徐 洋

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引 言

巖層產(chǎn)狀是指巖層在空間產(chǎn)出的狀態(tài)和方位的總稱。巖層產(chǎn)狀求取是工程地質(zhì)調(diào)查、勘查乃至工程施工不可缺失的一項(xiàng)重要工作。野外調(diào)查一般采用地質(zhì)羅盤進(jìn)行測(cè)量，調(diào)查結(jié)果較為宏觀，對(duì)于指導(dǎo)施工存在一定的局限性；勘查、施工階段一般采地質(zhì)鉆成孔，鉆取芯樣對(duì)地層進(jìn)行地質(zhì)編錄獲取地質(zhì)信息，若遇軟弱夾層、巖溶發(fā)育帶、空腔、溶洞等，鉆孔取芯將難以獲取到復(fù)雜的地質(zhì)信息資料[1-2]。鉆孔數(shù)字全景成像技術(shù)能夠解決這一難題，其為解決復(fù)雜的地質(zhì)問題提供了可視化信息，如圖1所示。與鉆孔取芯編錄相比，鉆孔全景數(shù)字成像能比較直觀、豐富、精確地獲取地層信息，且大大縮短施工強(qiáng)度、工期，減少資源投入，對(duì)工程勘查、隱蔽工程施工指導(dǎo)及工程驗(yàn)收具有較好的借鑒意義。但通過對(duì)現(xiàn)階段鉆孔全景圖像測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)狀提取對(duì)比分析得出，系統(tǒng)自帶的產(chǎn)狀分析功能存在一定誤差和人為判讀等主觀因素。為消除和解決以上難題，本文通過從鉆孔成像展布圖中讀取巖層/裂隙的任意三個(gè)點(diǎn)，記錄深度、方位角和鉆孔直徑，輔以Excel軟件編輯解析公式，利用三個(gè)不同點(diǎn)確定唯一平面原理，計(jì)算巖層、裂隙的產(chǎn)狀，這樣能更好地避免測(cè)試系統(tǒng)誤差，降低人為判讀等主觀因素影響。該方法提取的產(chǎn)狀精度高，對(duì)工程勘查及隱蔽工程施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息資料起到了關(guān)鍵作用，具有較好的借鑒和推廣意義。

圖1 巖層產(chǎn)狀鉆孔成像示意圖

1 檢測(cè)原理

鉆孔成像系統(tǒng)在探頭前端安裝高清光學(xué)攝像頭，采用一種錐面反射光學(xué)變換，以高亮度、可調(diào)節(jié)LED半導(dǎo)體作為成像光源，通過360°鉆孔孔壁成像輔以深度計(jì)數(shù)器及電子方位羅盤沿孔深連續(xù)拼接圖像，成像是鉆孔圓柱面的某一段圖像經(jīng)過錐面反射鏡反射成像于錐面反射鏡底部的某一平面或近似平面上的圖像[3]，圓柱面經(jīng)過錐面反射鏡變換后形成的全景圖像呈圓環(huán)狀，圓環(huán)的內(nèi)圓表示該段圓柱面的頂面圓，外圓表示該段圓柱面的底面圓，沿著圓環(huán)的徑向變化反映了鉆孔圓柱面的軸向變化[4]。而圓環(huán)邊緣的不規(guī)則程度或明暗差異則反映出鉆孔壁所在處的地質(zhì)差異，如裂隙、破碎帶、空腔、空洞及軟弱夾層的分布狀況。圖像通過處理軟件按正北方向展開，轉(zhuǎn)換成為二維平面圖像。它為工程提供視覺直觀的鉆孔資料，便于了解地層的原始形態(tài)，包括巖層產(chǎn)狀、裂隙發(fā)育程度、軟弱夾層、灌漿過程中漿液對(duì)縫隙的充填情況以及混凝土澆筑質(zhì)量等，也可以通過處理軟件把展開圖還原成巖心柱狀圖，模擬沿鉆孔深度范圍內(nèi)的地層原始狀態(tài)。

