超声波成像技术在海底管道勘察中的应用

1超声波成像技术在海底管道勘察中的应用石磊彬摘要：某海管隧道穿越地质条件以熔结凝灰岩及花岗闪长岩为主，受次级构造断裂影响，岩体受挤压破碎，形成层间破碎带及岩性接触软弱带等，海域段基岩出露少，且覆盖层较厚，难以反映深部岩体结构面特征。利用超声波成像技术对海域段钻孔进行测试，统计了结构面的特征参数，对深部岩体进行初步定量化分析，对地表露头和岩芯进行校验补充，为海管隧道设计及施工提供有价值的基础数据，进一步优化工程勘察成果的质量。关键词：超声波成像；岩体特征；结构面；海底管道0引言随着管道工程建设的迅速拓展，尤其是海底管道、大型河流等穿越工程的需求越来越多，对工程勘察成果的质量要求越来越严格。针对各种复杂的构造地质条件，如岩性接触带、层间破碎带及节理裂隙集中发育等，传统钻探的岩芯采取率难以保证，无法准确获得深部岩体的结构特征，而超声波成像技术正好弥补常规钻探的这一缺陷，在海底管道、大型江河穿越勘察中得到广泛应用。1研究区概况某海底管道穿越工程位于平潭地区，地处欧亚大陆板块东南缘，即闽东南沿海变质带，西邻闽东火山断拗带，东与台湾海峡沉降带相邻，属沿海剥蚀丘陵地貌，无区域性大断裂通过，但次级构造断裂发育较多。地层岩性主要为白垩系熔结凝灰岩及燕山期花岗闪长岩，上覆海相沉积层。海区潮型属正规半日潮，潮流呈往复流运动形态。工程海域穿越主航道，临岸有小规模堆石围坝串网捕捞，且附近规划铁路及通电电缆，海洋开发活动较多。图1某海底管道穿越地质解释图2超声波成像系统及解译2.1工作原理工程采用超声波钻孔成像综合测试系统（integrativeacousticboreholeimagingsystem），配备声学电视探头，是一套高度智能化的测量工具【1】。该系统工作原理（见图2）：利用超声波以液体为传导介质（如清水、浑浊泥浆）对孔壁进行高速逐点扫描并发射超声波脉冲，利用倾斜坐标计算钻孔偏移值以及对所测得的结构面（裂隙、岩层、断裂等）进行角度矫正，记录从钻孔液体介质与孔壁之间的反射波强度和历时来形成钻孔壁二维特征图像，并显示在测井软件中【2】。2图2测试系统结构及原理图2.2数据采集及解译数据由MSlog软件自动采集，海上钻探条件恶劣，且潮汐往复运动，潮差水面高度约4～5m，根据现场条件确定采集模式由上至下，采集参数设置见表1，以保证采集数据的稳定性和图像的准确性。图像解译软件采用WellCAD，该软件具有统计结构面特征并绘制玫瑰花图和极点图等功能。表1超声波成像采集参数技术指标参数设置技术指标参数设置测点频率（MR）144measur./rev采样频率（SR）5mm扫描时间（ST）1250μs采集速率（LS）1.5-2.0m/min时间域100～200μs接收域（AGC）50-200dB3结构面特征3.1结构面类型根据解译出的结构面间距及密度结合实际的钻孔岩芯编录，划分出构造破碎带/岩性接触带、结构面密集带和岩体较完整带（见表2）。在统计结构面数量过程中，由于节理密集带及构造破碎带等孔段对深部岩体结构评价、岩体渗透性等具有重要作用，对管道穿越工程设计施工影响较大，但二维图像无法辨别其结构面特征，因此将其作为独立体划分并统计，以保证数据可靠性。表2结构面密度及类别划分表3岩芯类别深度范围（m）结构面数量（条）结构面密度（条/m）累计长度(m)占全孔比例构造破碎带/岩性接触带19.5～35.5、36.5～37.0、37.5～38.5、43.5～43.8、47.5～48.0、49.5～50.2、64.0～65.521---10.521％结构面密集带52.5～64.0133＞6.011.523％岩体较完整带35.5～36.0、37.0～37.5、38.5～43.5、43.8～47.5、48.0～49.5、50.2～52.5、65.5～69.5452.0-3.02856％根据数据解译成果，得出穿越区海域段深部岩体典型结构面特征（见图3）。a微张结构面（图1中ZK4）b岩性接触带（图1中ZK17）c节理密集带（图1中ZK3）d构造破碎带（图1中ZK19）图3深部岩体典型结构特征解译图通过表2及图3可知，场区节理裂隙发育，构造破碎带/岩性接触带内结构组织基本破坏，节理裂隙不明显，节理密集带由于受到扰动使岩体应力改变，形成新的结构面，因此结构面数目较大，但随着深度的增加，线密度呈减小趋势，岩体结构趋于完整，适宜管道隧道穿越。4.2结构面产状分析（1）野外量测穿越区海域段分流尾屿有基岩露头，根据现场量测得知主要发育有3组节理裂隙（见表3）：表3现场量测节理裂隙统计表深度振幅蝌蚪符3D柱状图0901802700090深度振幅蝌蚪符3D柱状图09018027000904节理编号走向（°）倾向（°）倾角（°）节理密度（条/m）节理特征L118～25108～11565～683～5裂隙面粗糙，微张～张，节理贯通性较好，可见延伸长度5m～10m，属张性，深部亦可见L2165～17075～8080～863～4裂隙面张开，节理贯通性较好，可见延伸长度5m～10m，属岩体卸荷裂隙，至岩体深部发育渐少L3125～138215～22815～202～3裂隙面微张，节理贯通性较好，可见延伸长度8m，隙面见氧化膜，属风化裂隙，至岩体深部发育渐少图4基岩出露及节理走向玫瑰花图根据现场露头量测统计的节理走向玫瑰花图得知，①主要节理L1节理发育较密集，走向以NNE为主，与隧道呈小角度相交，对隧道洞壁稳定性不利；②L2、L3节理走向与隧道呈大角度相交，对隧道洞壁稳定性影响较小。