遥感数字技术新方法在包银高铁地质选线中的应用

王建鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

国内外空间遥感与应用研究已有超过75年历史，20世纪70年代美国的连续光谱成像、岩石矿物光谱曲线已用于岩性、矿物填图，遥感卫星的应用，使得分辨率高于20 m，对岩性、构造能做出精细解译，特别是近20年来随着新的航空、卫星传感器和数字技术的结合，商用遥感卫星的分辨率达到了0.5 m，特殊用途的达到分米级[1]。各国监测解译精度不断提高，新的遥感处理软件使得地质工作效率大大提高，卫星3D地图、“大场景”、航空及航天等三维反演技术及无人机、地面遥感的应用使得传统的地质手段有了革命性发展。新方法在铁路地质工作中也开始应用。

包头至银川高铁为我国八纵八横路网中最北边一条东西向干线高铁，长度约506 km。研究目标为以包头和银川为两个端点，从东北往西南的一系列方案，在满足线路及其他专业技术的基础上，按水文、工程地质技术特点，通过核实、比选，采用了数字技术新方法深入研究，将64条方案归纳为4个走廊带，最终确定为4个方案(图1)：

图1 各方案所经地貌单元示意

包头—临河—磴口—乌海—石嘴山—银川(红色A1K)；

包头—东胜—鄂尔多斯—石嘴山—银川(紫色A2K)；

包头—宿亥图—杭锦旗—棋盘井—惠农—银川(绿色A3K)；

包头—东胜—杭锦旗—乌海—银川(蓝色A4K)。

1 包头至银川区域地质条件

1.1 自然条件

线路通过地区属中温带亚干旱气候区蒙中区及干旱气候区蒙甘区。各方案经过黄河河套平原区和高原沙漠区两大类地貌。黄河平原区包含黄河及其支流冲积区，涉及阴山(大青山、乌拉山)、贺兰山、桌子山、鄂尔多斯高原的前缘(千里山、岗道尔山、石嘴山)区域；高原沙漠区包含鄂尔多斯高原(库布齐沙漠、丘陵、波状高原、毛乌素沙漠、低山及山间洼地)和阿拉善高原(乌兰布和沙漠、腾格里沙漠)。

1.2 岩性及构造

1.2.1 岩性

1.2.2 构造

各方案在构造上隶属于华北板块。涉及二个二级构造单元：鄂尔多斯台坳(I4)、鄂尔多斯西缘坳陷(I3)。各方案经过的主要断裂构造及构造分区如图2所示。

图2 大地构造分区略图

1.3 各方案地震动参数

地震动峰值加速度为(0.05～0.20)g，除局部地震基本烈度为六度外，一般为七度至八度，地震动反应谱特征周期为0.35～0.45 s。

2 遥感数字技术新方法的应用

2.1 数字技术新方法的先进性

传统遥感地质解译利用航片影像数据对研究区进行地质解译[3]，依据黑白航片或红外卫片色调、灰度等解译标志[4]，对岩性、构造、水系、不良地质及特殊岩土形态、规模、水文及工程地质信息进行地质解译，解译成果数字化程度低。卫星3D地图、“大场景”[5]、航空及航天等三维反演技术及无人机、地面雷达遥感与三维反演动态技术及计算机成图系统的结合，实现了室内与野外的互动，高清晰、高分辨地质体信息数据的获得拓宽了研究程度，对地学发展是一次革新。

2.1.1 “大场景”动态三维遥感解译技术

“大场景”的最大创新点是将死板的相片解译，变为大屏幕计算机三维动态图像，并与CAD辅助设计软件形成接口。采用正射影像(左眼)与辅助立体影像(右眼)叠合，判译范围大、影像清、操作简单、视口缩放灵活、定位准确。在包银高铁河套区及沙漠区非常实用。在盐渍土、风沙类型、矿区范围、构造线及地貌单元方面具高效性、完整性。判译结果通过室内、野外验证，可直接成图。

