鉆孔數(shù)字全景成像產狀提取應用研究

徐 洋

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

巖層產狀是指巖層在空間產出的狀態(tài)和方位的總稱。巖層產狀求取是工程地質調查、勘查乃至工程施工不可缺失的一項重要工作。野外調查一般采用地質羅盤進行測量，調查結果較為宏觀，對于指導施工存在一定的局限性；勘查、施工階段一般采地質鉆成孔，鉆取芯樣對地層進行地質編錄獲取地質信息，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雜的地質信息資料[1-2]。鉆孔數(shù)字全景成像技術能夠解決這一難題，其為解決復雜的地質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，且大大縮短施工強度、工期，減少資源投入，對工程勘查、隱蔽工程施工指導及工程驗收具有較好的借鑒意義。但通過對現(xiàn)階段鉆孔全景圖像測試系統(tǒng)產狀提取對比分析得出，系統(tǒng)自帶的產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/裂隙的任意三個點，記錄深度、方位角和鉆孔直徑，輔以Excel軟件編輯解析公式，利用三個不同點確定唯一平面原理，計算巖層、裂隙的產狀，這樣能更好地避免測試系統(tǒng)誤差，降低人為判讀等主觀因素影響。該方法提取的產狀精度高，對工程勘查及隱蔽工程施工提供準確的地質信息資料起到了關鍵作用，具有較好的借鑒和推廣意義。

圖1 巖層產狀鉆孔成像示意圖

1 檢測原理

鉆孔成像系統(tǒng)在探頭前端安裝高清光學攝像頭，采用一種錐面反射光學變換，以高亮度、可調節(jié)LED半導體作為成像光源，通過360°鉆孔孔壁成像輔以深度計數(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)，包括巖層產狀、裂隙發(fā)育程度、軟弱夾層、灌漿過程中漿液對縫隙的充填情況以及混凝土澆筑質量等，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的地層原始狀態(tài)。

2 測試研究

現(xiàn)階段測試系統(tǒng)多通過裂隙產狀設計一個計算模型，在已知鉆孔直徑d，通過量取裂隙最高點與最低點至正北方向(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，人為選擇的兩個測點只能確定一條線，而不能準確代表裂隙層面，且在巖層面不規(guī)則、產狀變化較大的情況下，求取的產狀不具代表性。本文根據成像展開圖，選取三個不在同一直線的點確定唯一平面，即三點位于同一層面上，但又不在一條直線上，三點的方位角、相互水平距離和標高為已知前提條件下，通過空間解析幾何求取巖層產狀，能更好地解決這一系統(tǒng)求取產狀精確度較低的弊端，解決特殊地質條件下取芯難、隱蔽工程地質缺陷產狀求取困難等問題。通過對現(xiàn)階段測試系統(tǒng)產狀計算模型對比分析，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)產狀計算示意圖

3 解決思路

對于垂直向下的鉆孔，以(r,H,D)來表示鉆孔全景數(shù)字成像展開圖中空間坐標[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°，順時針為正，逆時針為負。定義任一平面與鉆孔相交，相交的截面上任意取3點P1，P2，P3，如圖3所示，則3個點的坐標分別為P1(r,H1,D1)，P2(r,H2,D2)，P3(r,H3,D3)。

圖3 巖層產狀示意圖

以孔口為坐標原點，X軸為正東向90°，Y軸為正北向0°，轉換成直角坐標系：

求解平面P1，P2，P3三個點構成的法向量：

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°”換算成地質描述語言即可。θ±90°即為地層的走向。

4 解析過程

對于垂直向下的鉆孔，鉆孔成像產狀確定步驟分為：圖像展開，導入CAD，在展布圖中讀取巖層/裂隙平面P1，P2，P3點的深度、方位角和鉆孔直徑，或直接通過測試系統(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，對巖層/裂隙的產狀進行描述。

4.1 圖像展開

實時采集獲取的是孔壁經過錐形鏡或曲面鏡的環(huán)形圖像，數(shù)據處理中按正北方位展開圖像，即按N→E→S→W→N的順序展開，通過內圈以圖像比例進行插值，使展開的圖像成為規(guī)則的矩形，便于進行數(shù)據處理分析，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，順時針旋轉一周為360°、正東90°、正南180°、正西270°、正北360°。為確保巖層/裂隙的產狀選取不存在人為誤差，任意讀取的三個測點以巖層/裂隙上邊緣或者下邊緣為基準，即選取測點在巖層/裂隙同一側，展布圖中測點選取排序按從右至左進行排序，即P1→P2→P3，P1，P2，P3測點的坐標方位角由展開圖的北端起，順時針量取到選取點的夾角即為方位角，可通過測試系統(tǒng)直接讀取，也可以通過成圖處理軟件進行換算。具體換算可在鉆孔展開圖上通過讀取選取點至正北0°的截距，如圖5所示，通過式（13）進行換算：

