重载铁路复杂断裂构造区遥感地质选线

谢 猛

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

瓦日铁路是我国国家铁路网规划的重点建设项目、“西煤东运”的重要能源运输通道，对确保国家能源供应，支撑国民经济发展具有重要作用。同时，也是我国第一条按照30t轴重设计的高标准重载铁路[1-2]。线路在山东省境内横穿我国东部最大的活动断裂——郯庐断裂的中段“沂沭断裂带”，地质构造复杂，是控制该段线路方案的关键因素[3-4]。

30 t轴重的重载铁路选线在我国尚属首次，选线质量直接关系到铁路工程建设和运营期间的安全[2，5]，尤其是在沂沭断裂带这样的复杂断裂构造区内，必须坚持地质选线的3个原则[6-7]。

(1)线路应绕避全新世活动断裂及新构造运动活跃的区域，如无法绕避，应在其较窄处以大交角通过。

(2)重点工程应置于“安全岛”内。

(3)线路应绕避重大不良地质地段。

由于方案研究区位于以隐伏断裂为主的区域内[8-9]，给地面调查和其他勘探工作带来很大困难。因此，在选线中引入遥感技术，充分发挥其“广域、快速、多源”的特点，开展以遥感构造解译为先导的地质选线[10-11]。

1 遥感数据选择和处理

1.1 遥感数据选择

根据踏勘、初测阶段的选线要求，选择不同层次的遥感数据组合。

第一层次是航天遥感数据，选用美国陆地资源卫星Landsat 8遥感数据，属宏观信息；第二层次是小比例尺航片，属中观信息；第三层次是大比例尺航片，属微观信息。表1为不同选线阶段的遥感数据组合和解译目标。

表1 不同选线阶段的遥感数据组合和解译目标

1.2 遥感数据处理

为提高解译效果，对Landsat 8遥感数据进行预处理，并根据解译目标的特点选择恰当的图像处理方法。

1.2.1 多光谱图像波段组合选择

考虑Landsat 8遥感数据不同波段组合对应的OIF指数、各波段的主要作用及不同波段之间的相关性，选择第7、第5、第4波段进行合成[12-13]。

1.2.2 图像增强及融合

(1)图像融合之前，对参与融合的各个单波段图像进行去霾和降噪处理，降低图像的模糊度和去除噪声[14]。

(2)采用基于主成分分析的真彩色融合方法，将第7、第5、第4波段合成后的图像与第8波段的全色图像进行融合[15]，见图1。

图1 Landsat 8遥感数据处理流程

融合后的图像既保持了多光谱图像的光谱信息，又具有15 m空间分辨率图像的空间信息，同时获得了与地物色调基本一致的自然色彩。

(3)对融合后的图像进行傅里叶变换，在频率域内对图像进行滤波处理后，再将图像变换为空间域的彩色图像，使图像中的岩性和构造等地质信息得到增强[16]。

处理后的图像层次丰富、色彩真实、纹理细腻，对地质构造，尤其是断裂构造具有良好的解译效果。此外，为了突出特定的解译目标，还选择了有针对性的图像处理方法，具体方法在后面的论述中提到。

2 断裂构造遥感解译

2.1 主干断裂解译

沂沭断裂带产生于太古代，一直活动至今，由5条主干断裂组成[3-4]，从东到西依次为昌邑—大店断裂(F1)、安丘—莒县断裂(F5)、白芬子—浮来山断裂(F2)、沂水—汤头断裂(F3)、葛沟—鄌郚断裂(F4)。5条断裂在第四纪均有不同程度的活动，更新世晚期及全新世以来，F5断裂活动最明显[3，17]。

Landsat 8遥感图像上，研究区内沭断裂带“两堑夹一垒”的构造格架醒目[7，17]，各主干断裂两侧由于地貌形态和岩性的差异，色调反差大，不同色调界面所形成的线状纹形清晰，见图2。

图2 研究区Landsat 8遥感解译图

解译过程中，首先通过Landsat 8遥感图像确定各主干断裂的宏观位置，再利用小比例尺航片，通过线性的色调、纹理特征和线状分布的负地形确定各主干断裂的影响范围。

2.2 隐伏断裂解译

F5断裂在研究区内全部隐伏，其他各主干断裂也均有隐伏部分。为了突出隐伏断裂的相关信息，将处理后的图像进行卷积增强，以突出隐伏断裂的轮廓和边缘信息，并起到锐化的效果[18]。

增强后的Landsat 8遥感图像中，隐伏断裂的色调主要为条带状的暗色带，清晰与否同覆盖层的厚度有关。一般情况下，距地表越近，色调越暗[19]。如F5断裂，在刘家官庄至毛家屯村一带呈现北北东向展布的条带状暗色带，边缘清晰，向北至莒县色调逐渐变浅，边缘变得模糊，隐伏深度增大，见图3。

图3 F5断裂(隐伏)Landsat 8遥感解译图

在Landsat 8遥感解译的指导下，大、小比例尺航片的解译更具有针对性，很快发现了中泉村和毛家屯村附近的F5断裂露头和北北东向串珠状分布的断裂泉出露点，见图4。

图4 F5断裂露头及断裂泉出露点

在遥感解译的基础上，布置F5断裂验证钻孔10孔/583 m。钻孔揭露泥岩、砂岩、砾岩，局部夹断层泥、糜棱岩，层理杂乱，无规律，见图5。

图5 F5断裂钻孔验证剖面

2.3 活动断裂解译

沂沭断裂带的5条主干断裂均为活动断裂。为了突出活动断裂的相关信息，采用纹理分析的方法对Landsat 8遥感图像进行空间域增强[20]，使活动断裂的纹理结构得到增强。通过图像的纹理、色调和地表呈现的水文特征标志对活动断裂进行解译。

