調(diào)主要為條帶狀的暗色帶，清晰與否同覆蓋層的厚度有關(guān)。一般情況下，距地表越近，色調(diào)越暗[19]。如F5斷裂，在劉家官莊至毛家屯村一帶呈現(xiàn)北北東向展布的條帶狀暗色帶，邊緣清晰，向北至莒縣色調(diào)逐漸變淺，邊緣變得模糊，隱伏深度增大，見(jiàn)圖3。

圖3 F5斷裂(隱伏)Landsat 8遙感解譯圖

在Landsat 8遙感解譯的指導(dǎo)下，大、小比例尺航片的解譯更具有針對(duì)性，很快發(fā)現(xiàn)了中泉村和毛家屯村附近的F5斷裂露頭和北北東向串珠狀分布的斷裂泉出露點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖4 F5斷裂露頭及斷裂泉出露點(diǎn)

在遙感解譯的基礎(chǔ)上，布置F5斷裂驗(yàn)證鉆孔10孔/583 m。鉆孔揭露泥巖、砂巖、礫巖，局部夾斷層泥、糜棱巖，層理雜亂，無(wú)規(guī)律，見(jiàn)圖5。

圖5 F5斷裂鉆孔驗(yàn)證剖面

2.3 活動(dòng)斷裂解譯

沂沭斷裂帶的5條主干斷裂均為活動(dòng)斷裂。為了突出活動(dòng)斷裂的相關(guān)信息，采用紋理分析的方法對(duì)Landsat 8遙感圖像進(jìn)行空間域增強(qiáng)[20]，使活動(dòng)斷裂的紋理結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)。通過(guò)圖像的紋理、色調(diào)和地表呈現(xiàn)的水文特征標(biāo)志對(duì)活動(dòng)斷裂進(jìn)行解譯。

處理后的Landsat 8遙感圖像，活動(dòng)斷裂呈暗色的條帶狀色調(diào)，色調(diào)的深淺受地表植被發(fā)育情況和地下水埋深情況等因素影響。如F5斷裂，在第四紀(jì)地層分布的平坦地區(qū)突然出現(xiàn)異常的暗色帶，即為下伏活動(dòng)斷裂的表現(xiàn)。

此外，受活動(dòng)斷裂影響，區(qū)域地表水系一般呈線狀展布，單條河流的局部彎折段也呈現(xiàn)有規(guī)律的線狀，且方向性較強(qiáng)。如圖3中的沭河，受F1、F5斷裂控制，總體走向?yàn)楸北睎|向，局部受次級(jí)斷裂影響，在斷裂的相交處發(fā)生同步扭曲。

航片上，活動(dòng)斷裂是通過(guò)線狀的、異常的微地貌形態(tài)及串珠狀分布的泉水出露點(diǎn)來(lái)解譯的。如F1斷裂在研究區(qū)的南段為線狀壟崗地貌；在沂水縣南側(cè)的豐臺(tái)湖村、快堡村、東方紅村、石屋官莊附近，解譯出串珠狀分布的F3斷裂泉，見(jiàn)圖6。

圖6 F3斷裂露頭及斷裂泉出露點(diǎn)

2.4 斷陷盆地解譯

莒縣斷陷盆地位于研究區(qū)東側(cè)的“地塹”內(nèi)，為新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的第四紀(jì)全新世斷陷盆地[7]，對(duì)方案有控制作用。

紋理結(jié)構(gòu)增強(qiáng)后的Landsat 8遙感圖像，由于受地表植被影響，斷陷盆地同東部“地塹”內(nèi)的其他區(qū)域差別不大。采用AFS濾波對(duì)圖像進(jìn)行處理[21]，突出斷陷盆地與周邊地塊之間的差異，并使其邊緣結(jié)構(gòu)信息得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

增強(qiáng)后的Landsat 8遙感圖像，斷陷盆地的色調(diào)較周圍區(qū)域略淺，整體表現(xiàn)為青色，中心偏西側(cè)區(qū)域色調(diào)較淺，向南、北及東三個(gè)方向色調(diào)變深，逐漸過(guò)渡為青綠色，反映了斷陷盆地內(nèi)部“半弧形”的空間形態(tài)，見(jiàn)圖7。

圖7 斷陷盆地Landsat 8遙感解譯圖

通過(guò)Landsat 8遙感圖像和大、小比例尺航片的對(duì)比分析，對(duì)地面調(diào)查和勘探驗(yàn)證起到了很好的指導(dǎo)作用，很快確定了莒縣斷陷盆地的影響邊界，為方案研究提供了依據(jù)。圖8為斷陷盆地鉆孔驗(yàn)證剖面。

圖8 斷陷盆地鉆孔驗(yàn)證剖面

3 工程地質(zhì)分區(qū)及選線

3.1 工程地質(zhì)分區(qū)

在遙感解譯的基礎(chǔ)上，綜合分析既有資料、地面調(diào)查、勘探驗(yàn)證成果，將方案研究區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖9。

