孔內攝像技術結合數理統計方法在巖溶勘察中的應用

張世杰 唐廣輝

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055;)

在可溶巖地區修建鐵路工程，常常受到巖溶的困擾，由于巖溶的空間發育形態十分復雜，具有很大不確定性，導致巖溶地區的勘察工作難度很大，目前普遍采用的物探普查、鉆探驗證受到很多因素的制約(如巖石的節理、裂隙可能被誤判，路塹地段土方尚未開挖，地表起伏的影響，物探本身的多解性)，難以查清其發育狀態，導致加固處理措施針對性不強，通常采用巖溶注漿措施加固［1-2］，但注漿工程量無法準確計算，只能估算。

巖溶注漿數量大，單價高，準確核實注漿數量意義重大，此問題已經引起了建設單位的高度重視，也一直是工程審計工作的重點。如何相對準確的核定巖溶注漿工程數量一直是工程界的一道難題。

1 孔內攝像法簡介

孔內攝像法是沿著鉆孔豎向采用攝像技術［3-5］，對孔壁進行拍攝和觀察，識別孔壁缺陷、位置、形式、程度的檢測方法。

攝像探頭由攝像機、照明光源、錐形反光鏡、透明攝像窗、指北針、遙控調焦裝置等組成。通過錐形反光鏡攝取孔壁四周圖像，自動采集圖像，并進行展開、拼接處理，經計算機進行編輯處理，形成全孔壁柱狀圖像供使用(如圖1)。

圖1 基樁孔內攝像設備連接示意

孔內攝像法在基樁檢測、路基填筑檢測、巖體完整性檢測及礦產開采等多領域中的應用比較廣泛［6-13］，技術趨于成熟。

把巖溶區的鉆孔看作是待檢測的基樁，通過孔內攝像的影像資料，可以真實反應孔內巖溶發育情況。

但巖溶不同于單獨的基樁，需要的是一個工點區域內巖溶的總體發育情況，為此采用數理統計的方法對各鉆孔的數據進行分析，獲得具有統計意義的一定區域巖溶發育情況，對于認識和把握工點區域巖溶發育程度，指導巖溶加固處理，核對注漿加固工程數量具有現實意義。

2 工作方法及工作量

根據現場情況，確定了孔內攝像為主，局部發現溶洞時采用超聲成像技術確定溶洞空間位置的工作方案。

大范圍開展工作前，通過孔內攝像成果和鉆孔巖芯的對比，進一步確定黏性土覆蓋層、角礫土層、巖石風化層、節理裂隙的圖像特點，為準確分析判斷巖溶的發育狀態奠定基礎。之后開展大范圍的孔內攝像工作。

成果整理階段通過軟件把圖像拼接成連續圖片，并對圖片上的地質特征(包括巖石完整、破碎，裂隙發育程度、傾向、傾角和寬度，溶蝕現象等)進行解釋和描述，典型的孔內攝像成果資料如圖2、表1所示。

圖2 孔內攝像成果

表1 攝像成果分析匯總

由于所有的裂隙都是損耗漿液的因素，所有裂隙都作為參與線溶率的統計。上表裂隙總寬度217.5 mm，鉆孔總長度4 666 mm，統計線溶率為217.5/4 666=4.66%。

本次進行孔內攝像共8個工點814.64延米，里程范圍和工作量如表2。

3 數據分布特點

孔內情況按照空洞(裂隙)、充填溶洞和無溶洞三部分分別統計，三部分的含義見圖3。

表2 工作范圍及工作量統計

圖3 孔內巖溶分類示意

對全部1 510個數據點的統計基本反應出該區域巖溶發育整體情況。

圖4 線巖溶率分布情況

圖4 表明，78.3%的鉆孔不存在任何巖溶(含溶蝕、裂隙)現象，21.7%的鉆孔存在巖溶(包括空洞和充填溶洞和裂隙)現象。

圖5表明，線巖溶率(包括空洞、充填溶洞和裂隙)分布在0% ～60%之間，78.3%鉆孔線溶率為零。

圖5 線巖溶率分布情況統計

將圖5的縱向比例放大即為圖6，可以看出，在存在巖溶的孔內，4%的巖溶率是發生機率最大的，占全部鉆孔的2.5%，占存在巖溶鉆孔的11.5%。

圖6 線巖溶率分布情況統計(縱向放大)

