音射式孔內探測儀於岩體裂隙分析之應用

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音射式孔內探測儀於岩石弱面分析之應用

翁 孟 嘉 * 冀 樹 勇 * * 高 憲 彰 *** 曾 慶 恩 *** * 張 玉粦 **** 一、前言 摘 要 採用孔內攝影(Borehole Imaging)進行岩石弱面調查，可避免以往採用岩心檢視方式遭遇的諸多限 制並提供更高之精度，因此受到工程師所歡迎。本文所介紹之音射式孔內探測儀(High Resolution Acoustic Televiewer)採用一固定式超音波發射源及一旋轉反射鏡系統，藉由擷取音射訊號撞擊鑽孔孔壁 之走時及反射訊號振幅，以判斷弱面位態及岩層狀況。由於其具有解析度高、穿透能力強、適用於鑽 孔中充滿混濁水環境等優點，因此較一般常見之光學式孔內攝影(Borehole Optical Televiewer)更適用於 台灣之地質環境。此外，本系統具有強大的後處理能力，根據攝錄影像可自動計算弱面、構造之深度、 位態，並一步進行弱面統計、立體投影分析及鑽孔變形預測，提供工程師豐富的工程地質資料。 關鍵字：音射式孔內探測儀、岩石弱面、孔內攝影 隨著近年來，許多重大岩盤工程的規劃、設計與興建，如壩、隧道、地下電廠及地下儲 置場，對於地質調查的要求精度也愈來愈高。在地質調查中，最受重視的即是「岩石弱面性 質」。對於工程地質而言，岩石弱面包含層面、劈理、斷層及節理等弱面。在以往的地下弱 面調查，多主要藉由檢視鑽孔岩心，以統計弱面分佈、位態狀況等。但根據岩心調查弱面， 存在以下限制： 1. 當岩心破碎或無法提取時，即無法了解地下地質狀況，然而該區段往往可能是調查 的重點區域。 2. 不易或無法判斷岩心顯示之弱面為原生或因為鑽取引致。 3. 對於空穴、弱面內寬、易流失之夾心等情形，不易透過岩心檢視得知。 有鑑於此，為改善上述限制並提高弱面調查的精度，可採用孔內攝影進行弱面調查，以 瞭解弱面真實之情形。孔內攝影係於鑽孔中置入一攝影設備，直接攝錄孔壁情形，以即時研 判地層狀況、節理及裂隙分佈及位態等資料。其設備機型大致可分為兩種型式：光學式和音 射式，光學式設備為一般孔內攝影所常用，主要由一組光源及一架攝影機所構成，其拍攝結

* _{中興工程顧問社地工中心研究員} ** _{中興工程顧問社地工中心經理} *** _{中興工程顧問社地工中心副理} **** _{中興工程顧問社地工中心組長}

