地下实验室施工期井巷地质编录技术方法研究

张竞嘉，田霄，李亚伟，刘健

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.国家原子能机构高放废物地质处置创新中心，北京 100029）

高放废物地质处置地下实验室（Underground Research Laboratory，可简称URL）是指建造于一定深度、用于开发和验证高放废物地质处置技术、在一定情况下用于评价场址适宜性的地下研究设施［1］。地下实验室建设和现场试验是高放废物地质处置研究开发中承上启下、不可或缺的关键环节，是开展处置库研发的必要条件。北美、欧洲和日韩等涉核国家已相继建成20 余座地下实验室，并开展了大量现场试验和技术研发工作，相关科研成果和经验为各国研发高放废物地质处置技术起到了重要推动作用［2-3］。

国内、外研究经验表明：有关地下实验室的科研工作可分为选址、建设和运行3 个阶段［4-5］。其中，地下实验室建设过程本身也是一个研究过程，是整个地下实验室研究工作中的重要组成部分。为此，国外地下实验室在建设过程中开展了大量科研工作。通过调研国外几座地下实验室（瑞典、芬兰和法国等）在建设过程中开展的科研试验内容，笔者发现其首先开展的工作均为施工期巷道地质编录，这表明在地下实验室建设阶段开展井巷地质编录技术研究是十分基础且必要的。通过该项技术手段，可系统获得地下实验室各类硐室的地质信息，查明地下实验室场址及场址区域内岩体特征及构造的产状、规模和空间展布特征，构建地下实验室相关地质模型，并为场址精细化三维地质建模与围岩长期稳定性分析提供原始资料，为综合研究场址深部环境地质特征提供基础数据，为工程开挖、开挖过程中的现场试验，以及未来地下实验室运行中的科研提供支撑［6-8］。

目前我国已筛选出北山新场作为地下实验室场址，完成了地下实验室的工程设计，并于2021 年6 月17 日正式开工建设［9］。本文通过调研国外地下实验室的井巷地质编录经验，并结合我国已有的与巷道地质编录相关的标准规范，根据北山地下实验室的工程特点，有针对性地提出一套适用于高放废物地质处置花岗岩型地下实验室的井巷地质编录技术方案，该方案亦可为其他地下实验室或地下硐室的编录方法提供参考。

1 国内、外研究经验

1.1 国外地下实验室研究进展

井巷地质编录是获得高放废物地质处置场址深部地质环境特征信息的重要手段，因不同国家的场址所处围岩岩性的不同，井巷的开挖方式和编录技术方法也有一定的差异。其中，瑞典Äspö 地下实验室和芬兰ONKALO 地下实验室的围岩岩性与我国北山地下实验室场址相似，均为花岗质岩。

1.1.1 瑞典Äspö 地下实验室

Äspö 地下实验室的围岩岩性主要为花岗质岩，采用的巷道开挖方法为钻爆法，通过区域地质调查和钻孔勘查工作，在场址地表和深部出露的围岩岩性、结构面特征等方面形成基本认识［10］，方便在后期编录过程中快速查明和记录相关地质要素。在正式编录前，对Äspö 地下实验室进行了一系列准备工作，包括对巷道两壁、顶、底板进行清洗，配备了照明、摄影、人工记录和绘图等相关设备和材料，并在巷道内绘制基点和基线（图1、2）［11-13］。

图1 Äspö 地下实验室洗壁和照明工作现场（据SKB［11］）Fig.1 Tunnel wall cleaning and lighting work in Äspö URL（After SKB［11］）

图2 Äspö 地下实验室使用的三维激光扫描仪与影像设备（据SKB［11］）Fig.2 3D laser scanners and imaging equipment used in Äspö URL（After SKB［11］）

在编录过程中，Äspö 地下实验室规定了需编录的主要内容应包括围岩类型、岩性边界或接触带、围岩蚀变特征、构造特征、构造变形区特征、渗流情况和岩石质量评价参数等，并采用记录表和素描图的形式对所观测到的地质信息进行记录。在巷道素描图的绘制方法上，Äspö 地下实验室采用将巷道进行二维平面展开的方式绘制巷道素描图底图（图3），并将EDZ 素描、掌子面素描、巷道底板素描连同巷道顶板和两壁展开图集合在同一张底图中（图4），可详细记录并直观展示巷道不同部位的全部地质要素。

图3 Äspö 地下实验室巷道素描展开原理图（据SKB［11］）Fig.3 Unfold schematic diagram of tunnel sketch in Äspö URL（After SKB［11］）

