基于孔內電視技術的巖體節理裂隙特征研究

王曉兵 王俊卿

（鄭州中核巖土工程有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

結構面是巖體中力學強度相對薄弱的部位，結構面的存在使巖體力學性能具有不連續性、不均勻性和各向異性[1?2]；而且，巖體的結構特征對巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強度特征起著重要的控制作用[1?2]。然而，節理裂隙的發育方向、長度、張開度、規模及交錯程度較為復雜，其空間分布具有很強的隨機性、各向異性與隱蔽性；且節理裂隙的特定分析與研究又是工程巖體分級與巖體質量評價的重要指標之一，巖體之上的工程，特別是核電工程的質量與安全又嚴重依賴于巖體的質量；因此，對巖體節理裂隙特征的分析與研究尤為重要[1,3?5]。自1976年國外學者提出復雜巖體的結構具有某種統計自相似性，前人基于分形理論對巖體節理裂隙做了較多的定量化、系統化分析研究[6?8]。

在工程地質勘察中，獲取巖體節理裂隙第一手資料的手段主要是鉆探、聲波測試及孔內電視等。在鉆探過程中，巖體節理裂隙特征的準確程度嚴重依賴于鉆探技術水平的高低，而聲波測試又無法準確地測定巖體節理裂隙的產狀、張開度等；傳統孔內電視的攝像范圍、角度、清晰度在很大程度上受到限制，僅能夠一定程度地記錄、反映地下巖體的節理裂隙特征[5,8?10]。全景式孔內電視技術的360°孔壁圖像覆蓋成像不僅不受攝像角度的影響可以一次性完成對孔壁的觀測，而且在清晰度上也有較大的提高[10?12]。本文在鉆探的基礎上運用全景式孔內電視技術，對海南某核電項目2個鉆孔巖體孔壁進行了圖像觀測，通過對測試結果節理裂隙的解譯、統計等定量分析，判斷了巖體主要節理裂隙走向與傾角范圍，分析了優勢節理，并對巖體節理裂隙的傾角、節理線密度進行了研究；在此基礎上運用王川嬰等提出的基于孔內電視系統的巖體質量IRMI指標，對測試孔的巖體完整性進行了評價，并與RQD值、聲波測試結果進行了對比。

1 孔內電視基本原理

全景式孔內電視的基本結構主要由成像主機、探頭、半自動絞車等組成（見圖1）。鉆孔成孔后，經洗孔與試劑的投放使得孔壁干凈或孔內水體清澈；探頭進入鉆孔后利用自身的攝像光源照明，將探頭周圍的巖體的孔壁通過錐面鏡反射傳輸至地面主機中；半自動絞車從鉆孔底勻速提升探頭至孔口，對不同深度的巖體孔壁成像采集。

全景技術能夠實現巖體孔壁的360°成像，即觀察方向垂直向下，觀察的圖像是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[10]（見圖2），對巖體節理裂隙進行攝像。具有一定重疊區域的無縫拼接技術則可以將測定深度內的全孔孔壁圖像連接起來，從而使巖體的節理裂隙、結構面清晰完整地呈現。

圖2 孔內電視全景圖像示意圖[11]

巖體中節理裂隙在空間范圍內的展布具有三維性，全景孔內電視能夠將三維巖體孔壁的節理裂隙展開的二維圖像進行四點以上的多點擬合。圖3中A點則代表與節理裂隙傾向相反的方向；D點則代表節理裂隙的傾向。然而，巖體的節理裂隙形成過程是復雜的，張開型節理裂隙的結構面凹凸不平，填充物的性質、屬性不同，使得其不具有平滑性即為結構面粗糙度。

圖3 全景式孔內電視技術原理及實例[13]

巖體節理裂隙的二維形態是不規則的，其節理裂隙不具有平滑曲線的形態，擬合過程是以節理裂隙線的平滑基線為進出進行的，因此在擬合過程中巖體的節理裂隙不具有突變性。鉆探過程中未貫穿的結構面，其巖體節理裂隙的擬合效果較差，貫穿的節理裂隙則可以很好地反映巖體節理裂隙的實際狀態。

2 場區地質概況

場區內地層上部主要為第四系海積地層、風積地層，下伏燕山運動晚期侵入巖，黑云母花崗巖在場區內廣泛分布，大部分布于更新統殘坡積層下部，石英閃長巖作為一套后期侵入的巖體呈脈狀分布，寬度不等。該區域位于華南褶皺系五指山斷坳帶西部，內部構造簡單，位于場區南部僅發育一條紅嶺斷裂，走向北北西?近南北向，全長約8 km；該斷裂表現為硅化、密集節理帶，地貌上沿殘丘山脊發育，無斷錯微地貌現象，為前第四紀斷裂。場區內無基巖露頭，工程地質測繪僅能對地表的工程地質條件進行調查，深部巖體節理裂隙的發育情況，特別是節理裂隙的位置、產狀、充填物等無法調查。