2 果如同一般肉眼所見，精度則取決於攝影機之解析度。惟其最大之缺點在於若孔內有水時， 水質不可混濁，以免影響攝影品質。然而在台灣地區，由於地質脆弱、地下水位高，一般鑽 孔為維持孔內穩定，常於孔中充滿穩定液，不利於光學式孔內攝影之使用；相對而言，音射 式孔內攝影則無此限制。音射式孔內攝影以超音波為發射訊號，而非一般可見光，藉由反射 訊號之強弱及走時來判讀地層狀況。由於其具有解析度高，可適應多種環境等優點，逐漸為 世界各國地質及大地工程師所採用。 本文首先將說明音射式孔內探測儀之基本原理，接著介紹其試驗設備、試驗步驟及後續 結果分析，供未來相關地質調查參考。 二、音射式孔內探測儀之基本原理 音射式孔內探測儀採用一固定式音射發射源及一旋轉反射鏡系統，以擷取音射訊號撞擊 鑽孔孔壁之走時(Travel Time)及反射訊號振幅(Amplitude)。發射源係以壓電材料製成，產生 的超音波訊號介於 0.5-1.5 MHz。訊號產生後先穿越探測儀內之油介質(如圖 1所示)，後經由 一旋轉鏡轉折 90 度將訊號發射出儀器管壁，穿透鑽孔內液體直至鑽孔壁後反射回至探測 儀。由於旋轉鏡不斷 360 度的旋轉，訊號可以全方位的掃描鑽孔孔壁，藉由記錄返回訊號的 振幅及走時，以了解孔壁之情形。本探測儀每一旋轉可發射高達 360 次的訊號，因此可得到 高精度(1 mm)之孔壁資訊。關於返回訊號振幅及走時所代表的物理涵義說明如下： (一) 振幅 返回訊號的振幅可以視為鑽 孔孔壁音射性質之函數。例如，當 訊號撞擊上堅硬的鑽孔孔壁時，大 部份能量將反射回探測儀，而記錄 器將可以讀到較大的振幅。反之， 當訊號遇上鬆軟的鑽孔孔壁時，則 僅 有 少 量 的 能 量 反 射 回 到 探 測 儀。當鑽孔孔壁表面粗糙或存在裂 縫、空穴時，由於能量被大量散 射，因此僅能記錄到微小的振幅。 (二) 走時 訊號走時與鑽孔直徑(行走距 離)及孔內液體傳遞波速(一般 1.5 km/sec)有關。當孔壁完整時，各高程之走時相同，然而當 裂縫、空穴存在時，走時將增加，因此根據走時可以瞭解井徑之變化。 於現地鑽孔施作時，經由持續的下降或上升孔內探測儀，可得到一螺旋軌跡之訊號記 錄，再經由資料記錄器的處理，將所得資料以 24 位元的 RGB 形式成象為一展開之孔壁影 像。探測儀內並內建三軸磁力加速度計、三軸向傾斜儀以提供量測時完整之方位變化資料。 將孔壁影像與方位資料結合即可得整個鑽孔之完整資料。 圖 1 音射式孔內探測儀

3 三、試驗設備 針對中興工程顧問社之音射式孔內探測儀系統，主要設備及功能說明如下： (一) 音射探測儀 音射探測儀為本系統之訊號產生及接收器，訊號源為超音波，如圖 1 所示。探測儀直 徑為 45 mm，適用孔徑為 55 mm ~ 200 mm，溫度範圍為-20 o C ~ 70 oC，最大抗壓力為 20MPa。圖 1中探測儀上方弓型彈簧為中心器，可確保探測儀位於鑽孔中心，避免偏心導致 量測訊號失真。此外，探測儀上可以外掛其他地球物理探測儀器，增加更多的量測項目。 (二) 捲揚系統 主要將探測儀置入擬試驗區段，包括絞車(如圖 2所示)、三角架(如圖 3 所示)、滑輪及 吊頭。本系統之試驗深度可達 600 m，速度為 0 ~ 20 m/min。此外，三角架上之滑輪附有計 數器，用以記錄探測儀所在深度，量測之精度可達 1 mm。 (三) 記錄器 為一自動資料收集處理器，可與電腦直接連線。 (四) 電腦及軟體 包含一筆記型電腦及影像軟體 RGLDIP。RGLDIP 可記錄、處理、分析探測儀所得影像。 其具有人工和自動識別選擇等功能，可自動計算弱面、構造之位態（走向/傾角和寬度），並 進一步繪製立體投影圖，弱面方位頻率圖以及可與實際岩心資料相對比的「模擬岩心」資料。

圖 2 絞車 圖 3 三角架及孔口架設情形 四、孔內攝影試驗步驟 本試驗之標準試驗孔為 HQ 鑽孔(孔徑 99 mm)，試驗前應先檢視岩心狀況，以瞭解岩盤 破碎程度。當岩盤過於破碎或軟弱時，為避免試驗時產生卡孔情形，可以於孔中注入穩定液 或先以井徑探頭瞭解破碎區段。本系統試驗步驟相當簡單、迅速，僅需兩人合作即可完成所 有量測工作，孔內探測試驗步驟如下： 1. 於試驗場址組立本系統如圖 4所示，實際操作情形參見圖 5。 2. 吊放探測儀至待測深度後，以低速(約 1 ~ 1.5 m/min)下降開始進行掃描，至量測區段底部 後，以低速上升再掃描一次，作為複核。

