井下电视在工程勘察中的应用

李 俊, 何 超, 周 瑜

(1.贵州省凯里公路管理局，贵州 凯里 556000；2.贵州省交通运输厅，贵州 贵阳 550003；3.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

由于岩体内不连续结构面具有很强的隐蔽性, 使用传统的探测技术对其进行研究受到了限制, 这就有必要建立一种先进、实用、直观的探测技术代替之[1]。井下电视主要以图像或视频的方式来表征地质现象，具有高分辨率、高井壁覆盖率和直观可信等特征。井下电视摄像系统以这一基本事实为依据从而可提供高精度的井壁图像，给地质工作者提供最可靠的依据[2]。工程中使用井下电视对确定地层岩性、断层、软弱夹层、岩溶发育程度、节理裂隙及不利组合等效果相对较好[3]。该设备功能齐全, 使用便捷,加大有效勘察深度, 拥有较高的分辨率,能提高观测精度，且采集的数据量大、地质信息丰富,并通过生成三维钻孔柱状图获取最直接的地质地层特征，成果可信度高。对于工程地质问题，特别是文中涉及的岩溶勘察所面临的工程地质条件复杂，岩层变化大，钻孔电视成像可以直接、清晰地观看钻孔内套管、地层、岩性、结构和构造以及岩溶、裂隙中出水的地质现象[4]。在边坡工程、桥梁工程等多方面广泛使用，结合其他勘察方法更能提供更为准确的地质资料。

在沙溪特大桥的桥墩建设中，由钻探发现地下可能存在岩溶区，使用传统勘察手段获得的地质资料不能够达到勘察要求，并且结果不够直观。因此选择井下电视能准确地查明地下岩溶裂隙位置、宽度、岩溶发育状况等。该方法对地下岩溶开展补勘工作势在必行, 本文重点阐述了井下电视在岩溶发育区的勘察效果。

1 基本概况

拟建桥道角岸3#墩台地处云贵高原向四川盆地过渡的斜坡地带，大地构造属扬子准地台黔北台隆遵义断拱凤冈北北东向构造变形区。根据区域地质资料及外业实地调查，结合钻探揭露，场地内及其附近断裂构造不发育，褶皱构造主要为红丝背斜，岩层呈单斜向产出，产状102°∠43°。但由于该区侵蚀作用剧烈，沟谷深切，地形破碎。所在斜坡北侧为龙塘河，南北走向垂直跨越龙塘河，基岩裸露为陡崖；地貌为构造剥蚀、侵蚀溶蚀中低山山间河谷地貌，桥位区下伏基岩为奥陶系下统桐梓红花园灰色中厚至厚层状灰岩。

桥墩基座建设过程中，发现一横贯基坑的裂缝，宽度为10～50 cm，黏土充填，在基坑内侧进行钻探补勘，过程中发现钻孔漏水严重，并可能存在溶洞，于是采用井下电视进入钻孔探测。

2 采用设备

2.1 设备介绍

武汉中岩科技SR-DCT (W)钻孔电视成像仪是国内先进的孔内成像仪，设备能够清晰反映钻孔内的构造状况，以图像和视频的方式对钻孔的孔内信息进行记录呈现，具有分辨率高、直观可视化、色彩丰富、清晰精确和工程适用性强等特点，弥补了其他勘察方法的诸多不足。整套设备主要包括主机、探头、计深滑轮、传输电缆线、绞车、绞架等，如图1所示。

图1 井下电视整套设备图

图1中，①为电缆线及绞车，一端连接探头③，一端连接主机④；②为平板电脑，可根据需求自行配置，通过连接主机④发出的WiFi，使探头的实时画面传回屏幕；③为探头，靠自重进入钻孔，360°全景成像，内置罗盘，记录孔壁内裂隙或岩溶发育深度和方位；④为主机，连接探头与计深滑轮，并完成探头与电脑之间的信息与数据交换；⑤为计深滑轮，根据滑轮转动圈数计算探头下放深度，靠近上部白色小滑轮所在方向为探头下落方向。

2.2 工作原理

如图2所示，将计深滑轮安装在三脚架上，主机上2根缆线分别连接计深滑轮和探头，探头下落时根据滑轮转动圈数计算进入深度，并把探头画面传回与主机WiFi相连的电脑，在电脑上对数据进行记录和处理。