2 測(cè)試研究

現(xiàn)階段測(cè)試系統(tǒng)多通過裂隙產(chǎn)狀設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算模型，在已知鉆孔直徑d，通過量取裂隙最高點(diǎn)與最低點(diǎn)至正北方向(N)的距離(x1,x2)，兩者之間的垂直高差為Δh，求取裂隙傾向和傾角[2]。該方法存在一定局限性，即傾向、傾角存在多解的可能，人為選擇的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)只能確定一條線，而不能準(zhǔn)確代表裂隙層面，且在巖層面不規(guī)則、產(chǎn)狀變化較大的情況下，求取的產(chǎn)狀不具代表性。本文根據(jù)成像展開圖，選取三個(gè)不在同一直線的點(diǎn)確定唯一平面，即三點(diǎn)位于同一層面上，但又不在一條直線上，三點(diǎn)的方位角、相互水平距離和標(biāo)高為已知前提條件下，通過空間解析幾何求取巖層產(chǎn)狀，能更好地解決這一系統(tǒng)求取產(chǎn)狀精確度較低的弊端，解決特殊地質(zhì)條件下取芯難、隱蔽工程地質(zhì)缺陷產(chǎn)狀求取困難等問題。通過對(duì)現(xiàn)階段測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)狀計(jì)算模型對(duì)比分析，如圖2所示，裂隙傾向θ=(x2/2πd)×360°；傾角α多為α=tan-1(Δh/x2-x1)=tan-1(Δh/d)。

圖2 現(xiàn)階段系統(tǒng)產(chǎn)狀計(jì)算示意圖

3 解決思路

對(duì)于垂直向下的鉆孔，以(r,H,D)來表示鉆孔全景數(shù)字成像展開圖中空間坐標(biāo)[5]，其中r為鉆孔半徑，H為鉆孔向下深度，上小下大為正值，D為儀器記錄的方位角，以正北為0°=360°，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。定義任一平面與鉆孔相交，相交的截面上任意取3點(diǎn)P1，P2，P3，如圖3所示，則3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為P1(r,H1,D1)，P2(r,H2,D2)，P3(r,H3,D3)。

圖3 巖層產(chǎn)狀示意圖

以孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為正東向90°，Y軸為正北向0°，轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)系：

求解平面P1，P2，P3三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的法向量：

該平面法向量在水平面上的投影所指的方向即為巖層的傾向，設(shè)定用角度θ表示，θ∈[0,2π]，則：

將θ按“正北0°-正東90°-正南180°-正西270°-正北360°”換算成地質(zhì)描述語(yǔ)言即可。θ±90°即為地層的走向。

4 解析過程

對(duì)于垂直向下的鉆孔，鉆孔成像產(chǎn)狀確定步驟分為：圖像展開，導(dǎo)入CAD，在展布圖中讀取巖層/裂隙平面P1，P2，P3點(diǎn)的深度、方位角和鉆孔直徑，或直接通過測(cè)試系統(tǒng)讀取裂隙深度和方位角，輔以Excel利用解析幾何理論求解出巖層/裂隙的走向、傾向、傾角，按方位角或者象限角的表示方法，對(duì)巖層/裂隙的產(chǎn)狀進(jìn)行描述。

4.1 圖像展開

實(shí)時(shí)采集獲取的是孔壁經(jīng)過錐形鏡或曲面鏡的環(huán)形圖像，數(shù)據(jù)處理中按正北方位展開圖像，即按N→E→S→W→N的順序展開，通過內(nèi)圈以圖像比例進(jìn)行插值，使展開的圖像成為規(guī)則的矩形，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，如圖4所示。