3 巖體裂隙特征分析

3.1 孔內電視圖像解譯

本次孔內電視測試在HK01孔、HK03孔進行，鉆探結果兩個孔巖芯較為破碎。根據孔內電視成像結果，可清晰地觀察到黑云母花崗巖與石英閃長巖巖性分界，閉合節理、微裂隙，張開型節理面鐵質礦物浸染與石英巖脈及部分塌孔現象（見圖4、圖5）。

圖4 節理面浸染、礦物充填及塌孔現象實例

圖5 巖性分界線及巖脈實例

在孔內電視圖像的基礎上對兩個孔巖體的節理裂隙特征進行了擬合解譯。HK01鉆孔地層從上到下依次為中砂、珊瑚礁混砂、石英閃長巖；由于上部為中砂和珊瑚礁混砂，上部中等風化層較為破碎，為完成鉆孔的鉆進，選擇了套管護壁；因此，該孔0.0～26.0 m測試圖像為套管壁，不具有實際觀測價值，孔內電視巖體圖像從26.0至39.0 m，計13.0 m；HK03孔地層從上到下依次為中砂、黑云母花崗巖，上部0.0～12.0 m使用套管護壁，孔內電視巖體圖像從12.0～45.5 m，計33.5 m；兩孔共計測深93.0 m，有效測試段長度共計46.5 m。HK01、HK03孔鉆探取芯較為破碎，巖體節理裂隙部分無法識別，而孔內電視結果顯示對應深度的巖體較為完整，部分節理裂隙之間的巖體長度大于10 cm，這使得鉆探RQD值小于實際值（見圖6、圖7）。

圖6 HK01孔28.0～30.0 m孔內電視圖像節理裂隙解譯

圖7 HK01孔32.0～34.0 m孔內電視圖像節理裂隙解譯

3.2 巖體節理裂隙統計

在節理裂隙解譯的基礎上對兩孔巖體進行了節理統計（見圖8?圖12）。其中，HK01鉆孔26.0～39.0 m，共發育節理裂隙82條，其中張開型無充填節理共計17條，張開型石英礦物充填節理5條（見表1）；HK03鉆孔12.0～45.5 m，共發育節理裂隙274條，其中張開型節理共計31條，張開型石英礦物充填節理4條。根據節理走向統計結果（見圖13）HK01孔優勢節理有2組，即NNW走向（335°～350°），NE走向（30°～60°）；HK03孔優勢節理有3組，即NWW走向（280°～300°），N走向（350°～10°），NEE走向（60°～80°）；節理裂隙面多為剪切面，少部分為泥質充填，節理面較光滑，大部分為鐵錳質浸染，多數節理張開度1～2 mm，充填石英礦物等。

圖8 HK01孔36.0～38.0 m孔內電視圖像節理裂隙解譯

圖9 HK03孔16.0～18.0 m孔內電視圖像節理裂隙解譯

圖10 HK03孔20.0～22.0 m孔內電視圖像節理裂隙解譯

圖11 HK03孔22.0～24.0 m孔內電視圖像節理裂隙解譯

圖12 HK03孔30.0～32.0 m孔內電視圖像節理裂隙解譯

表1 聲波測井綜合成果表

圖13 節理走向玫瑰花圖

根據節理傾角統計結果（見圖14、圖15）HK01孔主要傾角有2組，分別為50°～60°、70°～80°，傾角大多數分布在30°～80°范圍內；HK03孔主要傾角有3組，分別為30°～40°、40°～50°、50°～60°，其傾角主要分布在30°～70°范圍內。

圖14 節理傾向、傾角玫瑰花圖

圖15 節理傾角統計頻數直方圖

HK01孔26.0～39.0 m，共發育節理82條，平均節理間距0.16 m/條，其中31.0～36.0 m節理裂隙發育較多，節理多為閉合微小型，對巖體的完整程度破壞不大；HK03孔12.0～45.5 m，共發育節理274條，平均節理間距0.12 m/條，其中32.0～42.0 m節理裂隙發育較多，節理多為閉合微小型，局部為張開充填型，對巖體的完整程度影響較小，該孔22.3～27.0 m節理裂隙多為張開型，對巖體破壞程度較大（見圖16）。