处理后的Landsat 8遥感图像，活动断裂呈暗色的条带状色调，色调的深浅受地表植被发育情况和地下水埋深情况等因素影响。如F5断裂，在第四纪地层分布的平坦地区突然出现异常的暗色带，即为下伏活动断裂的表现。

此外，受活动断裂影响，区域地表水系一般呈线状展布，单条河流的局部弯折段也呈现有规律的线状，且方向性较强。如图3中的沭河，受F1、F5断裂控制，总体走向为北北东向，局部受次级断裂影响，在断裂的相交处发生同步扭曲。

航片上，活动断裂是通过线状的、异常的微地貌形态及串珠状分布的泉水出露点来解译的。如F1断裂在研究区的南段为线状垄岗地貌；在沂水县南侧的丰台湖村、快堡村、东方红村、石屋官庄附近，解译出串珠状分布的F3断裂泉，见图6。

图6 F3断裂露头及断裂泉出露点

2.4 断陷盆地解译

莒县断陷盆地位于研究区东侧的“地堑”内，为新构造运动形成的第四纪全新世断陷盆地[7]，对方案有控制作用。

纹理结构增强后的Landsat 8遥感图像，由于受地表植被影响，断陷盆地同东部“地堑”内的其他区域差别不大。采用AFS滤波对图像进行处理[21]，突出断陷盆地与周边地块之间的差异，并使其边缘结构信息得到进一步增强。

增强后的Landsat 8遥感图像，断陷盆地的色调较周围区域略浅，整体表现为青色，中心偏西侧区域色调较浅，向南、北及东三个方向色调变深，逐渐过渡为青绿色，反映了断陷盆地内部“半弧形”的空间形态，见图7。

图7 断陷盆地Landsat 8遥感解译图

通过Landsat 8遥感图像和大、小比例尺航片的对比分析，对地面调查和勘探验证起到了很好的指导作用，很快确定了莒县断陷盆地的影响边界，为方案研究提供了依据。图8为断陷盆地钻孔验证剖面。

图8 断陷盆地钻孔验证剖面

3 工程地质分区及选线

3.1 工程地质分区

在遥感解译的基础上，综合分析既有资料、地面调查、勘探验证成果，将方案研究区划分为5个区域，见图9。

图9 研究区工程地质分区

(1)稳定区(Ⅰ)：F1、F4断裂以外的区域(不含F1、F4断裂影响区)。西侧为剥蚀低山丘陵区，东侧为缓丘区，不属于沂沭断裂带影响范围，受断裂构造活动影响小，工程地质条件及稳定性好。

(2)基本稳定区(Ⅱ)：F2、F3断裂之间的“地垒”(不含F2、F3断裂影响区)。以剥蚀丘陵为主，地形略有起伏，受断裂构造影响较小，工程地质条件及稳定性较好，为“安全岛”地带。

(3)较稳定区(Ⅲ)：西侧“地堑”(含F3、F4断裂影响区)。北部狭长，南部逐渐变宽，以丘间冲洪积阶地及平原为主，局部为基岩出露的缓丘。F3、F4断裂对该区域有一定影响，但影响不大，工程地质条件相对较好。

(4)欠稳定区(Ⅳ)：东侧“地堑”(含F1、F2断裂影响区)。冲积平原区，受F5断裂影响，工程地质条件及稳定性较差。

(5)不稳定区(Ⅴ)：东侧“地堑”内的莒县断陷盆地。根据钻探验证成果，莒县断陷盆地内第四纪沉积物厚度大于90 m，工程地质条件及稳定性差。

3.2 推荐选线意见

结合工程地质分区，在充分考虑沂沭断裂带对本段线路影响的基础上，对各比选方案中桥梁、隧道、站场等重点工程的设置以及路网的合理性进行综合评价，推荐红色方案为本段线路最优方案，见图9。推荐方案所经区域整体工程地质条件较好，受各种不利因素影响小，主要表现在以下3个方面。

(1)大交角跨越沂沭断裂的5条主干断裂。线路主要走行在工程地质条件较好的Ⅱ区和Ⅲ区，位于Ⅳ区的线路通过纵断面优化，均以路基形式通过，跨河、跨路地段的桥梁结构均采用易于修复的简单形式，并加强抗震措施。

(2)重大工程均避开了主干断裂影响区。如莒县站，原站位位于F5断裂影响带内，稳定性较差。通过综合比选，最终确定的莒县站位于莒县西侧F2和F5断裂之间的相对稳定区域。

(3)避开了新构造运动活跃的莒县断陷盆地(V区)，降低了F1断裂和F5断裂对工程的影响。

4 结语

瓦日铁路本段线路于2010年9月开工建设，2014年12月建成通车。截至2020年4月，本段线路一直安全运营。以瓦日铁路穿沂沭断裂带工程地质选线为例，提出了重载铁路复杂断裂构造区选线原则和以遥感构造解译为先导的地质选线方法，得到以下结论。

(1)采用以遥感构造解译为先导的地质选线方法，可以快速准确获取选线所需的地质信息，为地面调查和勘探验证工作提供指导，有效提高方案研究的效率和质量。

(2)根据踏勘、初测阶段的选线要求，选择不同层次的遥感数据组合，可以充分发挥各自特点，达到相互印证、互为补充的目的。同时，根据研究区内主干断裂、隐伏断裂、活动断裂和断陷盆地的特点，选择有针对性的遥感图像处理方法，可以进一步突出解译目标，提高解译效果。

(3)通过对遥感解译成果、既有资料、地面调查和勘探验证成果进行综合分析，将方案研究区划分为稳定区、基本稳定区、较稳定区、欠稳定区和不稳定区5个区域，为方案研究提供了可靠的地质依据，可为类似工程地质选线提供借鉴和参考。