2.1.2 卫星3D地质解译

采用Google Earth软件奥维互动卫星地图勾勒地质信息[6]，结合手机GPS定位。在空中对研究区域定位，将各研究方案线条及地质数据加载在地球表面，模拟俯瞰飞行，对区域资料及“大场景”资料进行验证。良好的GE影像图和三维实时实景操作，使得室内遥感图像解译与野外实景同时在眼前展开。新的异常情况可查看详细“大场景”判译结果或复判，反复验证，必要时到现场核对，地质信息直观准确。

2.1.3 无人机摄影技术

无人机摄影在目前地质调查[7]中被广泛应用到人员无法到达的地段，以实景三维的方式记录和保存野外地质场景。对采集的目标地质数据进行GOCAD建模，依据地形及续航能力，对滑坡后壁、地质体边界、高陡断裂延伸线或定点泉、岩溶观测、产状、岩性、构造判断等均有较好的应用。

2.1.4 航空物探三维反演技术

利用航空电磁测量三维联合反演电阻率[8]等值线平面、断面图，结合航磁测量三维反演磁化率[9]等值线平面、断面图控制方案地表及深部地质体[10]立体边界及规模，达到选线目的，结合BIM[11]技术，可快速建模设计。

2.2 提炼关键地质要素并上图

选择适当比例的地质图做底图(一般1∶1万～1∶25万)，包含所有方案，将岩性时代、构造(断裂、褶皱、构造分区)、产状、节理、地震动参数区划分界、不良地质、特殊岩土、采空区、地质灾害等地质解译数字化成果合并上图。亦可专门出构造纲要图、地震区划图、地貌图、水文地质图等专项资料。将新、老方法的地质数字化成果对比分析，对矛盾、疑问进行核实，形成最终成果。

2.3 出综合图件，做比选评价

将所有地质问题以及各方案线型反映在一张综合地质图上，包含代表性剖面图、纵断面图、地质说明、特征栏情况。给出各方案特点、难点、重点技术分析和处理措施，给出地质素材、比选意见。

3 各方案地质问题及动态解译

3.1 河套方案(A1K)

3.1.1 风沙问题

用奥维互动地图及遥感“大场景”CAD沿该方案动态高程下随意缩放，详细勾勒、圈绘，很明显在磴口东北至乌海老包兰线段(A1K244+300～A1K403+400)有风沙断续分布，累计24.18 km/76处，为固定、半固定沙地及沙丘，局部为流动沙丘，较严重风沙18.5 km/5处，沙丘高4.0～5.4 m，见图3。利用的包银防护林带约21 km/8处，在遥感影像上边界清晰。磴口段、乌海段及海勃湾区受乌兰布和沙漠影响[12]，形成新月形和半月形的流动沙丘。仅A1K296+807～A1K315+303段为库布齐沙漠边缘波纹状半固定沙丘。近桌子山脚分布有高约10 m的沙丘。除惠农为大风低发区外，其它地段为大风极少区。

图3 AIK276+000～A1K276+500段在GE地图下的解译结果(左)、现场验证调查结果(右)

3.1.2 盐渍土问题

在黄河宽阔的河湖相交汇的古河道、片状洼地、沙丘带、串珠状水塘及淖尔边缘，从遥感“大场景”上明显能圈绘出低平、泛白的盐渍土区域，伴有次生盐渍化现象。

3.1.3 地震液化问题

在平坦阶地、河湖交错段、洼地淖尔、鱼塘沟渠处，水位埋深浅的地段饱和沙土具地震液化现象。影像上颜色较深，容易圈绘。包头—银川段液化层厚度为5～16.6 m。沿老包兰线左右穿行方案累计液化长度约210 km。