图2 井下电视工作原理图

探头在经过层面或节理面时记录图像展开后应如下三角函数图像所示，并在还原后的3D柱状图中附带了方位，A为切面最高点，在展开图中为波峰，B则刚好相反。连接AB，根据倾向和倾角的定义：直线AB在水平面上的投影线所指层面向下的方向即为倾向，而与水平面投影之间的夹角即为倾角。由此可在展开图像中标记波峰与波谷位置，并延伸到柱状图顶面，连接后即可确定倾向，直线AB与AC之间的夹角α则为倾角。

图3 井下电视平面图像展开原理

3 应用实例

道角岸拱座开挖至设计标高发现2条位于基坑底靠近藕塘岸边缘的溶蚀裂隙，其中一条基本横向贯通整个基坑，并向基坑外延伸，黏土充填或无充填。在补勘过程中查明地下岩溶位置、深度、溶蚀裂隙的发育特征等对整个特大桥的工程安全具有重要意义。

在基坑内1号钻孔进行了勘察，孔径d=91 mm，展开图从左至右方位为NESWN，宽度约为：πd=286 mm，1.5 m范围内加装了套管，在(1.5+0.6) m深度附近发现一厚度约0.1 m的黏土全充填夹层，如图4、图5所示。在地表可观测到该夹层与岩层平行，所以根据原理直接测得倾角为41.78°，倾向为116°，与地面实测产状102°∠43°相差不大，由于需要做辅助线测量，不可避免地存在一定误差，但都比较接近，说明通过井下电视获得岩层产状是准确可行的。

图4 夹层平面图

图5 夹层柱状图

在深度14～16 m附近发现一明显溶洞，四周没有光反射回来，所以在采集到的图像中呈暗区，溶洞顶板与底板高差约为1 m，中间无充填，底部有碎石及黏土半充填，如图6所示。并从底板下一定深度范围内可看出溶蚀裂隙发育，溶蚀作用还在进行。在达到该深度时，灰岩基本属于微风化，可溶性盐含量相差不大，顶板与底板岩层倾向与倾角与所测结果基本一致，所以该层岩体被溶蚀主要应受地下水影响，在刚形成溶蚀裂隙时，地下水流经裂隙，对上下方岩体进行冲刷和溶蚀;当裂隙达到一定宽度后，水流只对下部岩体进行作用，逐步发展为如今的溶洞。

图6 溶洞展开图和三维柱状图

在记录原始数据后，通过分析软件节选出岩溶发育深度范围的图像，如图7所示；还原的钻孔三维柱状图如图8所示。第一段深度范围为1.5～3.5 m，第二至四段深度范围为10.0～16.0 m；第五段范围为20.0～22.0 m，钻孔总深度约为25 m。10 m深度范围内整体完整，近似于第一段柱状图，10 m以下可见该钻孔内岩溶作用非常发育，溶蚀裂隙从0.5 cm宽到15 cm宽不等，溶洞有半充填、无充填两种。

图7 ZK01钻孔展开图(局部)

图8 ZK01钻孔三维卷芯图

4 勘察结果

通过钻孔的柱状图，可以看到真实的孔壁图像，并且能对裂隙分布、岩溶发育等进行定量分析，通过分析软件使岩溶裂隙的深度或宽度精确到厘米级，而这是钻探远无法达到的，整个钻孔岩溶发育位置及发育程度见表1。

表1 ZK01钻孔岩溶发育具体分布及程度表

钻探在确定覆盖层厚度、划定岩层界限方面是不可或缺的一种方法，并且能为井下电视提供实施条件。但在钻探过程中需要注水，对孔壁进行了冲刷导致，尤其是在岩溶发育部位，无法取出完整岩芯，以致对岩溶发育程度掌握模糊。由井下电视展开图和合成三维柱状图，能准确量化岩溶和裂缝的发育，钻探中取出的岩芯与合成的三维柱状图实际上是等效的，并且更能准确说明钻孔中的地质情况，分析软件可以对整段钻孔进行无缝拼接，根据需要自行选择孔段，附有多种工具可以对合成岩芯(合成的三维柱状图)进行标记与测量，大幅提高了钻探勘察的精确性。所以在条件允许下建议采用合成岩芯代替取出的岩芯对钻孔进行分析，此方式能最大限度地还原孔壁真实的地质状况。

5 结束语

井下电视在工程上应用已经比较广泛了，最大的优点就是能带来最直观的观测效果，并且在软件上获取岩层的产状信息已被证明是切实可行的。在钻孔的勘察中，能对地下节理裂隙、岩溶发育等方面进行定性描述和定量分析，建议在钻探与井下电视综合勘察时应以井下电视为主，合成的柱状图代替实际岩芯对钻孔进行分析，可以获得更加精准的地质资料。