南沙地区复杂地形地质条件下岩土工程的勘察及技术应用

祝敏刚，闵勇章，童 伟，李 艺，吴福平，周成凯

（中国电建集团城市规划设计研究院有限公司，广东 广州 511458）

0 前 言

南沙地区具有独特的地质条件和场地背景，受珠江水系切割，河网密布，地形地质条件复杂多变，且广泛分布厚度变化大的软土层［1］。近年，随着南沙经济不断发展，各地都在规模化的开发与建设。而房屋建筑、轨道交通、水利等工程重点关注第四系覆盖层厚度、地层结构、活动断裂分布、地质体、岩性变化等特征［2］，而勘察人员需要在紧张的工期内掌握准确的地质信息，包括了解岩土层的性质和潜在地质隐患、评估地质灾害风险并提出建议措施、评估地质条件对工程的影响，为工程规划和可行性研究提供依据，为后续的工程设计以及各项决策的落实提供充足的参考依据。

目前，工程界在南沙区已经进行了较多的地质勘察工作，但未对南沙地区复杂地形地质条件下的勘察工作开展系统性和综合性研究。因此，结合现有勘察方法，通过总结南沙地区复杂地形和地质条件下的岩土工程勘察经验，为勘察工作提供参考。

1 南沙区域地质特征

1.1 地形地貌

南沙区地处珠江口与伶仃洋的交汇处，由于成因与形态的差异，地貌单元主要有潮间带地貌、海成地貌和流水地貌等［3］。其中，冲积平原占区内大部分陆地面积，丘陵台地主要分布在南沙街道区域。

根据研究发现，南沙地区的三角洲在晚始新世晚期初是一个原始的河口，随着海水退去，陆地逐渐形成，这一过程大约发生在晚更新世末期至全新世早期之间。

根据曾昭璇教授的观点，南沙区境内的三角洲平原是由西、北江干流经过市桥台地后的冲积作用形成的，逐渐向海伸展和淤高，形成淤涨型潮坪和浅滩［3-4］。

1.2 地层岩性

南沙区主要由三角洲冲积土形成，有深厚的海陆交互相淤泥软土广泛分布。陈小月［5］于2018年经过大量勘察研究发现，南沙区覆盖层厚度普遍超过40 m，其中广泛分布的软土层厚度普遍达20 m。

丘陵台地主要分布在南沙街道，大多数是白垩系红色砾岩组成的低丘；其他低洼区则主要由第四纪河口相沉积物组成。由于近海潮位的影响，南沙的地形地质条件相当复杂。

在南沙林场茸鹅山至塘坑，分布有区域内最老的下古生界震旦系片岩、变质砂岩、硅质岩；南沙深湾主要分布有加里东期的混合花岗岩；南沙的黄山台一带，以及黄阁的大山乸等地广泛分布燕山期的细粒～粗粒黑云母花岗岩，也是区域内分布面积最大的基岩。

1.3 地质构造

在南沙区域内，广泛分布着形成于四纪（迄今约250万年）以后的第四系晚更新统和全新统沉积物。这一时期，地壳经历了继承性升降运动，进入了相对稳定的阶段。

南沙主要经历了加里东、华力西～印支、燕山各期地壳运动，构造颇为复杂。而中生代燕山运动使地台活化，形成不同方向展布的断裂。其中发育的断裂主要有大涌断裂（F7）、沙湾断裂（F9）、陈村断裂（F11）、横沥断裂（F12）、紫坭断裂（F13）、洪奇沥断裂（F14）、南沙-东莞断裂（F15）等，几组断裂带相互切割，控制了研究区的地貌形态和基底断块的形状［6］（见图1）。

图1 1∶50万广州市断裂构造［7］

1.4 地 震

据记载，珠江三角洲地区自公元1045年以来发生的地震有400多次，震级大多较低，破坏力度较小，曾发生过5次不超过6级的破坏性地震。从空间来看，地震主要是沿着3组断裂发生。北西向断裂，如沿西江断裂带在四会（1445年、1584年）、磨刀门（1905年）发生过4.75～5.5级地震；顺德断裂发生过21次3～4级地震；沙湾断裂曾发生12次3级地震，2次4级地震；北东向断裂，如广从断裂曾发生4次4.75～5.0级地震；东西向的瘦狗岭断裂、广三断裂，在广州曾发生过3～4.75级地震。

