基于数字钻孔摄像的岩质深基坑地层结构识别_李乾坤.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022基于数字钻孔摄像的岩质深基坑地层结构识别李乾坤1,刘克强2,李元海2,曹国旭3(1.徐州地铁集团有限公司,江苏 徐州 221000;2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116;3.广州地铁设计研究院股份有限公司,广州 510030)摘要:数字钻孔摄像技术弥补了常规钻探取芯等地质勘察手段获取数据完整性差、准确度低等不足,可以获取高精度地层结构图像,记录大量地层特征信息,特别是结构面的几何形态特征。以徐州市轨道交通三号线南三环站基坑工程为研究对象,通过围岩钻孔摄像的特征识别,获得了真实可靠的围岩地层结构信息。主要研究结论:(1)通过分析得到了各个钻孔岩层节理面和所含溶洞的基本参数并进行了汇总;(2)发现在 1020 m 地层深度处溶洞分布明显,纵深跨度较大,采用岩体完整性指数 RMDI 法对钻孔地质情况进行定量分析,得出各钻孔下RMDI 值随深度的变化规律;(3)基于 3D 绘图软件 Rhino,提出一种数字钻孔摄像围岩地层结构的三维可视化方法,并对岩层节理面、溶洞等几何形态进行了立体展示,在钻孔围岩地层特征还原方法方面具有借鉴价值。关键词:钻孔摄像;节理面;溶洞;岩体完整性指数;可视化中图分类号:TU45文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0850-07Recognition and Visualization of Stratum Structure Features of Deep Rock Foundation Pit Using Digital Borehole CameraLi Qiankun1,Liu Keqiang2,Li Yuanhai2,Cao Guoxu3(1.Xuzhou Urban Rail Transit Co.,Ltd.,Xuzhou,Jiangsu 221000,P.R.China;2.State Key Laboratory of Deep Geotechnical Mechanics and Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,P.R.China;3.Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510010,P.R.China)Abstract:Borehole camera technology makes up for the poor integrity and low accuracy of data obtained by conventional drilling and coring and other geological survey methods.It can obtain high-precision borehole images,which records a large amount of stratum feature information,especially the geometric features of structural surfaces.Taking the foundation pit of the Nansanhuan station of Xuzhou Metro Line 3 as the engineering background,the feature recognition of the borehole camera is carried out,and real and reliable field data are obtained.The following conclusions are drawn:(1)The joints of each borehole are obtained by manual analysis,and the basic parameters of the surface and the basic parameters of the karst cave are summarized;(2)The karst caves are obviously distributed at 10 20 m,and the depth span is large,and the Rock Mass Integrity Index(Rock Mass Integrity Index),namely the RMDI method,is used to judge the geological conditions and plot the changes in the RMDI value of each borehole with depth;(3)Based on the 3D drawing software Rhino,a visualization method of 收稿日期:2022-04-07(修改稿)作者简介:李乾坤(1985),男,江苏徐州人,硕士,高级工程师,主要从事城市轨道交通勘察设计与管理工作。E-mail:420090935 通讯作者:李元海(1969),男,安徽六安人,博士,教授,主要从事岩土工程计算机视觉量测技术与 GIS 应用研究。