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钻孔电视工作原理及在小北山1号隧道工程案例分享

2019-08-08 14:06
岩联技术
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小北山1号隧道位于广东揭惠高速公路上,地处广东省汕头揭阳交界处,穿过低山丘陵地貌区。该隧道K16+400~K16+550为一山间沟谷,走向北西至南东,地势从北西至南东逐渐降低。沟谷下游隧道左侧约75m处为龙潭峰水库。根据初勘钻孔及区域地质资料,此沟谷刚好通过断层F3。该隧道施工图评审时,与会专家提出,受水库与F3断层叠加影响,隧道施工排水可能导致水库被疏干的严重后果,因此必须摸清龙潭峰水库与F3断层叠加影响段断层性质、产状及地下水力关系。

故针对该隧道的特殊地质条件,进行了专项的水文地质综合勘察工作,并将钻孔电视新技术应用其中,取得大量的地质数据资料,成果令人满意,取得了较好的经济效益。

1钻孔电视工作原理

钻孔数字成像系统的基本原理是在井下设备中采用了一种特殊的反射棱镜成像的CCD光学耦合器件将钻孔孔壁图像以360°全方位连续显现出来,利用计算机来控制图像的采集和图像的处理,实现模-数之间的转换。图像处理系统自动地对孔壁图像进行采集、展开、拼接、记录并保存在计算机硬盘上,再以二维或三维的形式展示出来。亦即把从锥面反射镜拍摄下来的环状图像转换为孔壁展开图或柱状图(见图1)。

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高清数字钻孔电视系统,最适合用于钻孔孔壁结构分析,分辨率可定制,垂直方向分辨率为0.01mm,方位角分辨率为5000pix/360°。精准的定位装置是由一个二轴磁力计和加速度计组成的,这样沿钻孔方向地质体的微小变化也能被该套系统识别出来。而连续的孔壁数字图像再经观看并对照岩芯鉴定成果,即可确切查明孔内结构面位置、产状、张开程度,充填物性状或构造岩体特征及岩性等全方位的信息。

高清数字钻孔电视系统由井上和井下2个部分组成(见图2)。

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井上部分主要由计算机、控制器、绞车、脚架、井口滑轮、深度传感器等硬件组成;井下部分为探管总成装置,包括电视摄像机、光源、反射棱镜、透光罩、三轴磁力计和加速度计以及调焦装置等组成。井上和井下2个部分经传输电缆连接后进行通信。

计算机图像处理系统通过RS-232接口连接控制器采集电缆传输送上来的孔壁图像信息,并对信息进行处理,自动识别、展开和拼接,通过显示器显示孔壁展开图像和柱状图并记录在计算机硬盘里。计算机图像处理系统还可以对已存入的图像信息进行编辑解释处理,还可通过刻录机把钻孔图像信息刻录在光盘上,打印机将图像打印成图。

2地质勘探案例

2.1地理位置

小北山1#隧道位于丘陵区,地面标高约为50~420m,相对高差约为370m,隧道近南北走向穿越东西走向的山脊,山体地形起伏大,山体植被发育。

龙潭峰水库则位于隧道的东侧,与隧址左洞左侧开挖轮廓线最近相距约76m,水库所处山间谷地近北西向,与隧址呈60°角相交,勘察阶段测得水库水面标高207.50m。二者的地理位置关系参见图3。

2.2勘探手段

为查明隧道与水库可能存在的水力联系,确定隧道的安全运营以及查明对水库的影响,对小北山1#隧道开展专项研究。采用了资料收集与利用、水文地质调查、水文地质钻探与取样试验、

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孔内声波测井、孔内电视成像、抽水试验等综合勘察方法。

2.3地层岩性及断裂构造

隧址区岩体主要为燕山期花岗岩,同时见多期次的闪长岩岩脉相互穿插,这与F3断裂通过隧址区有一定的影响,隧址区覆盖层由残坡积粉质粘土、全强风岩组成,基岩由中微风化岩组成。

