南沙地區(qū)復雜地形地質(zhì)條件下巖土工程的勘察及技術(shù)應(yīng)用

祝敏剛，閔勇章，童 偉，李 藝，吳福平，周成凱

（中國電建集團城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 511458）

0 前 言

南沙地區(qū)具有獨特的地質(zhì)條件和場地背景，受珠江水系切割，河網(wǎng)密布，地形地質(zhì)條件復雜多變，且廣泛分布厚度變化大的軟土層［1］。近年，隨著南沙經(jīng)濟不斷發(fā)展，各地都在規(guī)模化的開發(fā)與建設(shè)。而房屋建筑、軌道交通、水利等工程重點關(guān)注第四系覆蓋層厚度、地層結(jié)構(gòu)、活動斷裂分布、地質(zhì)體、巖性變化等特征［2］，而勘察人員需要在緊張的工期內(nèi)掌握準確的地質(zhì)信息，包括了解巖土層的性質(zhì)和潛在地質(zhì)隱患、評估地質(zhì)災(zāi)害風險并提出建議措施、評估地質(zhì)條件對工程的影響，為工程規(guī)劃和可行性研究提供依據(jù)，為后續(xù)的工程設(shè)計以及各項決策的落實提供充足的參考依據(jù)。

目前，工程界在南沙區(qū)已經(jīng)進行了較多的地質(zhì)勘察工作，但未對南沙地區(qū)復雜地形地質(zhì)條件下的勘察工作開展系統(tǒng)性和綜合性研究。因此，結(jié)合現(xiàn)有勘察方法，通過總結(jié)南沙地區(qū)復雜地形和地質(zhì)條件下的巖土工程勘察經(jīng)驗，為勘察工作提供參考。

1 南沙區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

南沙區(qū)地處珠江口與伶仃洋的交匯處，由于成因與形態(tài)的差異，地貌單元主要有潮間帶地貌、海成地貌和流水地貌等［3］。其中，沖積平原占區(qū)內(nèi)大部分陸地面積，丘陵臺地主要分布在南沙街道區(qū)域。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，南沙地區(qū)的三角洲在晚始新世晚期初是一個原始的河口，隨著海水退去，陸地逐漸形成，這一過程大約發(fā)生在晚更新世末期至全新世早期之間。

根據(jù)曾昭璇教授的觀點，南沙區(qū)境內(nèi)的三角洲平原是由西、北江干流經(jīng)過市橋臺地后的沖積作用形成的，逐漸向海伸展和淤高，形成淤漲型潮坪和淺灘［3-4］。

1.2 地層巖性

南沙區(qū)主要由三角洲沖積土形成，有深厚的海陸交互相淤泥軟土廣泛分布。陳小月［5］于2018年經(jīng)過大量勘察研究發(fā)現(xiàn)，南沙區(qū)覆蓋層厚度普遍超過40 m，其中廣泛分布的軟土層厚度普遍達20 m。

丘陵臺地主要分布在南沙街道，大多數(shù)是白堊系紅色礫巖組成的低丘；其他低洼區(qū)則主要由第四紀河口相沉積物組成。由于近海潮位的影響，南沙的地形地質(zhì)條件相當復雜。

在南沙林場茸鵝山至塘坑，分布有區(qū)域內(nèi)最老的下古生界震旦系片巖、變質(zhì)砂巖、硅質(zhì)巖；南沙深灣主要分布有加里東期的混合花崗巖；南沙的黃山臺一帶，以及黃閣的大山乸等地廣泛分布燕山期的細?！至：谠颇富◢弾r，也是區(qū)域內(nèi)分布面積最大的基巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

在南沙區(qū)域內(nèi)，廣泛分布著形成于四紀（迄今約250萬年）以后的第四系晚更新統(tǒng)和全新統(tǒng)沉積物。這一時期，地殼經(jīng)歷了繼承性升降運動，進入了相對穩(wěn)定的階段。

