基于钻孔多属性测试的地下岩体质量评价_李炜.pdf

第 卷 第期 年月 ，中文引用格式：李炜，张占荣，黄国良，等基于钻孔多属性测试的地下岩体质量评价工程地球物理学报，（）：英文引用格式：，（）：基于钻孔多属性测试的地下岩体质量评价李炜，张占荣，黄国良，刘华吉，高阳，李慈航（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 ）收稿日期：基金项目：湖北省重点研发计划项目（编号：）；国家重点研发计划项目（编号：）第一作者：李炜（），男，硕士，助理工程师，主要从事岩土工程勘察与设计工作。：通讯作者：张占荣（），男，博士，高级工程师，主要从事地质勘察、岩土设计工作。：摘要：针对在复杂环境下利用钻探取芯的传统勘察方法探测地下岩土体结构特征信息存在精度低、地层结构识别准确度不高、数字化程度低等问题，依托某地铁站工程开展了钻孔多属性测试分析，得到了勘察区的孔壁影像、钻孔岩体波速及岩芯室内物理力学性质等数据，定量化分析了钻孔揭示的地下岩体结构面产状和宽度特征，评价了勘察区的地下岩体质量。结果表明：勘察区的地下岩体结构面产状近水平，存在两组主要走向，即（）走向、走向（），其中前者与该区域的构造线方向基本一致，以构造节理、层面为主；地下岩体整体上呈砂质泥岩和砂岩互层，局部存在结构面发育带，根据孔壁岩体质量（，）指标，岩体质量较好及以上的比例为 ；勘察区岩体较完整，岩体质量较好，岩体基本质量分级为。基于“点线面体”相结合的钻孔多属性测试，为勘察区地下岩体工程地质信息综合评价提供了一种多手段综合勘探方法。关键词：地下岩体；钻孔摄影；波速测试；结构面；岩体质量中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（.，）：，“”，工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷 ，（）（），（），：；引言向地下要空间、要资源，已成为现代城市发展的必然趋势。目前我国地下空间建设规模和增长速度稳居世界第一，且地下空间开发利用呈现多样化、深层化、复杂化等特点。城市地下空间开发利用必须开展地下岩体探测与结构信息评价分析，但在复杂环境下，利用钻探取芯的传统勘察方法探测地下岩土体结构特征信息存在精度低、地层结构识别准确度不高、数字化程度低等问题。钻孔多属性测试技术主要研究光学成像、声波波速等钻孔多种属性数据与地层结构特征之间的关系，通过获取孔内声波波速和孔内影像等数据，可以获取地下岩土体的工程地质信息，提高城市地下空间开发的勘探精度和质量。地下岩体结构面特征和岩体质量是地下岩体勘察的重要内容，可为地下工程结构设计、开挖方式制定和安全质量控制提供基础数据，。国内外学者在岩体量评价方法和评价指标方面做了大量研究，提出了多种评价体系，如 提出的 （）分级体系、提出的（）分级体系、的 （）分级体系、国标（）分级体系及我国颁布的国家标准 工程岩体分级标准（）等。随着孔内测试技术的发展，也有一部分学者基于新的钻孔测试技术开展了地下岩体结构面特征和岩体质量方面的研究，如王川婴等提出了基于钻孔成像技术的岩体完整性指标；秦英译提出基于钻孔孔壁图像对岩体进行完整性评价的孔壁完整指标 （）；李春生等基于钻孔图像建立了孔壁岩体完整性指数（）；邹先坚等基于全景钻孔图像提出了一种结构面全自动识别方法；葛云峰等基于钻孔图像中岩体结构面形态特征提出了一种岩体结构面几何信息智能测量方法；夏丁等提出了钻孔摄像数据的结构面特征自动化、定量化检测新方案；张业 应用高密度电法、跨孔电磁破、孔内电视等综合勘察手段进行了岩溶地区的探测工作；林孝城等 利用超声波成像测井技术研究了地下岩体的结构面特征和分布规律；陈婷 依托某工程进行水平定向孔孔内测试，完成了孔内超声成像等测试，达到了一孔多用的目的。因此，目前关于岩体质量评价和结构面特征提取的技术和体系较为丰富，而针对具体工程，可根据工程性质和特点选择较为适合的分析方法，创新、综合地评价地下岩体工程地质特征，以指导设计和施工，达到经济、合理、安全的目的。