E-mail:lyh 基金项目:徐州市重点研发计划(社会发展)项目(KC21310)stratigraphic characteristics is proposed.The three-dimensional display of basic geometric forms,such as joint surfaces and karst caves,is of practical value in the restoration of stratum features.Keywords:borehole camera;joint surface;cave;rock mass integrity index;visualization0引言徐州市轨道交通三号线南三环地铁站位于徐州市三环南路与北京路交叉口(图 1),车站基坑最深处 31.5 m,围岩主要为中风化灰岩层。地质勘查发现:岩溶钻孔见洞率达 94%,岩层节理裂隙、结构面发育,岩层倾角最高达 70。专家分析认为,基坑西侧高角度外倾节理发育的灰岩边坡存在滑移风险。灰岩岩层内溶洞及岩体结构面探测精度有限,结构面力学参数在传统地质勘测方法下缺乏可靠的勘查试验结果1。各种因素叠加,将导致急倾岩层深基坑施工存在较大不确定性与较高安全风险。为进一步了解工程西侧岩层结构信息,进行直观处理和分析,采用数字钻孔摄像系统,通过对基坑西侧岩层结构面的精确探测,准确获取基坑围岩地层结构信息,为开挖支护施工方案的制定及其优化提供依据。图 1南三环站位置图Fig.1Layout of Nansanhuan station钻孔摄像技术(BCT)依靠光学原理进行围岩钻孔内部的直接观测,其经历了钻孔照相、钻孔摄像、数字光学成像 3 个发展阶段2。数字光学成像又分为前视全景钻孔电视和数字全景钻孔摄像,两者之间的转化可以通过特定的数学方法实现3。在国内外众多学者的研究发展下4-6,目前最新的360全景成像技术以及数字技术使得钻孔摄像形成了一个具有形成、显示、处理功能和评价标准的完整体系7-8。其在工程地质、采矿工程及岩土工程中已有较多应用。例如,靖洪文等9利用钻孔摄像技术和数字图像处理方法,实现了煤矿巷道围岩松动圈的测试,为高应力地下工程围岩松动圈厚度值的测试提供了新方法。李邵军等10利用数字钻孔摄像技术,对 TBM 掘进过程中的围岩开挖损伤区进行原位测试,得到了隧洞开挖过程中围岩裂隙产生、发展和闭合的演化过程。魏立巍等11将数字钻孔摄像技术应用到小浪底水利枢纽 3 号孔灌浆洞 3 个灌浆质量检查孔中以评价帷幕注浆效果,首次将钻孔摄像用于灌浆效果的评价,从获得的图像看,研究工程的灌浆效果比较明显。展明鹏等12通过钻孔摄像仪对巷道围岩进行静态和动态观测,直观地反映了巷道围岩构成及裂隙发育和分布情况。Han 等13基于钻孔摄像,提出了一种利用钻孔立体成像测量地应力的方法,为地应力测量提供了新手段。钻孔摄像技术在地质探测方面具有直观、真实的特点,特别是在岩层结构面参数获取方面。钻孔摄像虽然在地质勘测、隧道工程、矿山巷道等领域都具有较为成熟的应用,但在特殊或具体围岩条件下基坑工程中的应用研究仍具有实际意义,特别是在施工风险较大的急倾岩层条件下的岩质深基坑工程中。1数字钻孔摄像原理 当钻孔方向为竖向时,由图 2 所示,AB 为岩层结构面的倾斜线,BC 为倾向线,ABC 则为结构面的倾角。节理面展开形式即为展开图中的正弦曲线,正弦曲线的振幅和相位与节理面的走向和倾角图 2结构面产状示意图Fig.2Schematic diagram of occurrence of structural plane1582022 年增刊 2李乾坤,等:基于数字钻孔摄像的岩质深基坑地层结构识别存在函数关系。结构面产状计算示意图如图 2所示。钻孔图中,节理面倾角计算公式为:tanABC=AC2r(1)ABC=arctanAC2r(2)式中:r 为钻孔半径,cm。展开图中的正弦曲线解析式如下:y=Asin(x+)+y0(3)式中:y0=(yA+yB)2,A=(yA-yB)2,=(xA-xB),=(xA+xB)2(xA-xB)。则钻孔图与展开图的参数对应关系为:节理面倾角=arctan(yA-yB)/2r,节理面走向=-2,2,()-,-,2()|故只需对展开图的 A、B 两点的像素坐标进行定位即可得出结构面的走向与倾角。节理面张开度的计算如图 3 所示,张开裂隙的两平行面与钻孔交线的最高点和最低点分别为 A、A,B、B,裂隙倾角为,且 AA=BB。当裂隙与钻孔垂直相交时,裂隙张开度 d 等于 AA或 BB的值。当裂隙与钻孔垂直斜交时:d=AAcos(4)式中:d 为结构面的张开度,cm。图 3张开度计算示意图Fig.3Schematic diagram of opening calculation2钻孔布置与摄像系统为更好地对地层节理面进行立体探测,钻孔采用双排六孔布置,钻孔位置位于基坑西侧。由于 4号孔原设计位置处的地层中存在钻孔障碍,实际钻孔位置经过调整稍有偏移,钻孔平面分布如图 4 所示。本文使用的数字钻孔摄像系统为 ZKXG30 矿用钻孔成像轨迹检测装置,360全景成像,装置组成与现场围岩钻孔如图 5 所示。图 4钻孔布置示意图Fig.4Layout diagram of boreholes图 5数字钻孔摄像系统与围岩钻孔Fig.5Borehole camera device and borehole3钻孔摄像结果与分析3.1钻孔摄像结果现场钻孔摄像获得的数据类型有两种,分别以 tcd 和 h264 格式存储。tcd 格式为钻孔摄像展开图,可以在钻孔摄像仪的配套软件中打开,也可以jpg 图像格式输出,供其他图像处理软件使用,如图6 所示。h264 格式文件是钻孔摄像视频记录文件,可以通过转码方式转换成常规的 mp4 格式,便于后续数据处理时进行地质情况验证与确认。h264258地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷格式文件播放界面如图 7 所示,其中图右下角数字为钻孔深度,可以直观看出不同地层状况的摄像观测结果。图 6钻孔摄像展开图Fig.6Expanded view of borehole camera observation results图