圖5 鉆孔數(shù)字全景成像裂隙展開圖

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

5 系統(tǒng)校準

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證其方位、深度計數(shù)準確性，顏色、拼接效果的可靠性，可通過孔外電子羅盤校核裝置對電子羅盤進行校準；通過脈沖距離校準法校準其深度計數(shù)器準確性，校準方法如下。

5.1 電子羅盤校準

現(xiàn)場工作時，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地質情況，可通過電子羅盤校核裝置進行校核。如圖6所示，該裝置方便攜帶至野外項目現(xiàn)場，垂直放置，調節(jié)方向使羅盤0°為正北，調平水平氣泡儀，模擬垂直鉆孔，使用鉆孔全景成像儀對該裝置對進行模擬成像，試驗成果的展布圖與校驗筒標識的方位相符、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

脈沖距離是深度計數(shù)器相鄰光脈沖之間的電纜長度。影響該值的外部要素為滑輪直徑和電纜直徑。進行超深孔成像時，由于滑輪與電纜結合轉動，計數(shù)存在一定的累積誤差，在進行現(xiàn)場測試前需要對該值進行校準。校準的方法為：假設當前測試系統(tǒng)的脈沖距離值為f0=0.888 mm，在電纜上間隔一定長度作兩個標記，例如間隔C=20.0 m，當?shù)谝粋€標記到達滑輪處時，記下顯示的深度值f1，當?shù)诙€標記到達滑輪處時，記下顯示的深度值f2，則準確的f值為f=C×f0/（f2-f1）。通過設備設置界面輸入真實的脈沖系數(shù)，即可確保成像記錄深度與地層實際深度一致。

5.3 其 他

現(xiàn)場施工實際鉆孔孔徑、孔斜也是影響產狀求取準確性的因素之一。測試時，需通過施工方獲取準確的鉆進參數(shù)，核實提供的參數(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，應進行孔斜測試，了解鉆孔偏移情況；成像過程中，速度按1～1.5 m·min-1進行控制，確保成像清晰度，避免信號線與計數(shù)器下放過快滑動引起累積誤差。

6 數(shù)據分析

為驗證新舊兩種產狀計算模型對求取產狀結果的差異，本文選取了同孔同條裂隙進行對比驗證分析。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和最低點這兩個特征點進行裂隙產狀計算，獲得的裂隙產狀為77.7°∠73.2°，即傾向北東77.7°，傾角73.2°，走向為SE167.7°。

圖7 鉆孔成像產狀提?、?/p>

如圖8所示，在新設計模型下，沿裂隙面任意選取三個測點，通過空間解析幾何理論輔助Excel換算式求得裂隙產狀為73.9°∠58.7°，即傾向北東73.9°，傾角58.7°，走向為SE163.9°。

圖8 鉆孔成像產狀提?、?/p>

如圖9所示，為驗證新產狀設計模型計算結果的準確性和一致性，同理在裂隙上再任意選取三個測點計算產狀，與第一次計算結果進行比較。求得產狀為73.8°∠56.8°，即兩者計算結果結果基本一致，證明該產狀計算模型可應用于工程勘查和工程檢測中。通過與原產狀求取系統(tǒng)測試結果對比，原產狀模型傾向計算差值為3.8°～3.9°，傾角相差14.5°～16.4°，傾角計算結果差異較大，原產狀計算模型計算結果的準確性有待商榷。新設計計算模型結果更具代表性，誤差也相對較小，通過全面、系統(tǒng)設計，可更好、更高效應用于地質勘查和工程檢測過程中，解放大量勞動力。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精度、降低工程造價。

圖9 鉆孔成像產狀提?、?/p>

7 結 語

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

（1）通過鉆孔成像可以快速識別出孔內巖層、斷層、裂隙等地質現(xiàn)象，為解決復雜的地質問題提供了可視化信息資料；通過新產狀計算模型設計應用推廣，解決隱蔽工程原始地層產狀提取困難、完善現(xiàn)階段鉆孔全景數(shù)字測試系統(tǒng)判讀誤差大甚至設備自帶系統(tǒng)判讀錯誤等問題。

（2）鉆孔成像由于能對孔壁進行連續(xù)觀測，因此不會因為取芯不完整而造成地層缺失，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，無法獲取鉆孔內軟弱夾層、裂隙寬度、溶洞發(fā)育規(guī)模、地下水位等真實地層信息資料問題。

（3）通過鉆孔成像系統(tǒng)產狀提取應用推廣，解放大量地質編錄人員，解決了紙質資料存儲易變質、巖芯儲存場所難等問題，大大降低工程造價。另外，利用大數(shù)據存儲和分析功能，通過數(shù)據信息檢索，能快速、更便捷地查詢到需要的地質信息資料，通過全面、系統(tǒng)分析，為隱蔽工程處理、驗收提供有力支撐依據。