井下電視在工程勘察中的應(yīng)用

李 俊, 何 超, 周 瑜

(1.貴州省凱里公路管理局，貴州 凱里 556000；2.貴州省交通運(yùn)輸廳，貴州 貴陽 550003；3.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

由于巖體內(nèi)不連續(xù)結(jié)構(gòu)面具有很強(qiáng)的隱蔽性, 使用傳統(tǒng)的探測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行研究受到了限制, 這就有必要建立一種先進(jìn)、實(shí)用、直觀的探測(cè)技術(shù)代替之[1]。井下電視主要以圖像或視頻的方式來表征地質(zhì)現(xiàn)象，具有高分辨率、高井壁覆蓋率和直觀可信等特征。井下電視攝像系統(tǒng)以這一基本事實(shí)為依據(jù)從而可提供高精度的井壁圖像，給地質(zhì)工作者提供最可靠的依據(jù)[2]。工程中使用井下電視對(duì)確定地層巖性、斷層、軟弱夾層、巖溶發(fā)育程度、節(jié)理裂隙及不利組合等效果相對(duì)較好[3]。該設(shè)備功能齊全, 使用便捷,加大有效勘察深度, 擁有較高的分辨率,能提高觀測(cè)精度，且采集的數(shù)據(jù)量大、地質(zhì)信息豐富,并通過生成三維鉆孔柱狀圖獲取最直接的地質(zhì)地層特征，成果可信度高。對(duì)于工程地質(zhì)問題，特別是文中涉及的巖溶勘察所面臨的工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層變化大，鉆孔電視成像可以直接、清晰地觀看鉆孔內(nèi)套管、地層、巖性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及巖溶、裂隙中出水的地質(zhì)現(xiàn)象[4]。在邊坡工程、橋梁工程等多方面廣泛使用，結(jié)合其他勘察方法更能提供更為準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

在沙溪特大橋的橋墩建設(shè)中，由鉆探發(fā)現(xiàn)地下可能存在巖溶區(qū)，使用傳統(tǒng)勘察手段獲得的地質(zhì)資料不能夠達(dá)到勘察要求，并且結(jié)果不夠直觀。因此選擇井下電視能準(zhǔn)確地查明地下巖溶裂隙位置、寬度、巖溶發(fā)育狀況等。該方法對(duì)地下巖溶開展補(bǔ)勘工作勢(shì)在必行, 本文重點(diǎn)闡述了井下電視在巖溶發(fā)育區(qū)的勘察效果。

1 基本概況

擬建橋道角岸3#墩臺(tái)地處云貴高原向四川盆地過渡的斜坡地帶，大地構(gòu)造屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱鳳岡北北東向構(gòu)造變形區(qū)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及外業(yè)實(shí)地調(diào)查，結(jié)合鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)及其附近斷裂構(gòu)造不發(fā)育，褶皺構(gòu)造主要為紅絲背斜，巖層呈單斜向產(chǎn)出，產(chǎn)狀102°∠43°。但由于該區(qū)侵蝕作用劇烈，溝谷深切，地形破碎。所在斜坡北側(cè)為龍?zhí)梁樱媳弊呦虼怪笨缭烬執(zhí)梁樱鶐r裸露為陡崖；地貌為構(gòu)造剝蝕、侵蝕溶蝕中低山山間河谷地貌，橋位區(qū)下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)桐梓紅花園灰色中厚至厚層狀灰?guī)r。

橋墩基座建設(shè)過程中，發(fā)現(xiàn)一橫貫基坑的裂縫，寬度為10～50 cm，黏土充填，在基坑內(nèi)側(cè)進(jìn)行鉆探補(bǔ)勘，過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔漏水嚴(yán)重，并可能存在溶洞，于是采用井下電視進(jìn)入鉆孔探測(cè)。