第期李炜，等：基于钻孔多属性测试的地下岩体质量评价 依托工程概况重庆市某地铁工程场地位于川东南孤形地带、华蓥山帚状褶皱束东南部；地处构造剥蚀丘陵地带，地貌形态较简单，构造线多呈 向；上 覆 土 层 主 要 为 四 系 全 新 统 人 工 填 土 层（）、残坡积层（）粉质黏土，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组（）岩层，岩层产状近水平。工程场地纵、横坡平缓，地形较平坦。拟建地铁站工程场地位于主城区范围，人类活动频繁，沿线地表建筑物密集、市政道路复杂。本文以该地铁站为依托，在拟建区布设个钻孔进行钻探取样分析、孔内摄像和声波测试，孔深分别为 、。多属性测试及原理孔内多属性测试是基于“点线面体”相结合的勘探思路，对钻孔处的地下岩体进行综合分析，一孔多用，提高钻孔利用率，实现精细化勘察。“点”是在钻探过程中选取典型岩样送实验室进行土工试验分析；“线”是基于钻探取芯和孔内摄像在垂直方向上进行结构和岩性分层；“面”是基于钻孔摄像技术解译孔壁表面提供的结构面特征、颜色等信息；“体”是利用声波测试技术提取钻孔周边一定范围内岩土体的波速信息。3.1孔内摄像因钻进扰动、人为因素及其他复杂场地环境的影响，传统的钻探取芯技术取芯率低，与实际情况有偏差且无法准确获取地下岩体结构面产状、宽度等信息。相关学者对孔内摄像做了大量研究，认为其具有测试方便、精度高、实用性强、随测既显等优点，广泛地应用于工程地质、矿产勘查、冰川研究等领域。钻孔摄像技术的基本工作原理是利用高清摄像技术对孔壁进行扫描和录像，实时记录方位信息，与此同时将视频和方位信号传输到地面主机中储存和处理，利用处理软件转化为具有方位信息的孔壁展布图及电子岩芯。通过孔内摄像技术可为岩体分层、结构面统计、工程地质评价提供直接可靠的依据。3.2孔内声波测试声波测试作为一种成熟的物探手段，随着科技进步，其精度和适用性已被大众接受，声波测试是测量岩土体的声学性质岩土体的声速、声波幅度在岩土体中的传播和衰减规律。这里所讲的声波测试实质上是一种声速测试技术，常用的声速测试仪为单发双收声系，由个发射器和个接收器组成，工作时由发射器发射的声波经过钻孔液传到孔壁，后沿着孔壁岩体传播，再次经钻孔液被接收器接收，可根据波到两个接收器的时间差及两个接收器之间的距离计算得到波速值。钻孔内波速测试属于无损测试，简单便捷、应用范围广，利用岩土体的声波波速可综合判断勘察区的岩体质量等信息。3.3室内土工试验在钻探过程中，根据岩性、风化程度等地层特征，选取相应深度范围内的典型岩芯，送往试验室进行密度、波速、抗压强度等物理特征和力学特征试验及薄片鉴定，得到相关物理力学指标和矿物成分，为确定岩性、分析地层特征提供依据。测试结果及分析4.1测试结果钻孔孔位场地相对平整，以便钻探、多属性测试工作的进行。个钻孔上部均有一定厚度的人工填土和残坡积粉质黏土，为了防止钻进过程中发生塌孔、漏水等影响施工作业，避免钻孔测试过程中卡孔、堵孔等影响测试精度和进度，钻 孔 分 别 从 孔 口 以 下 、下了钢套管，因此，钻孔的 有 效 测 试 深 度 分 别 为 、。利用孔内摄影技术得到各钻孔的孔壁展布图，如图所示；利用声波测试技术得到了钻孔周边岩土体的波速信息，如图所示；通过室内土工试验经数理统计得到了代表性岩样的密度、抗压强度、波速、弹性模量、泊松比等物理力学指标，见表。图为部分特征岩样的镜下鉴定照片。工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷图孔壁展布 图钻孔声波测试成果 第期李炜，等：基于钻孔多属性测试的地下岩体质量评价表岩芯室内试验结果 岩性密度 抗压强度 干燥饱和天然纵波波速横波波速弹性模量 泊松比砂岩 砂质泥岩 图正交偏光镜下照片 4.2岩体结构面分析 结构面产状定量分析地下岩体结构面一般可分为水平结构面、竖直结构面和倾斜结构面，倾斜结构面完全切割孔壁时，按照的顺序展开得到孔壁展布图，会出现一条近似正弦曲线的迹线，如图所示。因此，可以用正弦曲线拟合该迹线，计算该结构面的产状，如图所示。