南沙主要經(jīng)歷了加里東、華力西～印支、燕山各期地殼運動，構(gòu)造頗為復雜。而中生代燕山運動使地臺活化，形成不同方向展布的斷裂。其中發(fā)育的斷裂主要有大涌斷裂（F7）、沙灣斷裂（F9）、陳村斷裂（F11）、橫瀝斷裂（F12）、紫坭斷裂（F13）、洪奇瀝斷裂（F14）、南沙-東莞斷裂（F15）等，幾組斷裂帶相互切割，控制了研究區(qū)的地貌形態(tài)和基底斷塊的形狀［6］（見圖1）。

圖1 1∶50萬廣州市斷裂構(gòu)造［7］

1.4 地 震

據(jù)記載，珠江三角洲地區(qū)自公元1045年以來發(fā)生的地震有400多次，震級大多較低，破壞力度較小，曾發(fā)生過5次不超過6級的破壞性地震。從空間來看，地震主要是沿著3組斷裂發(fā)生。北西向斷裂，如沿西江斷裂帶在四會（1445年、1584年）、磨刀門（1905年）發(fā)生過4.75～5.5級地震；順德斷裂發(fā)生過21次3～4級地震；沙灣斷裂曾發(fā)生12次3級地震，2次4級地震；北東向斷裂，如廣從斷裂曾發(fā)生4次4.75～5.0級地震；東西向的瘦狗嶺斷裂、廣三斷裂，在廣州曾發(fā)生過3～4.75級地震。

2 勘察技術(shù)在南沙工程中的應(yīng)用

2.1 測繪技術(shù)

測繪技術(shù)是勘察的一種基礎(chǔ)技術(shù)，主要用來勘測自然地理、空間位置、地表人工設(shè)施形狀等要素。

隨著科技的進步，測繪技術(shù)發(fā)生了巨大的變化。從傳統(tǒng)的水準測量、角度測量、三角高程測量及距離測量，發(fā)展到傾斜攝影測量、三維激光掃描測量、全球定位測量系統(tǒng)、智能測量機器人、遙感測量等；測繪計算從傳統(tǒng)的手算或計算器計算發(fā)展到智能軟件運算分析及智能云計算等；從傳統(tǒng)的繪圖板繪圖、CAD簡單制圖到全自動化繪圖及地理信息系統(tǒng)等，行業(yè)的發(fā)展提高了測繪的精度和效率［8］。

目前，測繪技術(shù)在南沙地質(zhì)勘探、資源調(diào)查、土地利用和環(huán)境保護等領(lǐng)域獲廣泛應(yīng)用。通過該技術(shù)獲取高精度數(shù)據(jù)，為勘察、設(shè)計、施工及數(shù)據(jù)分析提供科學依據(jù)，提高南沙工程的安全性和數(shù)字化建設(shè)。

2.2 原位測試技術(shù)

在巖土層原本所在位置勘測巖土性質(zhì)。原位測試的技術(shù)原理是：在巖土層所在位置、所處環(huán)境的含水量、應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等原始狀態(tài)下，進行原位測試，最大程度保證巖土層的工程力學性質(zhì)指標，提高巖土工程勘察參數(shù)的精準。常用的原位測試技術(shù)包括標準貫入試驗、靜力觸探、動力觸探、十字板剪切、剪切波速測試、旁壓試驗、靜載試驗等。

由于室內(nèi)試驗環(huán)境與室外勘察環(huán)境相差較大，目前南沙工程勘察項目通常會應(yīng)用原位測試技術(shù)。該技術(shù)的運用，有效解決了因為理論公式計算往往準確度較差，或過于保守或超出預(yù)期的問題。

2.3 巖土鉆探技術(shù)