2 采用設(shè)備

2.1 設(shè)備介紹

武漢中巖科技SR-DCT (W)鉆孔電視成像儀是國內(nèi)先進(jìn)的孔內(nèi)成像儀，設(shè)備能夠清晰反映鉆孔內(nèi)的構(gòu)造狀況，以圖像和視頻的方式對(duì)鉆孔的孔內(nèi)信息進(jìn)行記錄呈現(xiàn)，具有分辨率高、直觀可視化、色彩豐富、清晰精確和工程適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了其他勘察方法的諸多不足。整套設(shè)備主要包括主機(jī)、探頭、計(jì)深滑輪、傳輸電纜線、絞車、絞架等，如圖1所示。

圖1 井下電視整套設(shè)備圖

圖1中，①為電纜線及絞車，一端連接探頭③，一端連接主機(jī)④；②為平板電腦，可根據(jù)需求自行配置，通過連接主機(jī)④發(fā)出的WiFi，使探頭的實(shí)時(shí)畫面?zhèn)骰仄聊唬虎蹫樘筋^，靠自重進(jìn)入鉆孔，360°全景成像，內(nèi)置羅盤，記錄孔壁內(nèi)裂隙或巖溶發(fā)育深度和方位；④為主機(jī)，連接探頭與計(jì)深滑輪，并完成探頭與電腦之間的信息與數(shù)據(jù)交換；⑤為計(jì)深滑輪，根據(jù)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)計(jì)算探頭下放深度，靠近上部白色小滑輪所在方向?yàn)樘筋^下落方向。

2.2 工作原理

如圖2所示，將計(jì)深滑輪安裝在三腳架上，主機(jī)上2根纜線分別連接計(jì)深滑輪和探頭，探頭下落時(shí)根據(jù)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)計(jì)算進(jìn)入深度，并把探頭畫面?zhèn)骰嘏c主機(jī)WiFi相連的電腦，在電腦上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理。

圖2 井下電視工作原理圖

探頭在經(jīng)過層面或節(jié)理面時(shí)記錄圖像展開后應(yīng)如下三角函數(shù)圖像所示，并在還原后的3D柱狀圖中附帶了方位，A為切面最高點(diǎn)，在展開圖中為波峰，B則剛好相反。連接AB，根據(jù)傾向和傾角的定義：直線AB在水平面上的投影線所指層面向下的方向即為傾向，而與水平面投影之間的夾角即為傾角。由此可在展開圖像中標(biāo)記波峰與波谷位置，并延伸到柱狀圖頂面，連接后即可確定傾向，直線AB與AC之間的夾角α則為傾角。

圖3 井下電視平面圖像展開原理

3 應(yīng)用實(shí)例

道角岸拱座開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高發(fā)現(xiàn)2條位于基坑底靠近藕塘岸邊緣的溶蝕裂隙，其中一條基本橫向貫通整個(gè)基坑，并向基坑外延伸，黏土充填或無充填。在補(bǔ)勘過程中查明地下巖溶位置、深度、溶蝕裂隙的發(fā)育特征等對(duì)整個(gè)特大橋的工程安全具有重要意義。

在基坑內(nèi)1號(hào)鉆孔進(jìn)行了勘察，孔徑d=91 mm，展開圖從左至右方位為NESWN，寬度約為：πd=286 mm，1.5 m范圍內(nèi)加裝了套管，在(1.5+0.6) m深度附近發(fā)現(xiàn)一厚度約0.1 m的黏土全充填?yuàn)A層，如圖4、圖5所示。在地表可觀測(cè)到該夾層與巖層平行，所以根據(jù)原理直接測(cè)得傾角為41.78°，傾向?yàn)?16°，與地面實(shí)測(cè)產(chǎn)狀102°∠43°相差不大，由于需要做輔助線測(cè)量，不可避免地存在一定誤差，但都比較接近，說明通過井下電視獲得巖層產(chǎn)狀是準(zhǔn)確可行的。

