钻孔数字全景成像产状提取应用研究

徐 洋

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引 言

岩层产状是指岩层在空间产出的状态和方位的总称。岩层产状求取是工程地质调查、勘查乃至工程施工不可缺失的一项重要工作。野外调查一般采用地质罗盘进行测量，调查结果较为宏观，对于指导施工存在一定的局限性；勘查、施工阶段一般采地质钻成孔，钻取芯样对地层进行地质编录获取地质信息，若遇软弱夹层、岩溶发育带、空腔、溶洞等，钻孔取芯将难以获取到复杂的地质信息资料[1-2]。钻孔数字全景成像技术能够解决这一难题，其为解决复杂的地质问题提供了可视化信息，如图1所示。与钻孔取芯编录相比，钻孔全景数字成像能比较直观、丰富、精确地获取地层信息，且大大缩短施工强度、工期，减少资源投入，对工程勘查、隐蔽工程施工指导及工程验收具有较好的借鉴意义。但通过对现阶段钻孔全景图像测试系统产状提取对比分析得出，系统自带的产状分析功能存在一定误差和人为判读等主观因素。为消除和解决以上难题，本文通过从钻孔成像展布图中读取岩层/裂隙的任意三个点，记录深度、方位角和钻孔直径，辅以Excel软件编辑解析公式，利用三个不同点确定唯一平面原理，计算岩层、裂隙的产状，这样能更好地避免测试系统误差，降低人为判读等主观因素影响。该方法提取的产状精度高，对工程勘查及隐蔽工程施工提供准确的地质信息资料起到了关键作用，具有较好的借鉴和推广意义。

图1 岩层产状钻孔成像示意图

1 检测原理

钻孔成像系统在探头前端安装高清光学摄像头，采用一种锥面反射光学变换，以高亮度、可调节LED半导体作为成像光源，通过360°钻孔孔壁成像辅以深度计数器及电子方位罗盘沿孔深连续拼接图像，成像是钻孔圆柱面的某一段图像经过锥面反射镜反射成像于锥面反射镜底部的某一平面或近似平面上的图像[3]，圆柱面经过锥面反射镜变换后形成的全景图像呈圆环状，圆环的内圆表示该段圆柱面的顶面圆，外圆表示该段圆柱面的底面圆，沿着圆环的径向变化反映了钻孔圆柱面的轴向变化[4]。而圆环边缘的不规则程度或明暗差异则反映出钻孔壁所在处的地质差异，如裂隙、破碎带、空腔、空洞及软弱夹层的分布状况。图像通过处理软件按正北方向展开，转换成为二维平面图像。它为工程提供视觉直观的钻孔资料，便于了解地层的原始形态，包括岩层产状、裂隙发育程度、软弱夹层、灌浆过程中浆液对缝隙的充填情况以及混凝土浇筑质量等，也可以通过处理软件把展开图还原成岩心柱状图，模拟沿钻孔深度范围内的地层原始状态。

2 测试研究

现阶段测试系统多通过裂隙产状设计一个计算模型，在已知钻孔直径d，通过量取裂隙最高点与最低点至正北方向(N)的距离(x1,x2)，两者之间的垂直高差为Δh，求取裂隙倾向和倾角[2]。该方法存在一定局限性，即倾向、倾角存在多解的可能，人为选择的两个测点只能确定一条线，而不能准确代表裂隙层面，且在岩层面不规则、产状变化较大的情况下，求取的产状不具代表性。本文根据成像展开图，选取三个不在同一直线的点确定唯一平面，即三点位于同一层面上，但又不在一条直线上，三点的方位角、相互水平距离和标高为已知前提条件下，通过空间解析几何求取岩层产状，能更好地解决这一系统求取产状精确度较低的弊端，解决特殊地质条件下取芯难、隐蔽工程地质缺陷产状求取困难等问题。通过对现阶段测试系统产状计算模型对比分析，如图2所示，裂隙倾向θ=(x2/2πd)×360°；倾角α多为α=tan-1(Δh/x2-x1)=tan-1(Δh/d)。

