自动光学检测技术在工程质量检测中的应用

自动光学检测技术在工程质量检测中的应用

玉世娟

天津喜利得建筑质量鉴定检测有限公司天津300192

摘要：自动光学检测是指利用光学成像技术获取目标图像，然后通过快速图像处理和图形识别算法，从摄取图像中获取尺寸、位置、方向、光谱特征、结构和缺陷的方法。本文介绍了超声波成像系统的工作原理，利用超声波成像钻孔电视进行了测试，并统计了结构面产状、间距和RQD，与岩芯和地面结构面统计结果进行了系统对比研究。

关键词：超声波成像钻孔；结构面；RQD

在地下洞室开挖之前的勘探方法中，钻探是一种能获得地下岩体信息的有效方法，也是最直观可靠的勘察手段，其它勘探结果均应以钻孔资料来进行校正。目前，钻孔成像方法主要包括井下电视、超声波成像和光学成像方法。井下电视又可分为全景式和侧视式，但其确定方位角的精度低，光学成像和超声波成像的分辨率相同，原理也大致相同，只是前者的信号源是可见光，后者为超声波。特别是近几年，由于声波钻孔电视探头采用了先进的声波束聚焦技术、数字记录和数字化数据处理等技术，其精度和测井速度大大提高。

一、超声波成像钻孔电视的原理

超声波成像钻孔电视（BHTV）是利用超声波对孔壁进行逐点扫描，然后将返回声能的强弱变化用光信号显示在屏幕上的一种测井装置。BHTV基本原理压电陶瓷晶体产生并发射的高频（1.4MHz）超声波束沿探管轴心传播，被一高速旋转的特制凹面反射镜垂直反射并聚焦，然后穿过低密度树脂透声窗和钻井液到达孔壁。部分超声波被孔壁反射并按原路径返回，被压电陶瓷晶体接收（OA+AB+BA+AO）。利用孔壁反射波的振幅和传播时间生成孔壁特征图像：利用磁坐标对孔壁图像定向：利用倾斜坐标计算钻孔的偏移值以及对所测得的结构面进行角度校正，最终形成反映孔壁特征的二维孔壁展开图像。

二、超声波钻孔电视的应用实例

该地壳运动的规模和强度减弱，本区构造运动总体上以间歇性上升为主，强度进一步减弱。这说明区域地壳运动总体上是由强到弱。场区距区域性主干断裂较远，受到破坏影响较小，其内部构造较简单。

1、结构面产状分析。场区岩体主要为粗粒花岗岩和泥盆系砂岩，工程地质测绘（1：5000）对场区花岗岩体表面千余条节理的量测和统计结果表明，绝大部分为剪切节理，闭合光滑无充填，个别节理硅质胶结，结合紧密，未见软弱带和泥化现象。分别在不同倾角范围内得到的结构面倾角进行统计结果基本一致，即以陡倾结构面为主，集中在65-85°之间。但三者之间也有明显的不同，钻孔岩芯30-60°倾角的结构面数量明显要大于地表和钻孔电视的：对于小于25°的缓倾结构面来说，钻孔电视占的比例又明显地高于地表和岩芯所测得的比例，而大于80°倾角的结构面在钻孔电视中所占比例又远小于其它两种方法的比例：陡倾结构面所占比例最大的是地表统计的结构面，但这并不能代表深部岩体陡倾结构面的比例。

由于钻孔岩芯没有定向，故而不能统计其倾向，只有用地表结构面和钻孔电视测得的孔内结构面来判断。对钻孔结构面的倾向分析后，发现倾向的主导方向略有差别，但是总体上与地表结构面统计结果一致，节理倾向主要是200°与275°两个方向。

地下油库场址区地表测绘与钻孔电视得到的结构面倾向总体也具有一致性，主要是倾向270°这组最发育，其次为150°。因而，对于一个具体的地下工程场址，选取有代表性的几个勘察钻孔进行钻孔电视测试，对其得到的孔内结构面产状进行统计分析，与地表得到的结构面产状规律进行对比，可以起到相互补充验证的作用，将得到更多结构面的信息，也更能反映结构面的真实特性，且钻孔电视得到的结果更能反映出深部岩体结构的产状和特性。