F3断裂于地表ZK16+470~ZK16+520范围(K16+430~K16+480)通过隧址区,为区域大断裂,位于龙潭峰~金坑水库一带。断裂走向北西305~330,倾向北东或南西,倾角50~65°。贯穿全区,断裂可见长度大于4km,由糜棱岩化、碎裂花岗岩、强硅化花岗岩等组成一条宽约数十米的构造带。主断裂内发育近于平行的密集裂隙群,裂隙产状30°∠57°或200°∠53°。裂隙面发育阶步、擦痕,阶步呈不规则条痕状。

2.4 孔内电视及钻探成果对比分析

本文主要对孔内电视及钻探成果进行了对比分析,成果如下:

(1)SZK5钻孔。

SZK5号钻孔位于山间洼地,布置在F3断裂带上,该钻孔揭示135~154m处为断层角砾岩,岩芯极破碎并有漏水现象。

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图4 SZK5岩芯(F3断层角砾岩)

详勘在该钻孔基础上,加做了孔内电视,图像可以清楚显示出在该深度处的断层角砾,这和钻探成果较为吻合。

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图5SZK5孔内电视柱状图

(2)ZXSZK1钻孔。

ZXSZK1号钻孔位于山间洼地,布置在F3断裂带上,位于隧道左右洞之间,距离隧道右洞左侧开挖轮廓线约8m。钻孔深度153.81m,其中85.70~141.00m岩芯极为破碎,并且部分岩芯手可捏碎,现场地质人员鉴别为中风化闪长岩夹糜棱岩(层顶、底标高分别为122.00m、66.70m),透水性较大。

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该孔孔内电视成果显示,ZXSZK1号钻孔深度85.70~141.00m处主要为花岗岩,并且夹杂较多岩脉,且未发现明显承压水流。故钻探揭示的破碎处应该为岩脉(经鉴别,为煌斑岩脉)发育区,而非钻探结果的断层带(糜棱岩)。

(3)ZXSZK2~ZXSZK5 钻孔。

ZXSZK2 和ZXSZK3 号孔均位于山间洼地,布置在推测的F3 断裂带上, ZXSZK4 和ZXSZK5# 孔位于水库边。该4 个钻孔钻进情况都正常,岩芯较完整,局部较破碎,岩性为花岗岩和闪长岩。下面仅将3# 孔结果显示如下:

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该4孔孔内电视成果和钻探结果均较吻合,未发现断层构造痕迹,亦未发现有承压水流动。

2.5 勘探成果分析

经过本次专项勘察可知,水库与隧道之间的地层以中~微风化花岗岩、闪长岩为主,透水性主要为微透水,局部弱透水(仅在SZK5孔的断层带处为中等透水)。

F3断层经过SZK5孔区后,并没有沿着山间沟谷延伸,而是偏向一边,这打破了传统“逢沟必断”的说法。因此,隧道与水库之间未通过F3断层而直接贯通,水库水和拟建隧道存在弱的水力联系,总体属弱透水性。隧道施工期间,受施工爆破影响,局部渗透系数可能增大,但水库水并不会渗漏到隧道里面,因此建议对隧道开挖中掌子面出水点采取注浆措施进行封堵即可。

在本次勘察之后,我们还针对F3断层加做了大地电磁法物探勘察,勘察结果亦同孔内电视的结果一致。

3 结论

通过钻孔电视在本次工程案例中的应用,可以得出以下结论:

(1)钻孔电视可以从勘探钻孔中取得更加丰富、精确的第一手资料,增强了勘察的手段和可信度,它可使地质研究更加科学,使地球物理勘探资料的解译更加合理与可靠。

(2)钻孔电视采集的图像是直观的,相比于钻孔所取芯样更能准确定位、定量,钻孔电视图像,对勘探成果起着补充和验证的作用,能获得更为准确的地质资料。

(3)钻孔电视可以很好地解决隧道、边坡、桥梁桩基工程勘察中的难题,它将会在地质学、岩石工程、地震、煤炭、冶金、水电等工程中发挥其更重要的作用。

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