圖16 節理線密度統計頻數直方圖

兩孔巖體的節理裂隙均為構造節理裂隙。構造節理裂隙以剪性高傾角節理為主，多為閉合節理或硅質膠結，裂隙面有鐵錳質浸染，部分為高嶺土充填，遇水后呈泥狀，主要在黑云母花崗巖與石英閃長巖接觸帶分布。少數為張性裂隙，節理面粗糙，多為鐵錳質浸染。由于鉆孔內的節理裂隙發育，巖體完整性遭到極大破壞，結構體形狀呈碎屑狀或碎塊狀，中等風化巖體中的結構體由節理裂隙切割而成，結構體形狀為柱狀和塊狀，微風化巖體受節理裂隙切割，結構體形狀為柱狀和塊狀，局部節理密集帶呈碎塊狀。

4 巖體裂隙特征及質量評價

4.1 鉆孔RQD與聲波測試巖體質量分析

巖體節理裂隙的走向、張開程度、形態、發育規模、節理間距、寬度以及節理面的粗糙程度共同構成了巖體節理的裂隙特征[14?15]。對節理裂隙特征的分析則是工程巖體分級、巖體質量及完整性的重要指標。鉆探結果表明，HK01微風化巖體采取率為96.0%，RQD值為50.7，節理裂隙的平均間距0.45 m/條；根據工程巖體分級標準，該孔巖體質量指標為較差的，巖體完整性為較破碎?較完整，結構類型為鑲嵌碎裂結構?塊狀結構，結構面結合好。HK03微風化巖體采取率為96.2%，RQD值為40.7，節理裂隙的平均間距0.32 m/條；該孔巖體質量指標為差的，巖體完整性為較破碎?較完整，結構類型為碎裂結構?塊狀結構，結構面結合好。

聲波測試可以根據巖體彈性波速對巖體完整性進行定量評價，HK01孔單孔聲波范圍值為4765～5952 m/s，平均值為5352 m/s，其巖體完整性系數Kv范圍值為0.57～0.88，根據工程巖體分級標準，該孔巖體完整程度為較完整?完整；HK03孔單孔聲波范圍值為4688～5955 m/s，平均值為5359 m/s，其巖體完整性系數Kv范圍值為0.57～0.91，根據工程巖體分級標準，該孔巖體完整程度為較完整?完整（見表1）。

4.2 孔內電視巖體質量分析

在工程地質勘察中，常用的巖體質量評價方法主要為RQD分級標準與BQ分級標準兩者結合確定的。而在實際工作中，由于巖體的結構較為復雜，軟弱巖體和風化破碎巖體的存在，使得在鉆探過程中巖芯采取率較低，另外，破碎巖體的取芯率嚴重依賴于鉆探技術水平，機械設備的擾動也使得巖體的巖石結構遭到破壞，部分大于10 cm的巖芯不能計入RQD值。王川嬰等經過研究發現，完整巖芯長度的統計描述與結構面間距的統計描述是等價的，故在此基礎上提出了基于孔內電視評價巖體質量評價指標IRMI[4?5]。該指標將全孔孔壁圖像分為完整性特征I和破碎性特征F，并使用巖石質量指標分級標準，將巖體質量劃分為好的、較好的、較差的、差的、極差的五個級別；其中I是指相鄰節理裂隙或者是結構破碎帶邊界之間大于10 cm的完整巖體長度總和，F指相鄰節理裂隙間小于10 cm的完整巖體長度總和。該評價指標如下：

在此基礎上利用該評價體系對測試的HK01孔和HK03孔巖體質量進行評價。將兩孔孔壁圖像切割為1 m，然后測量相鄰節理裂隙間大于10 cm的完整巖體及小于10 cm的破碎巖體。HK01孔總測段長13 m，大于10 cm完整的巖體總和為7.58 m，完整巖體與破碎巖體之和為12.49 m，其IRMI值為60.70；HK03孔總測段長33.5 m，大于10 cm完整的巖體總和為15.72 m，完整巖體與破碎巖體之和為32.60 m，其IRMI值為48.22。段長1 m的IRMI值鉆孔深度變化曲線（見圖17）直觀地展示了鉆孔內巖體的完整程度，HK01孔16.0～30.0 mIRMI值較高，該段巖體巖石質量為較差的?較好的，30.0～39.0 m巖體質量為差的；HK03孔32.0～36.0 m、38.0～41.0 m巖體巖石質量為較好的，其它區域多為較差的巖體，局部為極差巖體（見圖17）。