2、用结构面间距分析岩体质量RQD

基于，RQD可以定义为沿某一测线方向大于10cm的结构面间距的统计长度与测线长度之比的百分数。这种定义简化了RQD的估测程序，既降低了成本又提高了效率，也为RQD的理论研究奠定了基础。结构面间距的概率分布决定了RQD的分布特征。结构面间距的分布可通过考察岩体内或岩体表面某一方向测线上结构面交点的分布进行分析。野外调查发现，结构面与测线交点的分布可能是均匀的、结集的、随机的，或是这些分布的组合。由于自然界岩体结构的复杂性，通常在研究区范围内间距的分布为各分布形式的组合。在场址区，分别用岩芯和钻孔电视方法对ZK1和ZK2钻孔的岩体质量进行评价。对大于10cm的钻孔岩芯和结构面间距按不同长度范围统计汇总，得到了大亚湾两个钻孔ZK1、ZK2岩芯和结构面在各长度范围内的数量变化情况，可以看出，各长度范围内的岩芯或结构面数量均呈幂函数在减少，相关性都非常好，且钻孔岩芯的相关性更好。小于30cm时，随着长度或间距的增加数量在急剧减少，而大于30cm后基本达到一个稳定值。由于钻孔电视是原位量测，能真实地反映地下岩体的原始状态，而钻孔岩芯是扰动了的岩石，改变了其赋存环境，同时受到机械的破坏，不能真实地反映相应部位的原岩状态。因而用超声波钻孔电视评价场地岩体的质量是对钻孔岩芯评价结果的一个修正与补充，尤其对于不取芯的钻孔，更能体现出钻孔电视在勘察中的优越性。

3、钻孔偏移的测定。由于超声波钻孔电视在其探头中安装了三维孔斜和方位的测量设备，其中包括磁力仪和测斜仪，磁力仪可以探测地球磁场，由此探头能够测出磁场的磁北极方向，测斜仪可以测定钻孔倾斜角度。

图为超声波钻孔电视得到的ZK2钻孔偏移量和偏移方位角。可以看出，钻孔上部偏移方位随机性很大，且偏移速率很小。随深度的增加，钻孔的偏移方位逐渐集中在240°方位角附近，钻孔的偏移速率随着钻进深度的增加而明显增大，偏移曲线呈下凹型。说明钻孔越到深部单位进尺的偏移量越大，到孔底210m时的偏移量达5m多。因而，可以利用超声波钻孔电视来检查钻探成孔质量，在地下工程开挖时，根据勘探孔的偏移方位和距离，提前预报钻孔与开挖面的距离和岩体质量，作好相应的防水措施。对于设计的倾斜钻孔来说，可检查是否达到了其倾斜的角度、偏移方位和偏移距离等。

超声波成像钻孔电视可以从勘探钻孔中取得更加丰富、精确的第一性资料，增强了勘察的手段和可信度，它可使地学研究更加科学，使地球物理勘探资料的解译更加合理与可靠。通过该实验室场址钻孔中的应用情况，并对其采集的数据进行了系统分析和对比研究，得出以下几点结论：

（1）超声波成像钻孔电视弥补了常规勘探技术的不足，可以获得直观精确的钻孔孔壁图像信息，结合钻探和地质资料可以得到钻孔取芯缺失部位的信息。

（2）利用超声波成像钻孔电视测得的结构面产状和间距统计结果与地表测绘及钻孔岩芯的基本一致，起到了对地表测绘结果进行补充和验证的作用：同时，利用钻孔电视还可对深部岩体质量RQD进行评价，一般比钻孔岩芯得到的岩体质量要好。

（3）利用超声波成像钻孔电视可以确定钻孔偏移方位和偏移量，检查钻孔成孔质量，为后期地下隧洞施工提供准确的深部钻孔位置，修正钻孔地质剖面图。

参考文献：

[1]袁仁续，赵鸣．红外热像技术在无损检测中的应用研究进展[D].哈尔滨理工大学，2013.

[2]查恩来，丁凯.成像测井新技术在水利工程中的应用［J］.地球物理学进展，2012，21（1）：25.