圖9 研究區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)

(1)穩(wěn)定區(qū)(Ⅰ)：F1、F4斷裂以外的區(qū)域(不含F(xiàn)1、F4斷裂影響區(qū))。西側(cè)為剝蝕低山丘陵區(qū)，東側(cè)為緩丘區(qū)，不屬于沂沭斷裂帶影響范圍，受斷裂構(gòu)造活動(dòng)影響小，工程地質(zhì)條件及穩(wěn)定性好。

(2)基本穩(wěn)定區(qū)(Ⅱ)：F2、F3斷裂之間的“地壘”(不含F(xiàn)2、F3斷裂影響區(qū))。以剝蝕丘陵為主，地形略有起伏，受斷裂構(gòu)造影響較小，工程地質(zhì)條件及穩(wěn)定性較好，為“安全島”地帶。

(3)較穩(wěn)定區(qū)(Ⅲ)：西側(cè)“地塹”(含F(xiàn)3、F4斷裂影響區(qū))。北部狹長(zhǎng)，南部逐漸變寬，以丘間沖洪積階地及平原為主，局部為基巖出露的緩丘。F3、F4斷裂對(duì)該區(qū)域有一定影響，但影響不大，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。

(4)欠穩(wěn)定區(qū)(Ⅳ)：東側(cè)“地塹”(含F(xiàn)1、F2斷裂影響區(qū))。沖積平原區(qū)，受F5斷裂影響，工程地質(zhì)條件及穩(wěn)定性較差。

(5)不穩(wěn)定區(qū)(Ⅴ)：東側(cè)“地塹”內(nèi)的莒縣斷陷盆地。根據(jù)鉆探驗(yàn)證成果，莒縣斷陷盆地內(nèi)第四紀(jì)沉積物厚度大于90 m，工程地質(zhì)條件及穩(wěn)定性差。

3.2 推薦選線意見(jiàn)

結(jié)合工程地質(zhì)分區(qū)，在充分考慮沂沭斷裂帶對(duì)本段線路影響的基礎(chǔ)上，對(duì)各比選方案中橋梁、隧道、站場(chǎng)等重點(diǎn)工程的設(shè)置以及路網(wǎng)的合理性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，推薦紅色方案為本段線路最優(yōu)方案，見(jiàn)圖9。推薦方案所經(jīng)區(qū)域整體工程地質(zhì)條件較好，受各種不利因素影響小，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)大交角跨越沂沭斷裂的5條主干斷裂。線路主要走行在工程地質(zhì)條件較好的Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，位于Ⅳ區(qū)的線路通過(guò)縱斷面優(yōu)化，均以路基形式通過(guò)，跨河、跨路地段的橋梁結(jié)構(gòu)均采用易于修復(fù)的簡(jiǎn)單形式，并加強(qiáng)抗震措施。

(2)重大工程均避開(kāi)了主干斷裂影響區(qū)。如莒縣站，原站位位于F5斷裂影響帶內(nèi)，穩(wěn)定性較差。通過(guò)綜合比選，最終確定的莒縣站位于莒縣西側(cè)F2和F5斷裂之間的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。

(3)避開(kāi)了新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍的莒縣斷陷盆地(V區(qū))，降低了F1斷裂和F5斷裂對(duì)工程的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

瓦日鐵路本段線路于2010年9月開(kāi)工建設(shè)，2014年12月建成通車。截至2020年4月，本段線路一直安全運(yùn)營(yíng)。以瓦日鐵路穿沂沭斷裂帶工程地質(zhì)選線為例，提出了重載鐵路復(fù)雜斷裂構(gòu)造區(qū)選線原則和以遙感構(gòu)造解譯為先導(dǎo)的地質(zhì)選線方法，得到以下結(jié)論。

(1)采用以遙感構(gòu)造解譯為先導(dǎo)的地質(zhì)選線方法，可以快速準(zhǔn)確獲取選線所需的地質(zhì)信息，為地面調(diào)查和勘探驗(yàn)證工作提供指導(dǎo)，有效提高方案研究的效率和質(zhì)量。

(2)根據(jù)踏勘、初測(cè)階段的選線要求，選擇不同層次的遙感數(shù)據(jù)組合，可以充分發(fā)揮各自特點(diǎn)，達(dá)到相互印證、互為補(bǔ)充的目的。同時(shí)，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)主干斷裂、隱伏斷裂、活動(dòng)斷裂和斷陷盆地的特點(diǎn)，選擇有針對(duì)性的遙感圖像處理方法，可以進(jìn)一步突出解譯目標(biāo)，提高解譯效果。

(3)通過(guò)對(duì)遙感解譯成果、既有資料、地面調(diào)查和勘探驗(yàn)證成果進(jìn)行綜合分析，將方案研究區(qū)劃分為穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、較穩(wěn)定區(qū)、欠穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)5個(gè)區(qū)域，為方案研究提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)，可為類似工程地質(zhì)選線提供借鑒和參考。