图4 Äspö 地下实验室巷道素描底图（据SKB［11］）Fig.4 Sketch base map of Äspö URL（After SKB［11］）

在井巷地质编录过程中，Äspö 地下实验室采用了人工编录和影像编录（三维激光扫描和摄影技术）相结合的方法。人工编录是指编录人员手工记录巷道内所观察到的一切地质信息，数据格式以纸质类记录表和素描图为主（图5）。影像编录工作主要包括三维激光扫描和摄影编录，通过影像编录手段可获得带有空间信息的三维影像和点云数据等（图6）。通常在巷道开挖结束后，首先进行三维激光扫描，并辅以摄影地质编录工作，第1 时间获取巷道的三维影像和点云数据。根据三维激光扫描和摄影编录的方法经验，Äspö 地下实验室认为以上两种方法在地下实验室巷道开挖过程中的井巷地质编录工作中具有很高的应用价值［12］。

图5 Äspö 地下实验室井巷地质编录相关记录表格（据SKB［13］）Fig.5 Table of record of tunnel geological mapping in Äspö URL（After SKB［13］）

图6 Äspö 地下实验室某巷道实景影像与三维点云模型（据SKB［12］）Fig.6 Real scene image and 3D point cloud model of tunnels in Äspö URL（After SKB［12］）

1.1.2 芬兰ONKALO 地下实验室

ONKALO 地下实验室的围岩岩性同样以花岗质岩为主，巷道开挖方法为钻爆法，前期通过对Olkiluoto 预选区开展区域地质调查和钻孔勘查工作，对场址地表和深部出露的主要围岩岩性、结构面特征等方面形成基本认识，并对地下实验室场址初步开展建模和相关领域的预测研究工作。与瑞典Äspö 地下实验室相似，ONKALO 地下实验室也开展了包括巷道壁的清洗、配备相应的仪器设备和绘制基点基线等工作。不同的是，ONKALO 地下实验室工程包含3 条竖井，编录人员对每条竖井开展了编录工作，并将巷道地质编录工作划分为3 个阶段，分别为快速编录阶段（round mapping）、系统编录阶段（systematical mapping）和补充研究阶段（supplementary studies），每个阶段均设定了特定的编录对象、目的、任务和成果资料等，各阶段具体编录概况见表1［14］。

表1 ONKALO 地下实验室各阶段编录信息概况Table 1 Overview of mapping ingredient in different stages of ONKALO URL

在满足工程和科研需求的前提下，ONKALO地下实验室采用的分阶段编录形式使编录人员的分工更加明确，为满足各阶段的编录需求可开展有针对性的编录工作，极大地提高了编录效率，同时也有效避免了对工程施工造成影响。

竖井编录方面，考虑到编录和工程建设人员的安全及施工影响等方面，ONKALO 地下实验室在竖井编录过程中未采用分阶段编录的方式，而是直接进行系统编录工作（图7），编录方法以三维激光扫描为主，主要获得了竖井壁的三维点云数据。

图7 ONKALO 地下实验室7 号处置坑编录数据示意图（据Posiva［6］）Fig.7 Visualisation of geological mapping data from experimental deposition hole 7（After Posiva［6］）

1.1.3 国内研究进展

我国在地质矿产、水利水电、隧道和边坡工程等领域均制定并发布了与井巷地质编录有关的标准或规范，主要包括：《固体矿产勘查原始地质编录规程》（DZ/T 0078—2015）、《水利水电工程施工地质规程》（SL/T 313—2021）、《水工隧洞设计规范》（NB/T 10391—2020）和《水利水电工程边坡施工技术规范》（DL/T 5255—2010）［15-18］。上述标准或规范为地下实验室井巷地质编录技术方法研究提供了参考依据。以中华人民共和国地质矿产行业标准《固体矿产勘查原始地质编录规程》为例，该规程对坑道内基点基线的布设、坑道素描图的绘制和地质要素的记录等方面的地质编录方法进行了详细说明（图8、9），相关内容对地下实验室井巷地质编录中人工编录技术具有一定参考价值。

图8 压平法绘制坑道素描图原理［15］Fig.8 Principle of drawing tunnel sketch map by flattening method［15］

图9 某矿区穿脉坑道素描图［15］Fig.9 Sketch map of transverse drift in a mine［15］

然而，考虑到高放废物地质处置研发需求与工程实际特点，在地下实验室的巷道编录中，编录人员关注的编录对象、内容和方法与其他领域的编录工作存在较大差异。例如，固体矿产勘查编录的侧重点是矿体特征与矿产资源储量计算，水力水电与隧道工程重点关注工程围岩稳定性。而地下实验室的编录内容涉及专业领域较广泛，包括地质、水文地质和岩石力学等学科，编录内容囊括岩石、构造、裂隙充填物、蚀变、裂隙的导水性、岩石工程质量评价和围岩长期稳定性等多方面。同时，由于地下实验室的井巷地质编录工作量大、数据量多，因此需结合摄影和三维激光扫描等多种方法对部分或全部巷道进行快速编录。综上所述，国内其他领域的标准或规范具有一定参考价值，但不能完全适用于高放废物地质处置地下实验室中的井巷地质编录工作，这就要求编录人员需根据地下实验室工程特点与研发需求，制定专门的井巷地质编录技术方案。

