岩土工程勘察中多尺度地质界面识别方法优化

引言

岩土工程勘察的核心目标是揭示地下岩土体的空间分布规律，而地质界面作为不同岩性、结构或物理状态岩土体的分界面，是控制岩土体稳定性和工程特性的关键因素。例如，断层破碎带界面可能导致地基不均匀沉降，岩层层面的抗剪强度不足可能引发边坡滑动，而微观孔隙 - 裂隙界面则直接影响岩土体的渗透性。

一、多尺度地质界面识别的概述

多尺度地质界面识别是岩土工程勘察中通过多维度技术手段，对不同空间尺度下岩土体分界面进行精准定位与特征刻画的技术体系。其核心在于突破单一尺度局限，实现从宏观到微观的全方位界面认知。宏观尺度的地质界面，如地层分界线、大型断层等，控制着区域岩土体的整体稳定性，是工程选址和总体设计的关键依据。中观尺度的界面，包括裂隙密集带、岩体夹层等，直接影响岩土体的完整性和力学性能，对边坡治理、隧道开挖等工程环节起决定性作用。微观尺度（微米至毫米级）的界面，如矿物颗粒边界、微孔隙等，虽空间规模小，却决定了岩土体的基本物理力学特性，是精准评估工程材料性能的基础。由于不同尺度界面在成因、形态和工程影响上存在显著差异，其识别方法需针对性适配。同时，各尺度界面并非孤立存在，宏观构造往往控制中观裂隙的发育方向，而微观结构特征又会强化或弱化宏观界面的工程效应，因此跨尺度信息的协同分析是提升识别精度的核心前提，也是当前岩土工程勘察技术发展的重要方向。

二、多尺度地质界面的特征与识别难点

2.1 多尺度地质界面的分类及特征

宏观地质界面，主要指规模在数米至数千米的区域性界面，如地层分界线、大型断层、岩性接触带等。此类界面具有延伸距离长、空间形态复杂的特点，常伴随显著的岩性差异或构造变形，是控制区域工程稳定性的核心因素。沉积岩地层中的砂泥岩分界面，其两侧岩土体的承载力差异可达 3-5 倍。中观地质界面，尺度通常在厘米至数米，包括岩层裂隙、节理密集带、透镜体边界等。中观界面分布随机性强，对岩土体的完整性和强度有直接影响，如岩体中的一组高角度剪切裂隙可能导致隧道施工时出现突水突泥风险。微观地质界面，主要指微米至毫米级的界面，如矿物颗粒边界、孔隙 - 裂隙界面、胶结面等。微观界面决定了岩土体的微观结构和物理力学性质，例如黏土矿物的片理界面会显著降低土体的抗剪强度。

2.2 现有识别方法的局限性

宏观识别方法的不足，传统区域地质调查依赖遥感影像和少量钻孔数据，难以精准定位深埋的宏观界面；地震勘探等物探方法分辨率较低，对缓倾角界面的识别误差可达数米，无法满足高精度工程设计需求。中观识别方法的局限，钻探取芯可直接观察中观界面，但存在 “一孔之见” 的局限性，难以反映界面的空间连续性；声波测井虽能识别裂隙密集带，但受井径影响较大，易产生假阳性判断。微观识别方法的短板，扫描电镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）等微观测试方法可刻画微观界面，但测试样本量有限，且难以与宏观、中观界面建立空间关联，导致微观信息难以服务于宏观工程决策。跨尺度数据融合的障碍，不同尺度的勘察数据格式不统一、精度不匹配，缺乏有效的耦合分析方法，例如宏观断层界面的展布规律无法直接指导微观裂隙的渗透性评估。

三、多尺度地质界面识别方法的优化策略

3.1 宏观地质界面识别的优化

多波场物探数据联合反演，针对常规地震勘探分辨率较低，采用地震反射波和面波联合反演技术，通过反射波识别界面空间形态，采用面波反演岩土体弹性参数，二者之间互相约束，将宏观界面的识别误差控制在 0.5m 以内。例如，在某高速勘察中，利用此技术精准辨认一条缓倾角断层，较传统方法提高了 60% 精度。动态钻探验证及数据校正：基于物探初探的宏观界面范围，提出“先导孔 + 加密孔”的动态钻探策略，利用先导孔数据校验物探反演模型，而后用加密孔验证界面的连续性。

3.2 中观地质界面识别的优化

钻孔图像人工智能（AI）智能解译。针对钻探取芯存在的不足，开发基于深度学习的钻孔图像识别系统，利用卷积神经网络（CNN）对岩芯裂隙、节理等中观界面自动进行识别、标记产状（走向、倾角、密度）。对钻孔裂隙的识别准确率达 92% ，较人工判读效率提高 5 倍以上。跨孔雷达数据三维重构。利用高频跨孔雷达获取孔间岩土体的电磁波反射信息，结合钻孔数据约束，通过三维插值算法构建中观界面的空间分布模型。在某地铁隧道勘察工作中，通过该方法识别了一条延伸 15m 的破碎带界面，可为隧道的支护设计提供可靠依据。

3.3 微观地质界面识别的优化

聚焦离子束扫描电镜 (FIB-SEM) 高分辨成像，借助 FIB-SEM 完成岩土体试样的纳米级切面成像，描绘矿物颗粒界面、微裂隙等微细界面形貌结构特征，并依托图像信息处理方法，获取其孔隙度、连通性等，克服了传统 SEM 不能给出三维结构分析的缺陷。微观参数与宏观性能耦合分析，构造微观界面参数对宏观力学参数的相关模型，以多元回归或机器学习模型从微观界面特征预测宏观工程特性，如某坝基岩体工程勘察基于微观裂隙密度预测渗透系数的精度在

10% 以内。

3.4 跨尺度数据融合平台的构建

多尺度数据标准化，形成多尺度数据统一格式的数据标准，将宏观物探剖面、中观钻孔、微观测试结果转为三维坐标下的结构化数据，完成不同尺度下的空间配准。层次化三维建模，基于宏观控制 - 中观细化 - 微观验证的层次化建模思路，宏观界面模型框定中观界面空间分布，通过宏观模型物理力学参数微观参数校正形成宏观 - 中观 - 微观多尺度耦合地质模型。动态更新可视化，建立基于 BIM 技术的多尺度地质界面可视化平台，支持勘察数据实时录入模型动态更新，工程设计人员可通过缩放操作宏观到微观看到界面特征，为工程决策提供直观数据。

结论

多尺度地质界面的精准识别是岩土工程勘察的关键技术难题，传统单一尺度方法难以满足复杂工程需求。通过优化物探 - 钻探数据融合技术，可提升宏观界面的识别精度；引入 AI 图像识别和跨孔雷达三维重构，能有效刻画中观界面的空间分布；采用高分辨率微观测试与参数耦合模型，可实现微观界面特征与宏观性能的关联。构建跨尺度数据融合平台，是实现多尺度信息协同应用的核心保障。

参考文献

[1] 刘自强 , 韩广振 . 岩土工程勘察中多尺度地质界面识别方法优化 [J]. 山西建筑 ,2025,51(16):94-97.DOI:10.13719/j.cnki.1009-6825.2025.16.021.

[2] 李柏松 . 岩土工程勘察中土工试验中常见问题与处理建议 [J]. 新疆有色金属 ,2025,48(04):25-26.DOI:10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2025.04.013.

[3] 杜亚军 , 王鹏 . 人工智能在岩土工程勘察领域的应用 [J]. 中国科技信息 ,2025,(15):38-40.