2 勘察技术在南沙工程中的应用

2.1 测绘技术

测绘技术是勘察的一种基础技术，主要用来勘测自然地理、空间位置、地表人工设施形状等要素。

随着科技的进步，测绘技术发生了巨大的变化。从传统的水准测量、角度测量、三角高程测量及距离测量，发展到倾斜摄影测量、三维激光扫描测量、全球定位测量系统、智能测量机器人、遥感测量等；测绘计算从传统的手算或计算器计算发展到智能软件运算分析及智能云计算等；从传统的绘图板绘图、CAD简单制图到全自动化绘图及地理信息系统等，行业的发展提高了测绘的精度和效率［8］。

目前，测绘技术在南沙地质勘探、资源调查、土地利用和环境保护等领域获广泛应用。通过该技术获取高精度数据，为勘察、设计、施工及数据分析提供科学依据，提高南沙工程的安全性和数字化建设。

2.2 原位测试技术

在岩土层原本所在位置勘测岩土性质。原位测试的技术原理是：在岩土层所在位置、所处环境的含水量、应力状态、结构状态等原始状态下，进行原位测试，最大程度保证岩土层的工程力学性质指标，提高岩土工程勘察参数的精准。常用的原位测试技术包括标准贯入试验、静力触探、动力触探、十字板剪切、剪切波速测试、旁压试验、静载试验等。

由于室内试验环境与室外勘察环境相差较大，目前南沙工程勘察项目通常会应用原位测试技术。该技术的运用，有效解决了因为理论公式计算往往准确度较差，或过于保守或超出预期的问题。

2.3 岩土钻探技术

由于研究区第四系分布广泛且较厚，大部分区域少有地质露头，且地下隐伏岩性较多，往往需要依靠钻探获取基本地质资料。该技术需要利用钻机、动力机、泥浆泵等专业的地质钻探设备，以完成对现场岩土层的钻探施工，其中钻机是核心设备。

目前，在南沙工程勘察应用岩土钻探技术的过程中，最常用到的钻机型号有2种：一是GXY-1、二是XY-2，最常用的钻探方法是泥浆护壁法和回旋钻进法的岩芯钻探法等。

2.4 地球物理方法

目前，针对复杂地形地质条件下的勘察工作，已经发展出多种成熟的地球物理方法，包括浅层地震反射波法（二维和三维）、高密度电法（二维和三维）、地质雷达、被动源面波（微动）、音频大地电磁等。

目前，高密度电法被广泛应用于圈定南沙地下水源［9］、查找隐伏断裂［10］。

音频大地电磁，通过正演模拟断层在不同倾角、倾向与电性情况下的视电阻率和阻抗相位拟断面，在识别南沙深部隐伏构造、盆地断陷（地堑）方面有较高的分辨率［11-12］。

微动勘探利用布设的台阵观测天然场数据，提取地下面波频散曲线，通过反演获取地下地层的横波速度结构信息，具有无损、观测设备简单、背景噪音成像、勘探效果明显的特点，是当下探测南沙隐伏断裂、覆盖层厚度及地层分层的新方法［13］。

2.5 GIS技术

针对复杂的地形地质条件，建议灵活运用地理信息系统等先进技术，以达到减轻工作人员压力，提高勘察工作效率的目的。在南沙工程勘察中，GIS技术已得到广泛的运用。该技术能够及时、精准地获取勘察区域内的空间信息以及其他辅助信息，并借助网络系统形成三维立体的结构模型，便于勘察人员灵活推进后续勘察工作，为勘察人员了解地形地质情况提供充足的信息支持。

3 南沙勘察工程实践经验

工程实践表明，即便是在南沙同一区域内，也可能存在多种多样的地质构造情况，复杂的地质条件为后续施工工作有序开展增加了隐形问题。

3.1 单一常规勘察方式无法满足设计要求

3.1.1 问 题

南沙复杂的地形地质条件下，同一区域内的岩土性质往往也存在着较大的差异。而现实中很多勘察项目通常采用单一常规勘察方式，结果导致勘察成果无法满足设计和施工的要求。

3.1.2 解决方案及工程实例

近几年，为了满足南沙规模化工程建设高速发展的需求，急需把南沙复杂的地形地质条件进行三维建模，而由于南沙地形地质条件的复杂性，采用常规的钻探揭露后，单一的软件建模往往效率低且可视化效果差。2020年武汉地质调查局采用综合勘察方法，如原始钻探、三维空间集成、多源数据融合，有效集成了整个南沙区域地质信息，并依托南沙三维地质结构模型及信息平台搭建地质空间数据库，通过离散光滑插值（DSI）技术构建了三维曲面，并采用半自动建模方式，依据强制约束条件建立了以钻孔为主、其他信息为辅的三维工程地质模型［14］（见图2）。

