孔内摄像技术结合数理统计方法在岩溶勘察中的应用

张世杰 唐广辉

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055;)

在可溶岩地区修建铁路工程，常常受到岩溶的困扰，由于岩溶的空间发育形态十分复杂，具有很大不确定性，导致岩溶地区的勘察工作难度很大，目前普遍采用的物探普查、钻探验证受到很多因素的制约(如岩石的节理、裂隙可能被误判，路堑地段土方尚未开挖，地表起伏的影响，物探本身的多解性)，难以查清其发育状态，导致加固处理措施针对性不强，通常采用岩溶注浆措施加固［1-2］，但注浆工程量无法准确计算，只能估算。

岩溶注浆数量大，单价高，准确核实注浆数量意义重大，此问题已经引起了建设单位的高度重视，也一直是工程审计工作的重点。如何相对准确的核定岩溶注浆工程数量一直是工程界的一道难题。

1 孔内摄像法简介

孔内摄像法是沿着钻孔竖向采用摄像技术［3-5］，对孔壁进行拍摄和观察，识别孔壁缺陷、位置、形式、程度的检测方法。

摄像探头由摄像机、照明光源、锥形反光镜、透明摄像窗、指北针、遥控调焦装置等组成。通过锥形反光镜摄取孔壁四周图像，自动采集图像，并进行展开、拼接处理，经计算机进行编辑处理，形成全孔壁柱状图像供使用(如图1)。

图1 基桩孔内摄像设备连接示意

孔内摄像法在基桩检测、路基填筑检测、岩体完整性检测及矿产开采等多领域中的应用比较广泛［6-13］，技术趋于成熟。

把岩溶区的钻孔看作是待检测的基桩，通过孔内摄像的影像资料，可以真实反应孔内岩溶发育情况。

但岩溶不同于单独的基桩，需要的是一个工点区域内岩溶的总体发育情况，为此采用数理统计的方法对各钻孔的数据进行分析，获得具有统计意义的一定区域岩溶发育情况，对于认识和把握工点区域岩溶发育程度，指导岩溶加固处理，核对注浆加固工程数量具有现实意义。

2 工作方法及工作量

根据现场情况，确定了孔内摄像为主，局部发现溶洞时采用超声成像技术确定溶洞空间位置的工作方案。

大范围开展工作前，通过孔内摄像成果和钻孔岩芯的对比，进一步确定黏性土覆盖层、角砾土层、岩石风化层、节理裂隙的图像特点，为准确分析判断岩溶的发育状态奠定基础。之后开展大范围的孔内摄像工作。

成果整理阶段通过软件把图像拼接成连续图片，并对图片上的地质特征(包括岩石完整、破碎，裂隙发育程度、倾向、倾角和宽度，溶蚀现象等)进行解释和描述，典型的孔内摄像成果资料如图2、表1所示。

图2 孔内摄像成果

表1 摄像成果分析汇总

由于所有的裂隙都是损耗浆液的因素，所有裂隙都作为参与线溶率的统计。上表裂隙总宽度217.5 mm，钻孔总长度4 666 mm，统计线溶率为217.5/4 666=4.66%。

本次进行孔内摄像共8个工点814.64延米，里程范围和工作量如表2。

3 数据分布特点

孔内情况按照空洞(裂隙)、充填溶洞和无溶洞三部分分别统计，三部分的含义见图3。

表2 工作范围及工作量统计

图3 孔内岩溶分类示意

对全部1 510个数据点的统计基本反应出该区域岩溶发育整体情况。

图4 线岩溶率分布情况

图4 表明，78.3%的钻孔不存在任何岩溶(含溶蚀、裂隙)现象，21.7%的钻孔存在岩溶(包括空洞和充填溶洞和裂隙)现象。

图5表明，线岩溶率(包括空洞、充填溶洞和裂隙)分布在0% ～60%之间，78.3%钻孔线溶率为零。

图5 线岩溶率分布情况统计

将图5的纵向比例放大即为图6，可以看出，在存在岩溶的孔内，4%的岩溶率是发生机率最大的，占全部钻孔的2.5%，占存在岩溶钻孔的11.5%。

图6 线岩溶率分布情况统计(纵向放大)