4 3. 將孔內探查擷取的訊號轉換成於螢 幕上顯示之孔壁影像，並建立起隨深 度變化之鑽孔圖像(256 色階)如圖 6 所示。圖中暗色的正弦軌跡影即為弱 面。所擷取影像需進一步處理，以作 後續分析之用。 五、結果處理及分析 經由音射探測儀所擷取之影像，在 進行弱面統計分析之前，首先需進行影 像處理以確保資料之可靠度。影像處理 流程包含以下步驟：(1) 磁性異常區域判 斷及修正；(2) 鑽孔軸偏角修正；(3) 振 幅影像偏心化修正。影像處理完成後， 即可針對影像進行分析，項目為： (1) 地質構造判斷及標示；(2) 弱面深度 分佈情形；(3) 立體投影統計及分析；(4) 鑽孔變形預測。 圖 5 實際操作情形 圖 6 試驗所得之鑽孔圖像 (一)影像處理 1. 磁性異常區域判斷及修正 由於探測儀方位之判斷係採用三軸磁力加速度計根據磁北角而定，但當孔內存在磁性物 圖 4 系統組立圖

5 質或受鐵製套管影響時，將因磁性異常而導致所判斷方位錯亂。圖 7 中左圖可見，由於磁 性異常導致所擷取影像扭曲。遭遇此情形時，須進行方位修正。方法有二，皆可得到良好結 果，一為藉由其他非磁性類型之探測儀下放至異常區段，輔助量測加以判斷方位。此方法由 於依靠多種儀器聯合測量，結果較為精確，但價格昂貴。另一修正方法為採用異常區上下未 受干擾區域進行內插修正，雖然此法誤差較大，但處理較迅速、便宜，且結果常符合一般量 測所需，較常使用。採用此法之結果如圖 7中右圖可見，已成功修正左圖之扭曲影像。 圖 7 磁性異常區域及修正 圖 8 鑽孔軸資料之三維影像 2. 鑽孔軸偏角修正 對於垂直鑽孔而言，一般將其視為由上而下皆垂直於水平面。然而就實際狀況而言，由 於施工因素以及地層性質的變化，垂直鑽孔往往存在若干的偏角，此偏角將影響後續資料判 斷的準確性。由於探測儀被中心器固定於鑽孔中央，因此在每一量測區段儀器中心軸即為鑽 孔軸，根據探測儀個別段之量測結果積分即可求得鑽孔軸之變化，作為鑽孔軸偏角修正之 用。圖 8 所示為所求得鑽孔軸資料之三維影像，顯示此垂直鑽孔隨深度增加，偏角愈大， 至孔底時存在約 11 度之偏角。 3. 振幅影像偏心化修正 在所得到的振幅影像中，若於明亮區域內 出現不正常的黑暗垂直條紋，或走時影像中出 現高走時條紋，此時即為振幅影像偏心化情 形。振幅影像偏心化之原因主要與音射探測儀 發射源訊號強弱有關，此情形將導致量測之地 質影像模糊失真，因此需進行振幅影像偏心化 修正。關於此部分之修正，本系統儀器已內建 自動修正設定，不需以人工修正。 在完成上述三項影像處理修正後，可得鑽 圖 9 孔內攝影結果

6 孔孔壁影像如圖 9所示，以此影像進行下一階段之分析。 (二)結果分析 1. 地質構造判斷及標示 當一個平面型弱面與鑽孔斜交時，所呈現的影像為一正弦軌跡如圖 10所示。以垂直鑽 孔為例，可將此正弦軌跡表示如式 1。若鑽孔不垂直時，需根據前述修正步驟，將此正弦軌 跡正射至所求得的鑽孔方位，即可依式 (1)所表示。

(

φ

)

ρ

−

+

=

depth

x

z

sin

(1)

上式中存在 3 個待定參數分 別為深度(Depth)，振幅ρ及相位角 φ，其中深度用以決定弱面所在之 鑽孔深度；振幅ρ反應弱面傾角， 當傾角愈大，振幅ρ愈大。水平弱 面之振幅為零，垂直弱面之振幅為 無限大。相位角φ則代表弱面之方 位角，以正北方為零度，順時針方 向增加。根據上述表示式，即可藉 由標示影像中之正弦軌跡，反推求 得弱面位態資料。在本系統中，對於地質構造 的判斷及標示，除用手動點選判斷外，影像軟 體 RGLDIP 更提供半自動判斷及自動判斷等兩 種方法。半自動判斷之流程為利用手動方式於 軌跡上點取兩點，軟體自動迴歸繪出整條正弦 曲線，重覆此步驟，即可完成整個鑽孔弱面的 標示；自動判斷則由軟體根據影像訊號的強 弱，自動標示出所有弱面，雖然如此，但其正 確率僅達 60 ~ 70 %，尚未達到成熟階段。整體 而言，目前仍以半自動判斷為最快速且準確的 方法。 以半自動判斷進行弱面判斷及標示，其結 果如圖 11 所示。於圖中各標示弱面右方， RGLDIP 軟體提供使用者可自行加上註解如層 面、不整合面、開口裂隙等資訊。另外，當弱面呈現不連續或含有礦脈、夾泥時， RGLDIP 軟體亦提供額外功能，以標示特殊情況。對於破碎及缺陷區域，其影像呈現高走時及低振幅 情形，此時無法採用正弦軌跡標示方法，須採手動標示。 圖 10 平面型弱面與鑽孔斜交呈現之正弦軌跡 圖 11 弱面判斷結果