图孔壁展布图中结构面迹线示意图 图结构面正弦曲线拟合 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷以孔深、方位分别为横、纵坐标建立二维坐标系，则所拟合正弦曲线的周期 ，其曲线方程通式为：（）（）（）在孔壁展布中，结构面正弦曲线波谷位置所对应的方位信息即为倾向值，故该结构面的倾向值为：（）其中，的取值范围为（）（），。倾角正切值为所拟合的正弦曲线波峰到波谷的垂直距离与钻孔直径的比值：（）对各钻孔孔壁展布中的结构面产状信息提取整理后得到结构面特征信息数据库，统计钻孔 的 所 有 结 构 面 后 得 到 的 结 构 面产状特征图，如图所 示，勘 察 区 的 结 构 面 倾角集中于 的范围，近于水平；主要发育两 组 结 构 面 走 向，即（）走 向、走向（），其中 前 者 与 该 区 域的构造线 向基本一致，以构造节理、层面为主。图 结构面产状特征 结构面结合特征岩体结构面根据其结合特征分为闭合、张开、填充三种类型。孔壁影像数据可清晰地显示结构面类型，对个钻孔的结构面宽度按照深度从上到下依次统计并编号，得到各钻孔结构面宽度的数据库，经统计分析得到如图所示的结构面编号和宽度随深度变化特征。其中结构面编号随深度的变化图可反映结构面在深度方向上的密度，结构面越稀疏，则图上的点构成的线越陡，结构面越密集，则图上点构成的线越平缓；结构面宽度随深度的变化图直观地表示了每个结构面的宽度值，两个图清晰地展示了结构面沿深度的分布密度及宽度特征，可较为便捷地初步判别地下岩体结构面的分布特征及岩体完整情况。由图可知，钻孔在 、等区段发育大量结构面，其中 、区段的结构面宽 度 较 大；钻孔 在 、等区段发育大量结构面且结构面宽度较大，以 区段最为明显；钻孔整体而言岩体结构面不发育，只在 、区段发育较为密集的结构面，少量结构面宽度较大；钻孔整体 结 构 面 较 发 育，在 、等区段结构面较为密集，且宽度较大。整体而言，个钻孔的岩体在部分区段存在密集结构面，且结构面宽度较大，可判断部分区段的岩体较为破碎，地下工程设计和施工时为保证安全，应采取合理的施工方法和支护方式。结合钻孔摄像结构面统计和钻探取芯结果，得到勘察区的地下岩体结构示意图，如图所示。勘察区的地层可分为上部杂填土、粉质黏土、砂质泥岩和砂岩等岩土体，整体而言，砂质泥岩和砂岩成互层出现，但在标高 的砂质泥岩中又存在多处砂岩夹层；存在多条结构面发育带，多出现在泥质砂岩和砂岩互层交界处，且在泥质砂岩中的比例较高，说明勘察区的大部分砂岩和砂质泥岩较完整，部分区段岩体较破碎。4.3岩体质量分析目前工程领域常用的岩体质量评价方法有分级法、分级法、分级法、系统法、分类法和 分级法。基于孔内摄像获取 的 孔 壁 展 布 图 等 数 据，参 照 的定义 给 出 了（）岩体质量分级方法，故本文采用 分级法和 分级法两种方法综合评价地下岩体质量。孔壁岩体质量指标（）参照 的定义，提出孔壁岩体质量指标（）的定义：在孔壁图像中选定任意区段长度（无固定长度要求，可根据摄像数据质量、地质分层和工程需求决定），计算该区段大于 的第期李炜，等：基于钻孔多属性测试的地下岩体质量评价图结构面分布特征 图勘察区地层结构示意图 完整孔壁长度之和与该段孔壁总长度的百分比，是一种定量描述。经过大量实测数据统计，给出了基于 判断岩体质量的对应关系表，见表。以岩性划分区段，按照上述方法计算各区段的 ，其统计结果见表。由表可知，个钻孔中岩体质量好、较好、较差、差的岩体分别占统计长度的 、，无极差岩体。表 与岩体质量的对应关系 岩体质量 好 较好 较差 差 极差 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷表 岩体质量 孔号岩体质量占比好较好较差差极差 岩体质量指标（）工程岩体分级标准对岩体基本质量分级做了详细说明，主要由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定，岩体基本质量指标 可用定量指标岩石单轴饱和抗压强度的兆帕数值和岩体完整性指数值按式（）计算。（）计算 时，当 时，应 以 和代 入 计 算 值；当 时，应以 和代入计算 值。地下工程岩体基本质量指标 可按式（）计算。（）（）式中：为地下水影响修正系数；为主要结构面产状影响修正系数；为初始应力状态影响修正