3.1.4 软土及软弱地基问题

分布于黄河后套平原低洼区、鱼塘沟渠、芦苇荡、湿地、灌区、牛轭湖、湖沼湿地处，影像易于识别。

3.1.5 凌洪灾害和水害问题

黄河冰凌，由河道特性及水文条件决定。宁夏河段，据石嘴山水文站的凌情观测成果[13]，潘昶以下100多公里为长封冻河段，内蒙古河段，从宁夏的石嘴山至包头段，冰冻日期溯源而上，开河日期自上而下，开河时，上游融冰水加上槽蓄水携带着大量破裂后的冰块向下游流动，沿途水鼓冰、冰阻水，节节卡冰结坝，形成越来越大的凌洪向下游推进，形成凌洪灾害，切割、推蹭水利建筑物，破坏工程。影响较大桥梁为乌海、磴口公铁两用黄河特大桥。不同时相影像动态变化明显。

3.1.6 压煤及煤窑采空和自燃煤问题

方案已经绕避了采空区及我国最大自燃煤区域(钨达矿区)[14]，沿国家矿产规划区域边界行走，局部压煤、压油，井口及浅色边界影像清楚。有约5 km压煤，需确定限采红线。

3.1.7 岩溶问题

分布于A1K379+530～A1K395+791段奥陶系下统灰岩中，“大场景”影像上，岗德尔山隧道基岩表面有明显的溶蚀坑[15]，岩壁上有溶槽和洞径在0.5～1.4 m溶洞发育，黏性土夹灰岩碎块充填，牛背状或穹窿状地貌，未见大型溶洞，岩溶弱-中等发育。

3.1.8 压矿问题

A1K方案岗德尔山隧道仅在F37断裂处见小型矿洞，沿断层F37走向为铅矿采空区，并向南延伸。路线已躲避铅锌矿采空，隧道穿行段为F37末端；惠农南站高铁通过2处人防工程巷道，需采取防护措施。

3.1.9 其他问题

“大场景”上人工填土边界一目了然；季节性冻害集中于包头—磴口段，累计长约7.6 km。沿线泥岩具弱膨胀性。

3.2 鄂尔多斯高原方案(A2K、A3K、A4K)

3.2.1 风沙问题

在遥感“大场景”上对3条高原方案风沙段落进行圈绘。不同类型风沙特征清晰各异，例如：新月形沙丘特征形似新月，向风坡长而缓，背风坡短而陡，两侧不对称，色调不一致，小的可表现为各式各样的纹型图案，见图4。

图4 杭锦旗A3K148+000处GE地图下的解译成果(左)及放大的流动沙丘(右)

3.2.2 煤矿采空及自燃煤问题

乌海市海南区公乌素和鄂托克旗棋盘井镇附近分布二叠系及石炭系煤层，大部分为露天开采小煤窑及少量国有洞采大煤矿，线路已绕避采空区，但公乌素煤矿煤氧化自燃易形成火灾，导致地表塌陷裂缝，部分地段存在压煤问题，矿区边界影像清晰可见。飞行器搭载的相同波段雷达接收到在不同时间、位置对同一地表塌陷边界之间的距离差异以及散射相位的变化回波信息，换算为地表变形量信息。选取鄂托克前旗某煤矿相隔2个月的2景数据进行差分干涉解缠，形成干涉图、解缠图[16]及变形图，见图5，图上显示该煤矿地表在2个月内发生了较为明显的变形，最大变形量级为-40 mm左右。