4 数理统计

按照《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)中推荐的统计方法进行数理统计［14］。

主要参数按照下列公式计算平均值fm和标准差σ

式中 fi——岩土无力力学指标;

n——同类地质条件下或同层位数据个数。

岩土参数的变异系数δ按下式确定

岩土参数的标准值按下式确定

式中 fk——岩土参数标准值;

γs——统计修正系数。

各工点统计结果如表3(空洞和已充填溶洞分别统计)。

5 按照统计结果估算注浆工程量

按照上述统计数据，分别估算各区域需要的注浆数量，计算假设条件如下:

(1)线溶率只能体现纵向岩溶发育程度，不能反应岩溶横向的发育状态，考虑到钻孔均匀布置，假设所有溶洞(裂隙)的横向发育宽度为钻孔间距，也就是将线岩溶率看作体岩溶率。

(2)加固范围内所有空洞是全部联通的，空洞可以完全被注浆充填，已充填溶洞体积的25%可以被注浆充填。

(3)加固区内外是隔离的，不考虑注浆大量流失到加固区以外(实际施工过程中如果出现个别钻孔大量漏浆现象，需单独研究帷幕注浆工艺和浆液控制方法，个别处理、单独计量)。

(4)注浆流失系数1.3(考虑施工损耗和浆液渗入微裂隙)。按照上述假定条件，计算结果如表4。

表3 各工点线岩溶率统计结果

6 结论

(1)孔内摄像方法通对孔壁进行拍摄和观察，能够直观、清晰的识别岩溶发育的位置、形式、程度，加深对岩溶的直观认识，对于判断岩溶发育状态，评估对工程的危害，确定加固措施，估算工程数量能够起到一定指导作用。

(2)从1 510个数据的统计结果分析，本区域的岩溶以弱发育为主，78.3%的区域无岩溶发育的现象，21.7%的区域存在岩溶发育现象，但绝大多数溶洞已被充填，空洞的体积比仅为0.31%。

(3)建议在施工阶段执行“先探后灌”的原则，先期大间距开展孔内摄像，宏观把握工点岩溶的发育状态，划分不同的区域，之后在重点区域加密勘探点，开展动态设计，对工点加固方案及时跟踪和调整，逐步完成注浆加固工作。

(4)注浆量的估算虽然建立在假设条件下，其精度还需修正，但比起常规的注浆已经是个长足进步，实施前通过试验段的摸索，进一步验证浆液损耗等参数，将使注浆数量更加接近实际情况，最终实现注浆数量基本可控的目的。

［1］ 张晓华，叶中兵．客运专线路基基底岩溶注浆施工技术［J］．铁道标准设计，2008(4)

［2］ 叶中兵．石武客运专线路基岩溶注浆施工技术［J］．铁道标准设计，2010(9)

［3］ 王川婴．数字式钻孔摄像系统研究［D］．武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所，1999

［4］ 王川婴．孔内摄像技术的发展与现状［J］．岩石力学与工程学报，2005(10)

［5］ Yuji Kanaori．Observation of crack development around an underground rock chamber by borehole television system［J］．Rock Mechanics and Rock Engineering，1983(2)

［6］ 武君．基于铁路工程勘察的数字全景钻孔摄像系统应用研究［J］．铁道勘察 ，2009(6)

［7］ 谢孟，甄春相．数字全景钻孔摄像技术在铁路工程地质勘察中的应用［J］．铁道勘察，2009(1)

［8］ 黄明．孔内摄像技术在PHC桩完整性检测中的应用［J］．工程质量，2005(9)

［9］ 唐杰军．数字钻孔摄像技术在路基面检测中的应用［J］．路基工程，2006(5)

［10］王川婴，胡良培．基于钻孔摄像技术的岩体完整性评价方法［J］．岩土力学，2010(4)

［11］刘贵祥．数字钻孔摄像技术在特厚煤层综放开采中的应用［J］．煤炭科学技术，2007(7)

［12］陈雪见．数字式全景钻探摄像在某洞室勘察中的应用［J］．数字化应用，2006(10)

［13］中华人民共和国铁道部．TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范［S］．北京:中国铁道出版社，2007