圖17 段長1 m的IRMI值隨孔深變化曲線

孔內電視圖像解譯的巖體節理裂隙線密度明顯小于鉆孔統計的節理裂隙線密度，其原因包括：①在機械破壞的前提下采取的破碎巖體不能完整地保存節理裂隙，使得巖體取出地表時呈碎塊狀，節理裂隙無法識別；②節理裂隙較發育巖體由于機械破碎造成巖體破碎的假象，故而統計的節理平均間距明顯大于孔內電視的統計結果。基于巖體完整性指標IRMI評價的巖石質量明顯優于RQD指標評價的巖體質量，其主要原因是機械設備的擾動破壞，特別是在軟弱夾層、風化破碎帶、斷層破碎帶，提取的巖芯采取率不高，巖芯失去了原始應力狀態下巖體特征（見表2）。

表2 RQD與IRMI分析方法對比表

本次孔內電視對巖體質量等級的判別結果明顯差于聲波測試的判別結果。聲波測試不能更為細致地刻畫巖體的節理裂隙，特別是巖體縱波速度對微風化巖體張開石英充填型節理及閉合節理不敏感，對巖體縱波速度的影響較小，致使巖體縱波速度測試值偏大，從而使Kv值偏大，利用Kv值根據規范判別巖體時對巖體質量的評價過高。并且聲波測試與孔內電視相比，不能直觀地反映巖體節理裂隙的發育情況，僅能從整體上對巖體的破碎狀況、裂隙發育程度、軟弱夾層的分布及巖體的完整性和風化等級進行評價。

5 討論與結論

5.1 討論

巖體節理裂隙的研究是工程地質評價巖體特征的重要依據，目前對于巖體節理裂隙的定量描述分析主要是基于“自相似性”的分形理論，巖體節理裂隙的形成是復雜的；基于分形理論的節理裂隙定量描述，可在一定程度上反映巖體內部的節理裂隙特征，并對巖體做出一定的評價；但是節理裂隙的研究并不局限于對巖體的評價，其連通性對基巖裂隙水地下流動性的影響是非常大的。特別是目前核電技術的飛快發展，核元素隨地下水遷移的規律值得探討分析，而基巖裂隙的存在則為基巖裂隙水提供了遷移通道，因此裂隙的連通性是分析地下水遷移的重要依據。然而目前對節理裂隙的定量描述遠遠不足以精確描述其連通性，因此需要一種更好的方法對巖石節理裂隙進行精確的定量分析[3,6,14?15]。

全景式孔內電視技術雖然可以清晰、直觀地觀測孔內巖體的節理裂隙發育特征，但其施展的限制因素較多，如套管護壁，則不能觀測該段的孔內情況；如果采用泥漿護壁，在未清洗孔壁的情況下，巖體中的裂隙易被泥漿充填，造成張開裂隙有充填物的假象；塌孔情況下，巖體節理裂隙的原始狀態遭到破壞，使得觀測結果失真；另外鉆孔成孔后，鉆孔沉渣則可以使既定深度的巖體測試無法實現。由于上述實際問題的存在也使得該技術不能大范圍應用于每一個鉆孔。然而，全景式孔內電視對巖體節理裂隙直觀清晰的觀測優點是其它技術或方法無可比擬的。在實際條件允許的情況下，增加孔內電視測試可以增加對巖體評價的準確度。另外，巖體完整性指標IRMI值是基于RQD評價方法的分級標準，一種新的屬于IRMI值分析巖體質量的分級標準迫切需要。

5.2 結論

結合本文對HK01、HK03孔巖體節理裂隙孔內電視成果的分析，可以得出：

（1）利用孔內電視技術可以識別巖體構造裂隙的具體位置，確定節理裂隙的產狀，可為基坑支護提供參數。

（2）HK01孔節理平均間距為0.16 m/條，其巖體質量指標IMRI為60.70；HK03孔節理平均間距為0.12 m/條，其巖體質量指標IMRI為48.22；孔內電視的巖體質量指標IRMI值高于鉆探RQD值，該技術可以清晰地區分機械破碎與節理裂隙破碎。

（3）孔內電視可以直觀清晰地觀察巖體的節理裂隙，并用于統計由于機械破碎造成的部分長度小于10 cm而實際大于10 cm的巖體；另外，可以識別張開型節理的充填狀況，避免比分充填物遇水軟化造成無充填的假象，在一定程度上彌補了鉆探取芯不足而導致對巖體節理裂隙描述不清的問題。

（4）在實際條件允許的情況下，增加孔內電視測試結合IRMI指標、RQD值聲波測試結果對巖體質量的分析更為準確。