由于研究區(qū)第四系分布廣泛且較厚，大部分區(qū)域少有地質(zhì)露頭，且地下隱伏巖性較多，往往需要依靠鉆探獲取基本地質(zhì)資料。該技術(shù)需要利用鉆機、動力機、泥漿泵等專業(yè)的地質(zhì)鉆探設(shè)備，以完成對現(xiàn)場巖土層的鉆探施工，其中鉆機是核心設(shè)備。

目前，在南沙工程勘察應(yīng)用巖土鉆探技術(shù)的過程中，最常用到的鉆機型號有2種：一是GXY-1、二是XY-2，最常用的鉆探方法是泥漿護壁法和回旋鉆進法的巖芯鉆探法等。

2.4 地球物理方法

目前，針對復雜地形地質(zhì)條件下的勘察工作，已經(jīng)發(fā)展出多種成熟的地球物理方法，包括淺層地震反射波法（二維和三維）、高密度電法（二維和三維）、地質(zhì)雷達、被動源面波（微動）、音頻大地電磁等。

目前，高密度電法被廣泛應(yīng)用于圈定南沙地下水源［9］、查找隱伏斷裂［10］。

音頻大地電磁，通過正演模擬斷層在不同傾角、傾向與電性情況下的視電阻率和阻抗相位擬斷面，在識別南沙深部隱伏構(gòu)造、盆地斷陷（地塹）方面有較高的分辨率［11-12］。

微動勘探利用布設(shè)的臺陣觀測天然場數(shù)據(jù)，提取地下面波頻散曲線，通過反演獲取地下地層的橫波速度結(jié)構(gòu)信息，具有無損、觀測設(shè)備簡單、背景噪音成像、勘探效果明顯的特點，是當下探測南沙隱伏斷裂、覆蓋層厚度及地層分層的新方法［13］。

2.5 GIS技術(shù)

針對復雜的地形地質(zhì)條件，建議靈活運用地理信息系統(tǒng)等先進技術(shù)，以達到減輕工作人員壓力，提高勘察工作效率的目的。在南沙工程勘察中，GIS技術(shù)已得到廣泛的運用。該技術(shù)能夠及時、精準地獲取勘察區(qū)域內(nèi)的空間信息以及其他輔助信息，并借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)形成三維立體的結(jié)構(gòu)模型，便于勘察人員靈活推進后續(xù)勘察工作，為勘察人員了解地形地質(zhì)情況提供充足的信息支持。

3 南沙勘察工程實踐經(jīng)驗

工程實踐表明，即便是在南沙同一區(qū)域內(nèi)，也可能存在多種多樣的地質(zhì)構(gòu)造情況，復雜的地質(zhì)條件為后續(xù)施工工作有序開展增加了隱形問題。

3.1 單一常規(guī)勘察方式無法滿足設(shè)計要求

3.1.1 問 題

南沙復雜的地形地質(zhì)條件下，同一區(qū)域內(nèi)的巖土性質(zhì)往往也存在著較大的差異。而現(xiàn)實中很多勘察項目通常采用單一常規(guī)勘察方式，結(jié)果導致勘察成果無法滿足設(shè)計和施工的要求。

3.1.2 解決方案及工程實例

近幾年，為了滿足南沙規(guī)模化工程建設(shè)高速發(fā)展的需求，急需把南沙復雜的地形地質(zhì)條件進行三維建模，而由于南沙地形地質(zhì)條件的復雜性，采用常規(guī)的鉆探揭露后，單一的軟件建模往往效率低且可視化效果差。2020年武漢地質(zhì)調(diào)查局采用綜合勘察方法，如原始鉆探、三維空間集成、多源數(shù)據(jù)融合，有效集成了整個南沙區(qū)域地質(zhì)信息，并依托南沙三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型及信息平臺搭建地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫，通過離散光滑插值（DSI）技術(shù)構(gòu)建了三維曲面，并采用半自動建模方式，依據(jù)強制約束條件建立了以鉆孔為主、其他信息為輔的三維工程地質(zhì)模型［14］（見圖2）。

