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)面具有很強的隱蔽性, 使用傳統(tǒng)的探測技術(shù)對其進行研究受到了限制, 這就有必要建立一種先進、實用、直觀的探測技術(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)資料不能夠達到勘察要求，并且結(jié)果不夠直觀。因此選擇井下電視能準確地查明地下巖溶裂隙位置、寬度、巖溶發(fā)育狀況等。該方法對地下巖溶開展補勘工作勢在必行, 本文重點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)造屬揚子準地臺黔北臺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)實地調(diào)查，結(jié)合鉆探揭露，場地內(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?，南北走向垂直跨越龍?zhí)梁?，基巖裸露為陡崖；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)進行鉆探補勘，過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔漏水嚴重，并可能存在溶洞，于是采用井下電視進入鉆孔探測。

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鉆孔的孔內(nèi)信息進行記錄呈現(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等特點，彌補了其他勘察方法的諸多不足。整套設(shè)備主要包括主機、探頭、計深滑輪、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④；②為平板電腦，可根據(jù)需求自行配置，通過連接主機④發(fā)出的WiFi，使探頭的實時畫面?zhèn)骰仄聊?；③為探頭，靠自重進入鉆孔，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，連接探頭與計深滑輪，并完成探頭與電腦之間的信息與數(shù)據(jù)交換；⑤為計深滑輪，根據(jù)滑輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)計算探頭下放深度，靠近上部白色小滑輪所在方向為探頭下落方向。

2.2 工作原理

如圖2所示，將計深滑輪安裝在三腳架上，主機上2根纜線分別連接計深滑輪和探頭，探頭下落時根據(jù)滑輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)計算進入深度，并把探頭畫面?zhèn)骰嘏c主機WiFi相連的電腦，在電腦上對數(shù)據(jù)進行記錄和處理。

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，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)用實例

道角岸拱座開挖至設(shè)計標高發(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基坑，并向基坑外延伸，黏土充填或無充填。在補勘過程中查明地下巖溶位置、深度、溶蝕裂隙的發(fā)育特征等對整個特大橋的工程安全具有重要意義。

在基坑內(nèi)1號鉆孔進行了勘察，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的黏土全充填夾層，如圖4、圖5所示。在地表可觀測到該夾層與巖層平行，所以根據(jù)原理直接測得傾角為41.78°，傾向為116°，與地面實測產(chǎn)狀102°∠43°相差不大，由于需要做輔助線測量，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，溶蝕作用還在進行。在達到該深度時，灰?guī)r基本屬于微風化，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，地下水流經(jīng)裂隙，對上下方巖體進行沖刷和溶蝕;當裂隙達到一定寬度后，水流只對下部巖體進行作用，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，可以看到真實的孔壁圖像，并且能對裂隙分布、巖溶發(fā)育等進行定量分析，通過分析軟件使巖溶裂隙的深度或?qū)挾染_到厘米級，而這是鉆探遠無法達到的，整個鉆孔巖溶發(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施條件。但在鉆探過程中需要注水，對孔壁進行了沖刷導(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際上是等效的，并且更能準確說明鉆孔中的地質(zhì)情況，分析軟件可以對整段鉆孔進行無縫拼接，根據(jù)需要自行選擇孔段，附有多種工具可以對合成巖芯(合成的三維柱狀圖)進行標記與測量，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鉆孔進行分析，此方式能最大限度地還原孔壁真實的地質(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)點就是能帶來最直觀的觀測效果，并且在軟件上獲取巖層的產(chǎn)狀信息已被證明是切實可行的。在鉆孔的勘察中，能對地下節(jié)理裂隙、巖溶發(fā)育等方面進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應(yīng)以井下電視為主，合成的柱狀圖代替實際巖芯對鉆孔進行分析，可以獲得更加精準的地質(zhì)資料。