2 北山地下实验室编录方案

2.1 地下实验室概况

北山地下实验室位于甘肃省酒泉市肃北县马鬃山镇新场地区，距玉门市直线距离约80 km，地处戈壁无人区。场址地貌表现为低山丘陵区，海拔介于1 700～1 800 m 之间，岩体岩性主要以黑云母花岗闪长岩和黑云母二长花岗岩为主。在工程建设方面，北山地下实验室采用螺旋斜坡道+三竖井+两层平巷的主体架构方案，在地下280 m 深和560 m 深建设试验水平，用于开展现场试验（图10）［19］。

图10 地下实验室主体架构和编录位置示意图Fig.10 Main structure and logging location of Beishan URL

图11 地下实验室井巷地质编录总体技术路线Fig.11 Overall technical flowchart of tunnel geological logging in Beishan URL

2.2 编录方案概述

2.2.1 编录对象

北山地下实验室的编录对象主要包括人员竖井、螺旋斜坡道、-280 m 和-560 m 水平试验巷道。其中，人员竖井采用钻爆法施工，深度为590 m；螺旋斜坡道采用TBM 方法开挖，长度约为7 km；-280 m 和-560 m 水平试验巷道采用钻爆法开挖，总长度不小于2 km。

2.2.2 总体技术路线

北山地下实验室的编录对象包括两大类，第一大类为螺旋斜坡道和水平巷道，第二大类为人员竖井。其中，螺旋斜坡道和水平巷道的主要编录对象包括钻爆法巷道、TBM巷道和掌子面，采用的编录方法包括影像采集、三维激光扫描和人工观测，拟获得影像数据、点云数据和编录图表；人员竖井的主要编录对象为人员主竖井井壁，采用的编录方法为影像采集，拟获得竖井壁的影像数据。综合螺旋斜坡道、水平巷道和人员竖井的编录资料，通过数据综合处理与集成分析，系统获得井巷围岩地质信息，揭示地下实验室场址深部地质特征。

2.2.3 编录内容

井巷地质编录的重点关注内容为地质结构面和岩性。岩性编录主要针对地下实验室井巷围岩岩石学特征进行编录，包括岩石的颜色、粒度、结构、构造、矿物组成、蚀变和岩性边界等要素。地质结构面编录是地下实验室编录工作的重中之重，依据地质构造性质分为节理（带）和断层（带）。节理（带）主要指未发生明显错动的单裂隙或裂隙带，编录内容包括节理（带）的位置、数量、产状、迹长、宽度、开合度、裂隙充填物类型及厚度、节理面的形态等；断层（带）主要指发生明显错动的单裂隙或裂隙带，编录内容包括断层（带）的位置、产状、宽度、构造岩、蚀变和充填物等。

根据井巷地质编录目标任务、地下实验室工程设计方案、现场试验规划及总体进度安排，针对不同编录对象制定了详细编录方案。其中，斜坡道和平巷编录分为快速编录、系统编录和补充编录3 个阶段，竖井编录集成为一个编录阶段，各编录阶段的方案见表2。不同类型巷道的基本编录流程见表3。

表2 北山地下实验室井巷地质编录工作总体方案Table 2 Overall work plan of tunnel geological logging in Beishan URL

表3 北山地下实验室井巷地质编录作业流程一览表Table 3 List of work processes of tunnel geological logging in Beishan URL

2.2.4 斜坡道和水平巷道编录方案

根据北山地下实验室工程建设方案，螺旋斜坡道主要采用隧道硬岩掘进机（TBM）掘进，水平巷道采用钻爆法开挖。在现场编录过程中，采用人工观测和影像采集相结合的方法进行编录。其中，影像采集方法的具体步骤如下：

1）测量定位并绘制标记点：在编录工作开始前，编录人员首先在新开挖巷道壁上标绘若干空间定位控制点，测量并详细记录上述点的编号和空间坐标。

2）编录人员和设备进场：编录人员携带编录设备和材料到达目标编录位置。

3）硐壁影像拍摄：编录人员手持影像采集设备站立在巷道底板中心线上或一侧侧壁附近，从巷道一侧岩壁底端开始拍摄，直至拍摄至另一侧岩壁底端为止（图12），确保同一回次所拍摄的相邻照片间的影像重叠率保持在60 %～80 %。

图12 斜坡道单回次影像采集方案示意图Fig.12 Sketch map of single shot image acquisition for ramp

4）三维实景模型构建：将所拍摄的照片导出至相应数据处理软件中进行拼接和建模，在三维模型构建完成后，在其中标记步骤1）中所测得的控制点，并将其真实空间坐标信息输入点的属性中，即可对模型的三维空间形态完成校正（图13）。