圖2 廣州市南沙區(qū)三維結(jié)構(gòu)模型

再如對南沙區(qū)主干斷裂-沙灣斷裂帶的研究上，2016年董好剛等［6］通過綜合運用聯(lián)合鉆孔驗證、構(gòu)造解析、淺層地震勘測、斷層活動年代測定、氡氣測量及地質(zhì)地貌填圖等勘察方法，發(fā)現(xiàn)目前該斷裂仍有一定活動性，為后續(xù)勘察界對南沙地質(zhì)的勘察研究提供了重要的依據(jù)。

3.2 不同區(qū)域同一地層巖土性質(zhì)的差異性

3.2.1 問 題

在工程界，勘察工作往往會得出在一定區(qū)域巖土的性質(zhì)具有相似性的規(guī)律；而不同區(qū)域、相同地層的巖土性質(zhì)差異較大。在工程實踐中，很多勘察人員，包括設(shè)計和施工方或業(yè)主由于缺乏相關(guān)勘察理論知識或經(jīng)驗，不考慮實際勘察揭露的數(shù)據(jù)，主觀上把本項目相關(guān)參數(shù)數(shù)值錯誤判定為相鄰或類似項目的參數(shù)數(shù)值，容易造成后期工程事故的發(fā)生。

3.2.2 解決方案及工程實例

地處珠江三角洲沖積平原前緣的南沙區(qū)在長期的河流沖積和海潮進退作用下，廣泛沉積了厚度變化大的海陸交互相軟土［15］。由于地質(zhì)生成環(huán)境、地形影響及河道分布的不同，軟土在成層厚度、層理構(gòu)造和展布深度上均有明顯的差別［16］。

經(jīng)收集勘察資料總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在龍穴島至萬頃沙至大崗鎮(zhèn)、欖核鎮(zhèn)一帶，軟土層內(nèi)常常含有厚薄不均的細粉砂層，且分布不均勻。由于河流和海潮的復雜交替作用，淤泥與薄層砂相互交錯沉積，形成不規(guī)則的尖滅層或透鏡體夾層結(jié)構(gòu)。而在黃閣鎮(zhèn)至番禺方向則較少有揭露夾雜砂層。

李煥新［16］研究表明，在南沙地區(qū)的軟土具有與一般軟土不同的特殊性質(zhì)，并且在該地區(qū)的不同地域內(nèi)，軟土的性質(zhì)仍存在一定的差異性?；谝陨咸卣?，潘欽生［17］通過對南沙地區(qū)的軟土進行大量勘察實踐總結(jié)，并于2006年專門對南沙地區(qū)的軟土進行了單獨的判定標準：天然孔隙比e＞1；天然含水量接近或大于液限；壓縮模量Es＜4.0 MPa，或標準貫入擊數(shù)N＜3，或雙橋靜力觸探錐尖貫入阻力qc＜1.0 MPa，或十字板剪切強度Cu＜30 kPa。該標準的提出為南沙區(qū)軟土勘察工程提供了重要參考依據(jù)。

3.3 野外地質(zhì)工作決定勘察成果的質(zhì)量

3.3.1 問 題

野外地質(zhì)工程勘察工作是獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)工作，對于編制高質(zhì)量的室內(nèi)勘探報告起著基礎(chǔ)性的作用。如野外原位測試，如果勘察人員操作不當，測試偏差較大，必然會使數(shù)據(jù)結(jié)果失真。

但是，對于南沙復雜地形地質(zhì)條件的勘察工作中，勘察人員往往對野外地質(zhì)勘察工作的重要性不夠重視，容易造成野外地質(zhì)勘察報告質(zhì)量差，導致后期設(shè)計和施工人員難以充分掌握準確的地質(zhì)信息，對勘察成果影響較大。