圖4 夾層平面圖

圖5 夾層柱狀圖

在深度14～16 m附近發(fā)現(xiàn)一明顯溶洞，四周沒有光反射回來，所以在采集到的圖像中呈暗區(qū)，溶洞頂板與底板高差約為1 m，中間無充填，底部有碎石及黏土半充填，如圖6所示。并從底板下一定深度范圍內(nèi)可看出溶蝕裂隙發(fā)育，溶蝕作用還在進(jìn)行。在達(dá)到該深度時(shí)，灰?guī)r基本屬于微風(fēng)化，可溶性鹽含量相差不大，頂板與底板巖層傾向與傾角與所測(cè)結(jié)果基本一致，所以該層巖體被溶蝕主要應(yīng)受地下水影響，在剛形成溶蝕裂隙時(shí)，地下水流經(jīng)裂隙，對(duì)上下方巖體進(jìn)行沖刷和溶蝕;當(dāng)裂隙達(dá)到一定寬度后，水流只對(duì)下部巖體進(jìn)行作用，逐步發(fā)展為如今的溶洞。

圖6 溶洞展開圖和三維柱狀圖

在記錄原始數(shù)據(jù)后，通過分析軟件節(jié)選出巖溶發(fā)育深度范圍的圖像，如圖7所示；還原的鉆孔三維柱狀圖如圖8所示。第一段深度范圍為1.5～3.5 m，第二至四段深度范圍為10.0～16.0 m；第五段范圍為20.0～22.0 m，鉆孔總深度約為25 m。10 m深度范圍內(nèi)整體完整，近似于第一段柱狀圖，10 m以下可見該鉆孔內(nèi)巖溶作用非常發(fā)育，溶蝕裂隙從0.5 cm寬到15 cm寬不等，溶洞有半充填、無充填兩種。

圖7 ZK01鉆孔展開圖(局部)

圖8 ZK01鉆孔三維卷芯圖

4 勘察結(jié)果

通過鉆孔的柱狀圖，可以看到真實(shí)的孔壁圖像，并且能對(duì)裂隙分布、巖溶發(fā)育等進(jìn)行定量分析，通過分析軟件使巖溶裂隙的深度或?qū)挾染_到厘米級(jí)，而這是鉆探遠(yuǎn)無法達(dá)到的，整個(gè)鉆孔巖溶發(fā)育位置及發(fā)育程度見表1。

表1 ZK01鉆孔巖溶發(fā)育具體分布及程度表

鉆探在確定覆蓋層厚度、劃定巖層界限方面是不可或缺的一種方法，并且能為井下電視提供實(shí)施條件。但在鉆探過程中需要注水，對(duì)孔壁進(jìn)行了沖刷導(dǎo)致，尤其是在巖溶發(fā)育部位，無法取出完整巖芯，以致對(duì)巖溶發(fā)育程度掌握模糊。由井下電視展開圖和合成三維柱狀圖，能準(zhǔn)確量化巖溶和裂縫的發(fā)育，鉆探中取出的巖芯與合成的三維柱狀圖實(shí)際上是等效的，并且更能準(zhǔn)確說明鉆孔中的地質(zhì)情況，分析軟件可以對(duì)整段鉆孔進(jìn)行無縫拼接，根據(jù)需要自行選擇孔段，附有多種工具可以對(duì)合成巖芯(合成的三維柱狀圖)進(jìn)行標(biāo)記與測(cè)量，大幅提高了鉆探勘察的精確性。所以在條件允許下建議采用合成巖芯代替取出的巖芯對(duì)鉆孔進(jìn)行分析，此方式能最大限度地還原孔壁真實(shí)的地質(zhì)狀況。

5 結(jié)束語

井下電視在工程上應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛了，最大的優(yōu)點(diǎn)就是能帶來最直觀的觀測(cè)效果，并且在軟件上獲取巖層的產(chǎn)狀信息已被證明是切實(shí)可行的。在鉆孔的勘察中，能對(duì)地下節(jié)理裂隙、巖溶發(fā)育等方面進(jìn)行定性描述和定量分析，建議在鉆探與井下電視綜合勘察時(shí)應(yīng)以井下電視為主，合成的柱狀圖代替實(shí)際巖芯對(duì)鉆孔進(jìn)行分析，可以獲得更加精準(zhǔn)的地質(zhì)資料。