7 (2) 弱面深度分佈情形 完 成 上 述 地 質 構 造 判 釋 後，即可交由 RGLDIP 軟體進行 後續資料分析。RGLDIP 軟體具 備強大處理、分析功能，可自動 由判釋結果計算弱面、構造之深 度 、 位 態 及 岩 心 品 質 參 數 (RQD)，結果如圖 12 所示。圖 中由左至右依序顯示了鑽孔柱 狀圖、鑽孔展開影像、弱面位態 向量圖、弱面位態圖、弱面描述 等，清楚且詳細的反應鑽孔中資 訊，提供工程師豐富的工程地質 資料。 (3) 立體投影統計及分析 對於大地工程師及地質師 而言，習慣將地質弱面繪於立體投影圖上，以瞭解弱面交互關係，作為後續穩定分析之用。 RGLDIP 軟體亦提供此一功能，可將調查所得弱面資料之極點，繪於等面積下半球立體投影 圖上，如圖 13所示。更進一步地，RGLDIP 軟體可根據極點數目統計繪出其弱面密度分佈 圖，並可將同一區域數個鑽孔資料整合，找出主要控制之弱面群組。如圖 14中顯示，該案 例區域經調查後可得到 7 個主要弱面組，依弱面數目多寡由上往下排列，分析結果除包括各 主要弱面組之位態、密度分佈之外，更提供兩弱面交會線之位態，此資料對於岩塊楔型穩定 分析極為實用。 (4) 鑽孔變形預測 相對於一般光學式孔內攝影，音射式孔內攝影尚附加一特殊功能：鑽孔變形預測。由於 音射式孔內攝影返回訊號的振幅除可偵測得弱面的存在外，尚可反應鑽孔孔壁之軟硬，因此 採用彈性力學的觀念，即可初步分析出鑽孔隨深度之變形情形。對於後續採用鑽孔之孔內試 驗及探測，鑽孔變形資料可用以決定試驗位置並避免卡孔情形產生。 圖 12 弱面位態分析結果

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圖 13 弱面立體投影分析 圖 14 主控弱面分組及其密度分佈 六、結論 相較於檢視鑽孔岩心以進行地質弱面調查，採用孔內攝影進行調查可改善其以往諸多的 限制並提供更高之精度，因此逐漸受到工程師所歡迎。本文所介紹之音射式孔內探測儀，又 較一般常見之光學式孔內攝影具有更多優點，且更適用於台灣之地質環境。針對本音射式孔 內探測儀之特性及優點整理列舉如下： 1. 本系統採用超音波為訊號源，其解析度高，穿透能力強，可適用於鑽孔中充滿混濁水之 環境。此外，本系統之溫度範圍為-20 o C ~ 70 o C，最大抗壓力為 20MPa，最大量測深度可 達 600 m， 2. 對於孔內探查所得影像，本系統提供三種判斷模式以進行地質構造判斷，其中以半自動 判斷模式最為快速且準確。針對特殊地質情形，本系統亦提供使用者自行標示並加上註 解之功能。 3. 本系統具有強大的後處理能力，根據判釋結果可自動由判釋結果計算弱面、構造之深度、 位態，並一步進行立體投影分析，提供工程師豐富的工程地質資料 4. 相對於一般光學式孔內攝影，音射式孔內攝影另外提供一特殊功能：鑽孔變形預測。藉 由分析所得之鑽孔變形，可提供後續採用鑽孔之孔內試驗及探測決定試驗位置並避免卡 孔情形產生。 參考文獻

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