3.3.2 解決方案及工程實例

在標準貫入試驗操作中，勘察人員經(jīng)常會遇到孔深不符合桿長等問題，如果孔底存在縮徑或者殘留等情況，而標貫器沒有落到預(yù)先設(shè)計的測試位置，標貫擊數(shù)都會喪失真實性，從而導致參考標貫擊數(shù)判定的巖土層物理力學性質(zhì)偏差較大，出現(xiàn)一系列設(shè)計和施工問題。再如，場地巖土類別與覆蓋層厚度的剪切波速測試分析，往往沒有得到足夠重視，經(jīng)常對巖土工程相關(guān)評價工作造成困擾［18］。

因此，勘察人員應(yīng)該投入更多的精力到野外，及時獲取不良地質(zhì)信息，發(fā)現(xiàn)并糾正現(xiàn)場問題，使勘察技術(shù)能夠更好地發(fā)揮其實踐應(yīng)用價值。

3.4 嚴格執(zhí)行規(guī)范是巖土勘察成敗的關(guān)鍵

3.4.1 問 題

參考我國巖土工程勘察相關(guān)規(guī)范，如果遇到相對復雜的地形地質(zhì)環(huán)境，勘察人員就需要根據(jù)實際情況來設(shè)置勘測點，局部地質(zhì)復雜地段需要進行加密勘探，以保證勘察數(shù)據(jù)的客觀、真實與完整。然而，實際勘察工作中，部分勘察人員沒有嚴格遵循規(guī)范要求，未設(shè)置足夠的勘測點，容易造成2個勘探點之間的地層相差偏大；且編錄現(xiàn)場信息時缺乏耐心與責任心，數(shù)據(jù)與實際情況嚴重不符，致使勘察與巖土工程施工失去了參考依據(jù)。還有一部分勘察人員專業(yè)水平不足，沒有全面了解野外巖土層的性質(zhì)和特點，僅憑主觀經(jīng)驗隨意勘測地形地質(zhì)，這種不規(guī)范的行為存在很大的風險和隱患。

3.4.2 解決方案

嚴格的按照規(guī)范進行勘察，科學合理判定勘察的深度和間距。在具體應(yīng)用勘察技術(shù)時，建議能夠針對不同類型的地質(zhì)情況按照規(guī)范規(guī)定調(diào)整勘探的深度，合理調(diào)節(jié)間距以便充分滿足在復雜程度不同的地形地質(zhì)條件下的勘察需求。選擇與實際情況更相適宜的勘察技術(shù)，有效降低可能在勘探工作中出現(xiàn)的誤差，從而增強勘察的準確性。

3.5 巖土取送樣影響巖土參數(shù)的準確性

3.5.1 問 題

巖土取樣和送樣問題中，部分勘察人員只是隨機選取勘探點進行樣本的采集后送實驗室檢測，并沒有全面了解整個勘察區(qū)的巖土特點，而巖土性質(zhì)本身具有很大的離散性，容易導致最終成果的參數(shù)選取出現(xiàn)問題。

在實際勘察過程中，部分工作人員未能及時送樣，也并未對巖土樣品進行妥善保存，常常導致檢測結(jié)果誤差較大，例如試驗中的含水量檢測結(jié)果偏低等情況時有發(fā)生，對設(shè)計和施工造成了一定的影響［19］。

3.5.2 解決方案

鉆孔取樣過程中，勘察人員應(yīng)按規(guī)范要求采集和保存巖土樣本，及時送實驗室檢測。在室內(nèi)檢測試驗過程中，需要注意兩點：首先，檢測土樣時，人為主觀因素以及環(huán)境、設(shè)備等客觀因素都會對檢測結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響，為了確保檢測數(shù)據(jù)的客觀性和真實性，勘察人員需要對樣本進行反復多次的檢驗；其次，使用不同的檢測方法對同一批樣本進行檢測，以驗證結(jié)果的準確性和一致性。