图5 鄂托克前旗某煤矿遥感数据处理图

3.2.3 湿陷性黄土问题

各方案沿线零星分布新黄土，厚度0～2.7 m，为Ⅰ级非自重湿陷性黄土场地，黄土影像显著。

3.2.4 地震液化问题

地震可液化层主要分布于乌兰木伦河河床及河漫滩附近，主要为松散细砂和稍密中砂，埋深0.0～6.5 m，液化层一般厚度为1.2～2.9 m。黄河河床液化厚度稍大。

3.2.5 盐渍土问题

分布于沙丘之间细粒土分布的洼地，影像上地表泛白，有高含盐薄层。

3.2.6 断裂带问题

高原各方案均穿越包头段黄河南岸的库不齐近东西向隐伏断裂f3，正断裂，75°倾向东北。均穿越桌子山东缘隐伏深断裂，见图6。东为鄂尔多斯台坳，西为鄂尔多斯西缘凹陷，走向为南北向，断面西倾高角度斜冲深断裂，先张后压，断开硅铝层，在卫星照片上在桌子山、千里山、岗德尔山东侧呈现较明显的线状。A2K还穿越乌审旗深断裂F6，沿桌子山东麓阿尔巴斯以南，经鄂托克旗至乌审旗南，呈向南突出的弧形展布，北侧为宽缓的正磁异常区，南侧为平稳的负磁异常区[17]。北侧为早古生代隆起区、南侧为沉降区。

图6 桌子山东缘断裂

3.2.7 其他问题

高原各方案人工填土以废弃煤渣和矿山废石为主，主要分布于公乌素附近，色调明暗间杂，范围清晰；膨胀岩、软土及软弱地基土出露地段在卫片上轮廓清楚，各方案经过长度相当。

4 各方案地质重点、难点分析

各方案均需采用风沙治理技术。风沙区风向多变，选线及对铁路危害的预测、地质调绘(沙害现状、等级、程度)、勘探测试、风沙观测与评价是工程地质难点。

沿线采空区分为大面积煤田采空和小煤窑采空两类。煤窑采空、自燃煤情况复杂，采空区对线路方案影响较大，是地质选线的难点。

各方案均涉及有地震液化，河湖段及河套段消除液化工程量较大，可考虑和软基、盐渍土一并处理，是地质重点。

各方案软土及软弱地基土分布广泛。A1K方案涉及约21 km，其他各方案亦有涉及，确定其设计施工方案是关键。A1K方案岩渍土段落长达82.85 km，以弱—强盐渍土为主，需重点处理。

根据包头工务段所提资料，冻害主要分布于A1K21+450～A1K277+950段，累计7.6 km/56处，季节性冻胀和融沉是铁路工程主要病害之一。

另外，2处跨黄河特大桥的凌洪防治方案是技术难点，仅在岗德尔山局部见到的小型岩溶对方案影响小。

5 新方法与传统方法成果比较

5.1 传统方法

传统的方法在收集既有工程资料、国家地质资料馆馆藏资料、区域专项资料、原始航片资料的基础上，进行大规模地质调绘。主要是对包兰线、集包线、包西线、东乌线等所有既有工程资料，对施工资料、运营台账、重点工点病害进行验证、核实。对各方案上述各类地质问题逐一调查落实，若2人一组，每天调绘10 km，有价值的3 500 km/64条研究方案，对地质人员来说，也需要10人70 d完成外业调绘，还没有整理分析的时间，要求1个月内完成初测方案几乎不可能。

5.2 成果比较

遥感数字技术新方法实现室内与野外的互动，比如，沿河套及沙漠可精确的勾绘出风沙、防护林等控制线路的重点、控制点，一个人可以用3 d时间勾出一条方案规定范围的地质边界，然后派调查组拿着绘出的底图进行现场重点点位核对，通过手机也可直接和室内人员一起分析协商，小组讨论，重点落实后，反过来再修正室内地质图。这样，10人1个月内可以扎实地完成任务。数字技术定位完全数字化，视口范围大，定点准确，避免了个人识图定位、转图带来的误差，大大提高了填图精度，同时，航空物探三维反演技术可快速有效的控制方案地表及深部地质体立体边界及规模，高效地为稳定方案及地质勘察提供指导。新方法具有用时短、精度深、效率高的特点。