图2 广州市南沙区三维结构模型

再如对南沙区主干断裂-沙湾断裂带的研究上，2016年董好刚等［6］通过综合运用联合钻孔验证、构造解析、浅层地震勘测、断层活动年代测定、氡气测量及地质地貌填图等勘察方法，发现目前该断裂仍有一定活动性，为后续勘察界对南沙地质的勘察研究提供了重要的依据。

3.2 不同区域同一地层岩土性质的差异性

3.2.1 问 题

在工程界，勘察工作往往会得出在一定区域岩土的性质具有相似性的规律；而不同区域、相同地层的岩土性质差异较大。在工程实践中，很多勘察人员，包括设计和施工方或业主由于缺乏相关勘察理论知识或经验，不考虑实际勘察揭露的数据，主观上把本项目相关参数数值错误判定为相邻或类似项目的参数数值，容易造成后期工程事故的发生。

3.2.2 解决方案及工程实例

地处珠江三角洲冲积平原前缘的南沙区在长期的河流冲积和海潮进退作用下，广泛沉积了厚度变化大的海陆交互相软土［15］。由于地质生成环境、地形影响及河道分布的不同，软土在成层厚度、层理构造和展布深度上均有明显的差别［16］。

经收集勘察资料总结发现，在龙穴岛至万顷沙至大岗镇、榄核镇一带，软土层内常常含有厚薄不均的细粉砂层，且分布不均匀。由于河流和海潮的复杂交替作用，淤泥与薄层砂相互交错沉积，形成不规则的尖灭层或透镜体夹层结构。而在黄阁镇至番禺方向则较少有揭露夹杂砂层。

李焕新［16］研究表明，在南沙地区的软土具有与一般软土不同的特殊性质，并且在该地区的不同地域内，软土的性质仍存在一定的差异性。基于以上特征，潘钦生［17］通过对南沙地区的软土进行大量勘察实践总结，并于2006年专门对南沙地区的软土进行了单独的判定标准：天然孔隙比e＞1；天然含水量接近或大于液限；压缩模量Es＜4.0 MPa，或标准贯入击数N＜3，或双桥静力触探锥尖贯入阻力qc＜1.0 MPa，或十字板剪切强度Cu＜30 kPa。该标准的提出为南沙区软土勘察工程提供了重要参考依据。

3.3 野外地质工作决定勘察成果的质量

3.3.1 问 题

野外地质工程勘察工作是获取关键数据的基础工作，对于编制高质量的室内勘探报告起着基础性的作用。如野外原位测试，如果勘察人员操作不当，测试偏差较大，必然会使数据结果失真。

但是，对于南沙复杂地形地质条件的勘察工作中，勘察人员往往对野外地质勘察工作的重要性不够重视，容易造成野外地质勘察报告质量差，导致后期设计和施工人员难以充分掌握准确的地质信息，对勘察成果影响较大。

3.3.2 解决方案及工程实例

在标准贯入试验操作中，勘察人员经常会遇到孔深不符合杆长等问题，如果孔底存在缩径或者残留等情况，而标贯器没有落到预先设计的测试位置，标贯击数都会丧失真实性，从而导致参考标贯击数判定的岩土层物理力学性质偏差较大，出现一系列设计和施工问题。再如，场地岩土类别与覆盖层厚度的剪切波速测试分析，往往没有得到足够重视，经常对岩土工程相关评价工作造成困扰［18］。

因此，勘察人员应该投入更多的精力到野外，及时获取不良地质信息，发现并纠正现场问题，使勘察技术能够更好地发挥其实践应用价值。

3.4 严格执行规范是岩土勘察成败的关键

3.4.1 问 题

参考我国岩土工程勘察相关规范，如果遇到相对复杂的地形地质环境，勘察人员就需要根据实际情况来设置勘测点，局部地质复杂地段需要进行加密勘探，以保证勘察数据的客观、真实与完整。然而，实际勘察工作中，部分勘察人员没有严格遵循规范要求，未设置足够的勘测点，容易造成2个勘探点之间的地层相差偏大；且编录现场信息时缺乏耐心与责任心，数据与实际情况严重不符，致使勘察与岩土工程施工失去了参考依据。还有一部分勘察人员专业水平不足，没有全面了解野外岩土层的性质和特点，仅凭主观经验随意勘测地形地质，这种不规范的行为存在很大的风险和隐患。