（2）数据解译根据工程需要进行节理数据解译，场区按照以10°为间距统计所揭露的各种结构面倾角；倾向则以45°为间距进行统计（见表4），且为了更精确的划分出最优结构面组的产状，对场区结构面绘制走向玫瑰花图与倾角极点图，极点图中圆心代表0°倾角，向外依次增大，直至半径的端点，外圆代表90°倾角；玫瑰花图中走向以10°为间距，半径代表10条结构面（见图5）。表4结构面产状统计表倾角范围结构面数百分比（％）倾向范围结构面数百分比％10~20°13130～452512.220°～30°9945～906531.930°～40°2290～1357737.740°～50°22135～18031.550°～60°1212180～225125.960°～70°4040225～270115.470°～80°2121270～31552.580°～90°11315～36062.9根据统计结果及图件解译可知，①场区所揭露的结构面以陡倾角为主，与现场量测结果基本一致，倾向主要以90°～135°为主，其次为45°～90°，其中最优发育结构面与次级结构面共占69.6%；②场区优势结构面走向近南北向，其中NNE向较发育，其次为NW向；③从极点图可得知场区结构面以陡倾角和极陡倾角为主，局部缓倾角集中发育。L1L2L35图5深部岩体走向玫瑰花图和极点等密图（3）综合分析通过现场量测及解译成果分析得知，场区主要节理以NNE为主，与隧道呈小角度相交，但贯通性一般，对穿越隧道影响较小，且倾角以陡倾角为主，有利于隧道开挖。需要强调的是，优势结构面的发育能够反映区域构造应力场的特征，但地表统计结果仅表示浅部岩体特征，需结合深部岩体特征进行综合分析，而超声波成像解译成果有效的对其补充，且精确度远高于岩芯编录测量的结构面产状，尤其是解译成果代表了结构面的真倾角，弥补了岩芯编录只代表结构面的视倾角的缺陷，在产状统计中更具优势。5结论通过在海管隧道穿越工程勘察中的应用分析可知，超声波成像技术可获得深部岩体结构面特征参数并进行初步定量化分析，弥补了传统钻探及物探无法准确反映深部岩体真实信息的缺陷，且对地表数据进行校验补充，实现了岩体质量评价从定性到定量的转变，对岩体质量分级、海底隧道的设计施工等提供有价值的基础数据，但仍存在一定的局限性，如套管内无法辨别岩体信息、单孔结构面的特征参数无法反映深部地质体的延展度和宽度等，仍需进一步完善。参考文献[1]史永跃，尚彦军，孙元春等.超声波成像钻孔电视在工程勘察中的应用[J].工程勘察，2010，（8）：82-92.[2]潘和平，马火林，蔡柏林等.地球物理测井与井中物探[M].北京：科学出版社，2009.ApplicationofultrasonicimagingtechnologyinsubmarinepipelineinvestigationShiLeibinAbstract:Thegeologicalconditionofcertainsubmarinepipelinetunnelismainlyweldedtuffandgranodiorite.Therockmasswerecrushedtoformaninterlayerfracturezoneandweakenedlithologiccontactzonebytheaffectofsecondarytectonicfracture.It’sdifficulttoreflectthecharacteristicsofthedeepstructuralplanebecauseofthethickoverburdenandlessbedrockexposure.However,withthetestingofultrasonicimagingtechnology,itcanclearlycalculatethecharacteristicparametersofstructuralplane,preliminaryquantitativeanalysisthedeeprockmass,checkandsupplementtheexposureandcore.Alsoitcanprovidethevaluablebasicdatasforthedesignandconstructiondepartmentofsubmarinepipelinetunnelandoptimizethequalityofengineeringinvestigationresults.Keywords:ultrasonicimaging,rockcharacteristic,structuralplane,submarinepipeline