4 數理統計

按照《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007)中推薦的統計方法進行數理統計［14］。

主要參數按照下列公式計算平均值fm和標準差σ

式中 fi——巖土無力力學指標;

n——同類地質條件下或同層位數據個數。

巖土參數的變異系數δ按下式確定

巖土參數的標準值按下式確定

式中 fk——巖土參數標準值;

γs——統計修正系數。

各工點統計結果如表3(空洞和已充填溶洞分別統計)。

5 按照統計結果估算注漿工程量

按照上述統計數據，分別估算各區域需要的注漿數量，計算假設條件如下:

(1)線溶率只能體現縱向巖溶發育程度，不能反應巖溶橫向的發育狀態，考慮到鉆孔均勻布置，假設所有溶洞(裂隙)的橫向發育寬度為鉆孔間距，也就是將線巖溶率看作體巖溶率。

(2)加固范圍內所有空洞是全部聯通的，空洞可以完全被注漿充填，已充填溶洞體積的25%可以被注漿充填。

(3)加固區內外是隔離的，不考慮注漿大量流失到加固區以外(實際施工過程中如果出現個別鉆孔大量漏漿現象，需單獨研究帷幕注漿工藝和漿液控制方法，個別處理、單獨計量)。

(4)注漿流失系數1.3(考慮施工損耗和漿液滲入微裂隙)。按照上述假定條件，計算結果如表4。

表3 各工點線巖溶率統計結果

6 結論

(1)孔內攝像方法通對孔壁進行拍攝和觀察，能夠直觀、清晰的識別巖溶發育的位置、形式、程度，加深對巖溶的直觀認識，對于判斷巖溶發育狀態，評估對工程的危害，確定加固措施，估算工程數量能夠起到一定指導作用。

(2)從1 510個數據的統計結果分析，本區域的巖溶以弱發育為主，78.3%的區域無巖溶發育的現象，21.7%的區域存在巖溶發育現象，但絕大多數溶洞已被充填，空洞的體積比僅為0.31%。

(3)建議在施工階段執行“先探后灌”的原則，先期大間距開展孔內攝像，宏觀把握工點巖溶的發育狀態，劃分不同的區域，之后在重點區域加密勘探點，開展動態設計，對工點加固方案及時跟蹤和調整，逐步完成注漿加固工作。

(4)注漿量的估算雖然建立在假設條件下，其精度還需修正，但比起常規的注漿已經是個長足進步，實施前通過試驗段的摸索，進一步驗證漿液損耗等參數，將使注漿數量更加接近實際情況，最終實現注漿數量基本可控的目的。

［1］ 張曉華，葉中兵．客運專線路基基底巖溶注漿施工技術［J］．鐵道標準設計，2008(4)

［2］ 葉中兵．石武客運專線路基巖溶注漿施工技術［J］．鐵道標準設計，2010(9)

［3］ 王川嬰．數字式鉆孔攝像系統研究［D］．武漢:中國科學院武漢巖土力學研究所，1999

［4］ 王川嬰．孔內攝像技術的發展與現狀［J］．巖石力學與工程學報，2005(10)

［5］ Yuji Kanaori．Observation of crack development around an underground rock chamber by borehole television system［J］．Rock Mechanics and Rock Engineering，1983(2)

［6］ 武君．基于鐵路工程勘察的數字全景鉆孔攝像系統應用研究［J］．鐵道勘察 ，2009(6)

［7］ 謝孟，甄春相．數字全景鉆孔攝像技術在鐵路工程地質勘察中的應用［J］．鐵道勘察，2009(1)

［8］ 黃明．孔內攝像技術在PHC樁完整性檢測中的應用［J］．工程質量，2005(9)

［9］ 唐杰軍．數字鉆孔攝像技術在路基面檢測中的應用［J］．路基工程，2006(5)

［10］王川嬰，胡良培．基于鉆孔攝像技術的巖體完整性評價方法［J］．巖土力學，2010(4)

［11］劉貴祥．數字鉆孔攝像技術在特厚煤層綜放開采中的應用［J］．煤炭科學技術，2007(7)

［12］陳雪見．數字式全景鉆探攝像在某洞室勘察中的應用［J］．數字化應用，2006(10)

［13］中華人民共和國鐵道部．TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2007