6 各方案地质选线意见

6.1 防风固沙设计治理方案比较

依照风沙勘测规则[18]勘察设计，结合老包兰线、青藏线、兰新线等既有铁路风沙治理的成功范例，确定综合的防风固沙设计治理方案是该项目成败的关键。作为所有方案中对高铁最大的危险因素，A1K方案经过风沙段落短，风沙影响轻，可控、可借鉴、可处理。既有铁路、公路没有发生过影响运营的灾害。各方案沙害分布状况及治理建议措施见表1。

表1 各方案沙害分布状况

6.2 采空区、自燃煤及压矿通过原则

采空区、自燃煤及压矿以绕避为原则。A3K、A4K方案公乌素和鄂托克旗棋盘井镇附近一些小煤窑及国有洞采大煤矿，多含可燃气体，线路虽已绕避采空区，旦存在煤、气自燃[19]后导致地表塌陷裂缝的较大风险，部分压煤、压油段不可控因素多。A1K方案避开了主矿区及采空区，对已探明人防巷道采取支护处理通过，为最好方案。

6.3 各方案经过的液化土、盐渍土、冻土比较

各方案均涉及到可液化土、盐渍土、季节性冻土。高原系列方案经过的液化土、盐渍土段落相对较短。各方案涉及的季节性冻土段落相当，均可采取处理措施，不控制方案的可行性。

6.4 软土及软弱地基土处理措施

各方案均涉及软土及软弱地基土，可根据地层类别、软土或软弱土层的厚度以及沉降检算及稳定性检算结果，可采用挖除换填、冲击、重振碾压、碎石桩、水泥土搅拌桩、CFG桩、螺杆灌注桩、反向螺丝钉桩或预应力管桩加固等处理措施。

6.5 冰凌灾害防御的可能性

A1K方案可结合黄河凌汛破坏特点，制定防冰害[20]途径和措施，对磴口及乌海黄河特大桥通过处，整治河道，防冲撞、改善泄流排水条件，减少冰凌卡塞，采取工程防御(建水库、堤防、涵闸、设分凌区、冰凌爆破)和非工程防御(人工凌情观测、冰情预警、防凌调度系统)相结合的方式，共同防治冰凌灾害，方案可行。

6.6 其他因素

北方干旱区小型岩溶、膨胀土、断裂等地质问题对各方案选线影响较小。

总之，本线最大的风险因素为风沙、自燃煤，其次，为冰棱，其他风险因素易控制。经过综合比选，A1K方案优点是所经风沙段落短，避开了采空及自燃煤，地形平坦，串联河套富庶重镇，缺点是局部有凌洪水害，其他方面地质条件与各比选方案相当。A1K方案沿河套、沙漠前缘与既有包兰铁路穿叉行进，无论从地形地貌，地质问题，还是城镇发展、社会效益方面优势明显。

7 结论

采用卫星3D地图、“大场景”、航空航天遥感或地面遥感、无人机摄影等数字技术新方法结合地质研究的老方法，反演出立体的地质体信息。研究了经过黄河河套区和高原沙漠区两大类方案，在庞大的地质信息中快速找出主要工程地质问题和控制方案的重点、难点技术，从宏观圈定到微观比较，分析梳理处理措施，给出了各方案、支线、枢纽及局部比选方案地质条件和特点，为包银高铁选出最佳方案提供了技术支撑。遥感数字技术新方法使用条件要求低，重点解决地面及地下物质分布，地面变形、沉降等动态监测，可在多领域推广使用。特别是在线状、面状工程的地面及地下地质体研究方面有很大潜力，具有用时短、精度深、效率高、可立体解读的特点，在铁路行业已经得到重视，亟待大力推广，遥感数字技术新方法结合BIM技术，可快速建模，用于设计。

特别是在人力无法达到的区域，采用航天卫星奥维地图、航空物探(如川藏线、滇藏线、中尼铁路，用航电、航磁、航放的方法)和地面地质雷达相结合，采用“空、天、地”遥感达到快速解决地质问题，优选路线方案，是未来数字地质及选线的发展方向，也是地学革命性突破的方向。