图2 现阶段系统产状计算示意图

3 解决思路

对于垂直向下的钻孔，以(r,H,D)来表示钻孔全景数字成像展开图中空间坐标[5]，其中r为钻孔半径，H为钻孔向下深度，上小下大为正值，D为仪器记录的方位角，以正北为0°=360°，顺时针为正，逆时针为负。定义任一平面与钻孔相交，相交的截面上任意取3点P1，P2，P3，如图3所示，则3个点的坐标分别为P1(r,H1,D1)，P2(r,H2,D2)，P3(r,H3,D3)。

图3 岩层产状示意图

以孔口为坐标原点，X轴为正东向90°，Y轴为正北向0°，转换成直角坐标系：

求解平面P1，P2，P3三个点构成的法向量：

该平面法向量在水平面上的投影所指的方向即为岩层的倾向，设定用角度θ表示，θ∈[0,2π]，则：

将θ按“正北0°-正东90°-正南180°-正西270°-正北360°”换算成地质描述语言即可。θ±90°即为地层的走向。

4 解析过程

对于垂直向下的钻孔，钻孔成像产状确定步骤分为：图像展开，导入CAD，在展布图中读取岩层/裂隙平面P1，P2，P3点的深度、方位角和钻孔直径，或直接通过测试系统读取裂隙深度和方位角，辅以Excel利用解析几何理论求解出岩层/裂隙的走向、倾向、倾角，按方位角或者象限角的表示方法，对岩层/裂隙的产状进行描述。

4.1 图像展开

实时采集获取的是孔壁经过锥形镜或曲面镜的环形图像，数据处理中按正北方位展开图像，即按N→E→S→W→N的顺序展开，通过内圈以图像比例进行插值，使展开的图像成为规则的矩形，便于进行数据处理分析，如图4所示。

图4 钻孔成像展开示意图

4.2 确定方位角

在已知钻孔直径、裂隙发育深度的情况下，以正北0°作为唯一参考坐标，顺时针旋转一周为360°、正东90°、正南180°、正西270°、正北360°。为确保岩层/裂隙的产状选取不存在人为误差，任意读取的三个测点以岩层/裂隙上边缘或者下边缘为基准，即选取测点在岩层/裂隙同一侧，展布图中测点选取排序按从右至左进行排序，即P1→P2→P3，P1，P2，P3测点的坐标方位角由展开图的北端起，顺时针量取到选取点的夹角即为方位角，可通过测试系统直接读取，也可以通过成图处理软件进行换算。具体换算可在钻孔展开图上通过读取选取点至正北0°的截距，如图5所示，通过式（13）进行换算：

图5 钻孔数字全景成像裂隙展开图

式中：D1，D2，D3为任意选取裂面测点方位角，a1，b1，c1为从左至右展开图上截距。

5 系统校准

本文所提方法基于成像系统电子罗盘工作正常、图像拼接无误的情况。若野外工作前无法验证其方位、深度计数准确性，颜色、拼接效果的可靠性，可通过孔外电子罗盘校核装置对电子罗盘进行校准；通过脉冲距离校准法校准其深度计数器准确性，校准方法如下。

5.1 电子罗盘校准

现场工作时，若无法判断探头中电子罗盘是否正常工作，拼接图像是否还原钻孔真实地质情况，可通过电子罗盘校核装置进行校核。如图6所示，该装置方便携带至野外项目现场，垂直放置，调节方向使罗盘0°为正北，调平水平气泡仪，模拟垂直钻孔，使用钻孔全景成像仪对该装置对进行模拟成像，试验成果的展布图与校验筒标识的方位相符、角度一致、深度相等且呈直线、颜色相同，则可确认钻孔全景成像仪正常工作。反之，钻孔全景成像仪工作不正常，需返修。