3.4.2 解决方案

严格的按照规范进行勘察，科学合理判定勘察的深度和间距。在具体应用勘察技术时，建议能够针对不同类型的地质情况按照规范规定调整勘探的深度，合理调节间距以便充分满足在复杂程度不同的地形地质条件下的勘察需求。选择与实际情况更相适宜的勘察技术，有效降低可能在勘探工作中出现的误差，从而增强勘察的准确性。

3.5 岩土取送样影响岩土参数的准确性

3.5.1 问 题

岩土取样和送样问题中，部分勘察人员只是随机选取勘探点进行样本的采集后送实验室检测，并没有全面了解整个勘察区的岩土特点，而岩土性质本身具有很大的离散性，容易导致最终成果的参数选取出现问题。

在实际勘察过程中，部分工作人员未能及时送样，也并未对岩土样品进行妥善保存，常常导致检测结果误差较大，例如试验中的含水量检测结果偏低等情况时有发生，对设计和施工造成了一定的影响［19］。

3.5.2 解决方案

钻孔取样过程中，勘察人员应按规范要求采集和保存岩土样本，及时送实验室检测。在室内检测试验过程中，需要注意两点：首先，检测土样时，人为主观因素以及环境、设备等客观因素都会对检测结果的准确性产生影响，为了确保检测数据的客观性和真实性，勘察人员需要对样本进行反复多次的检验；其次，使用不同的检测方法对同一批样本进行检测，以验证结果的准确性和一致性。

3.6 掌握先进技术有利于提高勘察效率和质量3.6.1 问 题

复杂地形地质条件下的勘察工作对岩土工程勘察有着更高的要求，然而在实际工作中，很多项目上的勘察仍然采用常规方法，往往满足不了设计和施工的需求，其成果报告内容偏差也较大。

3.6.2 解决方案及工程实例

复杂地形地质条件下的勘察工作有着较大的难度，需要借助现代化勘查技术。在2018年，陈洁等［20］首次运用国际先进的等离子震源技术，在高精度地震成像的基础上，成功揭示了南沙海域的第四纪精细地震地质结构。

在2002年，乔纪纲等［4］利用虚拟现实（VR）技术模拟岩层，并结合GIS技术，成功构建了珠江三角洲第四系基底和软土层（包括横拦组和灯笼沙组）的数字地形模型（DTM）。这一模型解决了南沙地区地面数据的三维建模和空间分析问题。

2023年，陈松等［21］运用AMT探测方法，利用反演的电性断面，圈定了花岗岩、红层砂砾岩的出露范围，划分了不同岩性分界面的空间位置，识别出了南沙-东莞断裂，纠正了区域内此前勘察成果中对区域断裂的漏判，也对工程界判断区域断裂具有重要意义。

再如，中电建成都院在2023年开展的番顺围防洪排涝项目的勘察工作中，针对南沙区大岗镇深厚软土的特征，由于电磁波吸收衰减作用明显，采用常规大地电磁法无法有效划分第四系厚度。项目部决策后，决定采用常规地震勘探方法探测地层松散沉积层与坚硬基岩的界面深度，为工程选址提供依据。但实践过程中，无论采用爆破震源还是可控震源车，都会对周边环境产生较大影响，因未有效解决扰民问题，后被禁止采用。

经过多方法比选后，项目部最终采用先进的微动勘探技术和高密度电法。微动勘探技术利用H/V谱比法曲线峰值频率，估算土石界面深度［22］，该方法克服了常规地质雷达技术探测深度的有限性，而高密度电阻率法工作手段灵活，测线布置方便，极大节省工期。综合使用两种物探方法，并配合钻探手段，得到的数据通过相互验证，稳定高效，勘察成果有效确定了基覆界面和软土顶底界面，为设计和施工提供了依据。

4 结束语

针对南沙复杂的地形地质条件，综合采用多种科学合理的勘察方法，通过对数据的分类、统计、对比和分析，了解了该区域岩土的分布状况和性质。而复杂地形的岩土勘察需要先进的技术设备和科学合理的勘察方法，以提高勘察效果和准确性。特别是在南沙地区的复杂地质条件下，设计和施工往往对岩土工程勘察要求较高，面对可能出现的诸多问题，勘察人员需要提升个人素养和专业技术水平，严格遵循规范要求，充分发挥主观能动性；在选择岩土工程勘察技术时，除了要将已有资料进行集中整合之外，还需要灵活运用现代化的计算机技术，结合实际情况采用科学合理的技术和设备，确保勘察结果客观准确。未来，勘察人员还需要积极探索适用于南沙区复杂地形地质条件的岩土工程勘察方法，以提高勘察质量和效率，推动南沙区工程建设领域的稳定发展。