图13 巷道三维实景模型构建示意图Fig.13 Sketch map of construction of 3D real scene model in tunnels

5）实景模型结构面解译：利用数据处理软件将步骤4）生成的实景三维模型进行分析和特征参数提取，对模型内揭露的裂隙进行识别，获取裂隙的特征参数（图14）。

图14 斜坡道TBM 巷道转弯段880～940 m 三维实景模型结构面解译效果图Fig.14 Interpretation of the structural plane of the 880～940 m real scene model in the bend section of the TBM tunnel in ramp

除开展硐壁影像采集外，还需开展人工观测工作。人工观测的内容应包括但不限于：围岩岩性、岩性边界、接触带、岩脉，节理带或断层带的构造特征，如位置、数量、产状、迹长、宽度、开合度、裂隙充填物类型及厚度、节理面形态、蚀变及构造岩等。根据编录内容和重点，人工观测时对硐壁上的地质现象依次开展观察、识别、测量、记录、绘图、拍照和取样等，并填写相应记录表格，绘制完成巷道素描图（样式如图15）。

图15 斜坡道TBM 巷道编录素描图和记录表Fig.15 Sketch and record table for TBM tunnel logging in ramp

2.2.5 人员竖井编录方案

北山地下实验室共设计3 个竖井，分别为人员竖井、入风井和出风井，由于入风井和出风井均采用反井掘进方式，因此主要针对人员竖井开展编录工作。人员竖井井深590 m，净直径6.6 m，采用钻爆法施工。与斜坡道编录工作相似，在人员竖井中也采用了人工观测和影像采集相结合的方法。人员竖井影像采集工作流程如下：

1）竖井井壁清洗：在每回次爆破、清渣和通风后，在编录人员进场前完成井壁的清洗工作。

2）编录人员和设备进场：编录人员携带编录设备和材料到达目标编录位置。

3）绘制标记点和测量定位：在编录工作开始前，编录人员首先在新开挖井壁上标绘若干空间定位控制点，测量并详细记录上述点的编号和空间坐标。

4）井壁影像采集：编录人员手持影像采集设备站立在井底中心点的位置，从井壁正北方向（0°）上开始影像采集工作。编录人员站立于井底中心线上以顺时针旋转的方式由高至低对井壁进行影像采集（图16）。人员竖井编录时，相邻影像之间的采集重叠率应介于60 %～80 %之间。

图16 人员竖井单回次影像采集方案示意图Fig.16 Schematic diagram of single shot image acquisition for personnel shaft

5）三维实景模型构建：将所拍摄的照片导出至相应数据处理软件中进行拼接和建模，在三维模型构建完成后，在其中标记步骤3）中所测得的控制点，并将其真实空间坐标信息输入点的属性中，即可对模型的三维空间形态完成校正。生成模型后，可利用数据处理软件进一步对模型进行分析和特征参数的提取（图17）。

图17 人员竖井70～75 m井壁实景模型及结构面解译效果图Fig.17 Interpretation of the structural plane of the70-75 m real scene model in the personnel shaft

在人员竖井中也需进行人工观测工作，人工观测的编录内容、方法和记录形式（素描图和记录表）与斜坡道中一致，此处不再赘述。

3 结论与讨论

1）在高放废物地质处置地下实验室建设阶段开展的井巷地质编录工作是十分基础且必要的。通过该项技术手段，可获得地下实验室内不同硐室的地质信息，查明场址区域内岩体与构造特征，构建地下实验室相关地质模型，其编录数据可为场址精细化三维地质建模与围岩长期稳定性分析提供原始资料，为场址深部环境地质特征综合研究提供基础数据，为工程开挖过程中的现场试验及未来地下实验室运行中的科研提供支撑。

2）由于编录目标、对象和内容等方面的差异，高放废物地质处置地下实验室中的井巷地质编录技术方法与其他领域（固体矿产勘查、水工隧洞施工等）存在较大不同。在对地下实验室编录方案进行设计和编制过程中，不能简单地借鉴相关标准或规范，须充分调研国外已经建成的地下实验室的编录经验，并根据自身地下实验室工程特点，形成一套适用于自身场址的井巷地质编录技术方法。

3）目前应用于北山地下实验室的井巷地质编录技术方案已通过现场实际编录工作的检验，并随工程进展不断优化和改进（井巷地质编录与工程施工同步开展，两者联系紧密，编录方案可能会根据实际工程建设方案和进度进行调整和优化）。该方案填补了我国在高放废物地质处置领域地下实验室阶段井巷地质编录技术标准规范的空白，同时也可为其他地下实验室或地下硐室的编录方法研究提供参考。