图6 电子罗盘校核装置示意图

5.2 脉冲距离校准

脉冲距离是深度计数器相邻光脉冲之间的电缆长度。影响该值的外部要素为滑轮直径和电缆直径。进行超深孔成像时，由于滑轮与电缆结合转动，计数存在一定的累积误差，在进行现场测试前需要对该值进行校准。校准的方法为：假设当前测试系统的脉冲距离值为f0=0.888 mm，在电缆上间隔一定长度作两个标记，例如间隔C=20.0 m，当第一个标记到达滑轮处时，记下显示的深度值f1，当第二个标记到达滑轮处时，记下显示的深度值f2，则准确的f值为f=C×f0/（f2-f1）。通过设备设置界面输入真实的脉冲系数，即可确保成像记录深度与地层实际深度一致。

5.3 其 他

现场施工实际钻孔孔径、孔斜也是影响产状求取准确性的因素之一。测试时，需通过施工方获取准确的钻进参数，核实提供的参数与钻孔直径是否一致，钻孔过程中是否有变径等问题；其次，应进行孔斜测试，了解钻孔偏移情况；成像过程中，速度按1～1.5 m·min-1进行控制，确保成像清晰度，避免信号线与计数器下放过快滑动引起累积误差。

6 数据分析

为验证新旧两种产状计算模型对求取产状结果的差异，本文选取了同孔同条裂隙进行对比验证分析。如图7所示，通过成像选取节理面展开图上正弦曲线的最高点和最低点这两个特征点进行裂隙产状计算，获得的裂隙产状为77.7°∠73.2°，即倾向北东77.7°，倾角73.2°，走向为SE167.7°。

图7 钻孔成像产状提取Ⅰ

如图8所示，在新设计模型下，沿裂隙面任意选取三个测点，通过空间解析几何理论辅助Excel换算式求得裂隙产状为73.9°∠58.7°，即倾向北东73.9°，倾角58.7°，走向为SE163.9°。

图8 钻孔成像产状提取Ⅱ

如图9所示，为验证新产状设计模型计算结果的准确性和一致性，同理在裂隙上再任意选取三个测点计算产状，与第一次计算结果进行比较。求得产状为73.8°∠56.8°，即两者计算结果结果基本一致，证明该产状计算模型可应用于工程勘查和工程检测中。通过与原产状求取系统测试结果对比，原产状模型倾向计算差值为3.8°～3.9°，倾角相差14.5°～16.4°，倾角计算结果差异较大，原产状计算模型计算结果的准确性有待商榷。新设计计算模型结果更具代表性，误差也相对较小，通过全面、系统设计，可更好、更高效应用于地质勘查和工程检测过程中，解放大量劳动力。尤其在软弱夹层、岩溶发育、岩体破碎地段取芯困难情况下，该方法能大幅提高勘测精度、降低工程造价。

图9 钻孔成像产状提取Ⅲ

7 结 语

本文阐述了垂直钻孔成像原理和钻孔内岩体结构面产状的确定计算方法，即利用三个不同点确定唯一平面原理，通过成像展开图，读取产状计算参数(r,H,D)，通过向量代数和空间解析几何理论计算岩层、裂隙的产状的方法，研究取得了如下结论。

（1）通过钻孔成像可以快速识别出孔内岩层、断层、裂隙等地质现象，为解决复杂的地质问题提供了可视化信息资料；通过新产状计算模型设计应用推广，解决隐蔽工程原始地层产状提取困难、完善现阶段钻孔全景数字测试系统判读误差大甚至设备自带系统判读错误等问题。

（2）钻孔成像由于能对孔壁进行连续观测，因此不会因为取芯不完整而造成地层缺失，且可以通过成像柱状岩性模拟，解决常规钻孔取芯难、取芯率低，工作效率低，无法获取钻孔内软弱夹层、裂隙宽度、溶洞发育规模、地下水位等真实地层信息资料问题。

（3）通过钻孔成像系统产状提取应用推广，解放大量地质编录人员，解决了纸质资料存储易变质、岩芯储存场所难等问题，大大降低工程造价。另外，利用大数据存储和分析功能，通过数据信息检索，能快速、更便捷地查询到需要的地质信息资料，通过全面、系统分析，为隐蔽工程处理、验收提供有力支撑依据。