3.6 掌握先進技術(shù)有利于提高勘察效率和質(zhì)量3.6.1 問 題

復雜地形地質(zhì)條件下的勘察工作對巖土工程勘察有著更高的要求，然而在實際工作中，很多項目上的勘察仍然采用常規(guī)方法，往往滿足不了設(shè)計和施工的需求，其成果報告內(nèi)容偏差也較大。

3.6.2 解決方案及工程實例

復雜地形地質(zhì)條件下的勘察工作有著較大的難度，需要借助現(xiàn)代化勘查技術(shù)。在2018年，陳潔等［20］首次運用國際先進的等離子震源技術(shù)，在高精度地震成像的基礎(chǔ)上，成功揭示了南沙海域的第四紀精細地震地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

在2002年，喬紀綱等［4］利用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)模擬巖層，并結(jié)合GIS技術(shù)，成功構(gòu)建了珠江三角洲第四系基底和軟土層（包括橫攔組和燈籠沙組）的數(shù)字地形模型（DTM）。這一模型解決了南沙地區(qū)地面數(shù)據(jù)的三維建模和空間分析問題。

2023年，陳松等［21］運用AMT探測方法，利用反演的電性斷面，圈定了花崗巖、紅層砂礫巖的出露范圍，劃分了不同巖性分界面的空間位置，識別出了南沙-東莞斷裂，糾正了區(qū)域內(nèi)此前勘察成果中對區(qū)域斷裂的漏判，也對工程界判斷區(qū)域斷裂具有重要意義。

再如，中電建成都院在2023年開展的番順圍防洪排澇項目的勘察工作中，針對南沙區(qū)大崗鎮(zhèn)深厚軟土的特征，由于電磁波吸收衰減作用明顯，采用常規(guī)大地電磁法無法有效劃分第四系厚度。項目部決策后，決定采用常規(guī)地震勘探方法探測地層松散沉積層與堅硬基巖的界面深度，為工程選址提供依據(jù)。但實踐過程中，無論采用爆破震源還是可控震源車，都會對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響，因未有效解決擾民問題，后被禁止采用。

經(jīng)過多方法比選后，項目部最終采用先進的微動勘探技術(shù)和高密度電法。微動勘探技術(shù)利用H/V譜比法曲線峰值頻率，估算土石界面深度［22］，該方法克服了常規(guī)地質(zhì)雷達技術(shù)探測深度的有限性，而高密度電阻率法工作手段靈活，測線布置方便，極大節(jié)省工期。綜合使用兩種物探方法，并配合鉆探手段，得到的數(shù)據(jù)通過相互驗證，穩(wěn)定高效，勘察成果有效確定了基覆界面和軟土頂?shù)捉缑?，為設(shè)計和施工提供了依據(jù)。

4 結(jié)束語

針對南沙復雜的地形地質(zhì)條件，綜合采用多種科學合理的勘察方法，通過對數(shù)據(jù)的分類、統(tǒng)計、對比和分析，了解了該區(qū)域巖土的分布狀況和性質(zhì)。而復雜地形的巖土勘察需要先進的技術(shù)設(shè)備和科學合理的勘察方法，以提高勘察效果和準確性。特別是在南沙地區(qū)的復雜地質(zhì)條件下，設(shè)計和施工往往對巖土工程勘察要求較高，面對可能出現(xiàn)的諸多問題，勘察人員需要提升個人素養(yǎng)和專業(yè)技術(shù)水平，嚴格遵循規(guī)范要求，充分發(fā)揮主觀能動性；在選擇巖土工程勘察技術(shù)時，除了要將已有資料進行集中整合之外，還需要靈活運用現(xiàn)代化的計算機技術(shù)，結(jié)合實際情況采用科學合理的技術(shù)和設(shè)備，確?？辈旖Y(jié)果客觀準確。未來，勘察人員還需要積極探索適用于南沙區(qū)復雜地形地質(zhì)條件的巖土工程勘察方法，以提高勘察質(zhì)量和效率，推動南沙區(qū)工程建設(shè)領(lǐng)域的穩(wěn)定發(fā)展。