圖4 鉆孔成像展開示意圖

4.2 確定方位角

在已知鉆孔直徑、裂隙發(fā)育深度的情況下，以正北0°作為唯一參考坐標(biāo)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周為360°、正東90°、正南180°、正西270°、正北360°。為確保巖層/裂隙的產(chǎn)狀選取不存在人為誤差，任意讀取的三個(gè)測(cè)點(diǎn)以巖層/裂隙上邊緣或者下邊緣為基準(zhǔn)，即選取測(cè)點(diǎn)在巖層/裂隙同一側(cè)，展布圖中測(cè)點(diǎn)選取排序按從右至左進(jìn)行排序，即P1→P2→P3，P1，P2，P3測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)方位角由展開圖的北端起，順時(shí)針量取到選取點(diǎn)的夾角即為方位角，可通過測(cè)試系統(tǒng)直接讀取，也可以通過成圖處理軟件進(jìn)行換算。具體換算可在鉆孔展開圖上通過讀取選取點(diǎn)至正北0°的截距，如圖5所示，通過式（13）進(jìn)行換算：

圖5 鉆孔數(shù)字全景成像裂隙展開圖

式中：D1，D2，D3為任意選取裂面測(cè)點(diǎn)方位角，a1，b1，c1為從左至右展開圖上截距。

5 系統(tǒng)校準(zhǔn)

本文所提方法基于成像系統(tǒng)電子羅盤工作正常、圖像拼接無誤的情況。若野外工作前無法驗(yàn)證其方位、深度計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性，顏色、拼接效果的可靠性，可通過孔外電子羅盤校核裝置對(duì)電子羅盤進(jìn)行校準(zhǔn)；通過脈沖距離校準(zhǔn)法校準(zhǔn)其深度計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)方法如下。

5.1 電子羅盤校準(zhǔn)

現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，若無法判斷探頭中電子羅盤是否正常工作，拼接圖像是否還原鉆孔真實(shí)地質(zhì)情況，可通過電子羅盤校核裝置進(jìn)行校核。如圖6所示，該裝置方便攜帶至野外項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，垂直放置，調(diào)節(jié)方向使羅盤0°為正北，調(diào)平水平氣泡儀，模擬垂直鉆孔，使用鉆孔全景成像儀對(duì)該裝置對(duì)進(jìn)行模擬成像，試驗(yàn)成果的展布圖與校驗(yàn)筒標(biāo)識(shí)的方位相符、角度一致、深度相等且呈直線、顏色相同，則可確認(rèn)鉆孔全景成像儀正常工作。反之，鉆孔全景成像儀工作不正常，需返修。

圖6 電子羅盤校核裝置示意圖

5.2 脈沖距離校準(zhǔn)

脈沖距離是深度計(jì)數(shù)器相鄰光脈沖之間的電纜長(zhǎng)度。影響該值的外部要素為滑輪直徑和電纜直徑。進(jìn)行超深孔成像時(shí)，由于滑輪與電纜結(jié)合轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)數(shù)存在一定的累積誤差，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前需要對(duì)該值進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的方法為：假設(shè)當(dāng)前測(cè)試系統(tǒng)的脈沖距離值為f0=0.888 mm，在電纜上間隔一定長(zhǎng)度作兩個(gè)標(biāo)記，例如間隔C=20.0 m，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)標(biāo)記到達(dá)滑輪處時(shí)，記下顯示的深度值f1，當(dāng)?shù)诙€(gè)標(biāo)記到達(dá)滑輪處時(shí)，記下顯示的深度值f2，則準(zhǔn)確的f值為f=C×f0/（f2-f1）。通過設(shè)備設(shè)置界面輸入真實(shí)的脈沖系數(shù)，即可確保成像記錄深度與地層實(shí)際深度一致。

5.3 其 他

現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際鉆孔孔徑、孔斜也是影響產(chǎn)狀求取準(zhǔn)確性的因素之一。測(cè)試時(shí)，需通過施工方獲取準(zhǔn)確的鉆進(jìn)參數(shù)，核實(shí)提供的參數(shù)與鉆孔直徑是否一致，鉆孔過程中是否有變徑等問題；其次，應(yīng)進(jìn)行孔斜測(cè)試，了解鉆孔偏移情況；成像過程中，速度按1～1.5 m·min-1進(jìn)行控制，確保成像清晰度，避免信號(hào)線與計(jì)數(shù)器下放過快滑動(dòng)引起累積誤差。

6 數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證新舊兩種產(chǎn)狀計(jì)算模型對(duì)求取產(chǎn)狀結(jié)果的差異，本文選取了同孔同條裂隙進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析。如圖7所示，通過成像選取節(jié)理面展開圖上正弦曲線的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)這兩個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行裂隙產(chǎn)狀計(jì)算，獲得的裂隙產(chǎn)狀為77.7°∠73.2°，即傾向北東77.7°，傾角73.2°，走向?yàn)镾E167.7°。

圖7 鉆孔成像產(chǎn)狀提?、?/p>

如圖8所示，在新設(shè)計(jì)模型下，沿裂隙面任意選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過空間解析幾何理論輔助Excel換算式求得裂隙產(chǎn)狀為73.9°∠58.7°，即傾向北東73.9°，傾角58.7°，走向?yàn)镾E163.9°。

圖8 鉆孔成像產(chǎn)狀提取Ⅱ

如圖9所示，為驗(yàn)證新產(chǎn)狀設(shè)計(jì)模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，同理在裂隙上再任意選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算產(chǎn)狀，與第一次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。求得產(chǎn)狀為73.8°∠56.8°，即兩者計(jì)算結(jié)果結(jié)果基本一致，證明該產(chǎn)狀計(jì)算模型可應(yīng)用于工程勘查和工程檢測(cè)中。通過與原產(chǎn)狀求取系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，原產(chǎn)狀模型傾向計(jì)算差值為3.8°～3.9°，傾角相差14.5°～16.4°，傾角計(jì)算結(jié)果差異較大，原產(chǎn)狀計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待商榷。新設(shè)計(jì)計(jì)算模型結(jié)果更具代表性，誤差也相對(duì)較小，通過全面、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可更好、更高效應(yīng)用于地質(zhì)勘查和工程檢測(cè)過程中，解放大量勞動(dòng)力。尤其在軟弱夾層、巖溶發(fā)育、巖體破碎地段取芯困難情況下，該方法能大幅提高勘測(cè)精度、降低工程造價(jià)。

圖9 鉆孔成像產(chǎn)狀提?、?/p>

7 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了垂直鉆孔成像原理和鉆孔內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的確定計(jì)算方法，即利用三個(gè)不同點(diǎn)確定唯一平面原理，通過成像展開圖，讀取產(chǎn)狀計(jì)算參數(shù)(r,H,D)，通過向量代數(shù)和空間解析幾何理論計(jì)算巖層、裂隙的產(chǎn)狀的方法，研究取得了如下結(jié)論。

（1）通過鉆孔成像可以快速識(shí)別出孔內(nèi)巖層、斷層、裂隙等地質(zhì)現(xiàn)象，為解決復(fù)雜的地質(zhì)問題提供了可視化信息資料；通過新產(chǎn)狀計(jì)算模型設(shè)計(jì)應(yīng)用推廣，解決隱蔽工程原始地層產(chǎn)狀提取困難、完善現(xiàn)階段鉆孔全景數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)判讀誤差大甚至設(shè)備自帶系統(tǒng)判讀錯(cuò)誤等問題。

（2）鉆孔成像由于能對(duì)孔壁進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，因此不會(huì)因?yàn)槿⌒静煌暾斐傻貙尤笔?，且可以通過成像柱狀巖性模擬，解決常規(guī)鉆孔取芯難、取芯率低，工作效率低，無法獲取鉆孔內(nèi)軟弱夾層、裂隙寬度、溶洞發(fā)育規(guī)模、地下水位等真實(shí)地層信息資料問題。

（3）通過鉆孔成像系統(tǒng)產(chǎn)狀提取應(yīng)用推廣，解放大量地質(zhì)編錄人員，解決了紙質(zhì)資料存儲(chǔ)易變質(zhì)、巖芯儲(chǔ)存場(chǎng)所難等問題，大大降低工程造價(jià)。另外，利用大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析功能，通過數(shù)據(jù)信息檢索，能快速、更便捷地查詢到需要的地質(zhì)信息資料，通過全面、系統(tǒng)分析，為隱蔽工程處理、驗(yàn)收提供有力支撐依據(jù)。