音射式孔內探測儀於地質弱面調查之應用
翁孟嘉
許世孟
顧承宇
冀樹勇
高憲彰
中興工程顧問社 大地工程研究中心
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，逐漸受到工程師重視。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 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：孔內攝影、音射式孔內探測儀。一、前言
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「弱面性質」。 對於工程地質而言，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破裂引致。 (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 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、試驗步驟及案例分 析，供相關地質調查參考。
二、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： (1) 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。 (2) 走時 訊號走時與鑽孔直徑(行走距離)及孔內液體傳遞波速有關。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。三、探測設備
針對本社採用之音射式孔內探測儀系統，主要設備及功能說明如下： (1) 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 oC ~ 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。 (2) 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。 (3) 記錄器 為一自動資料收集處理器，可與電腦直接連線。 (4) 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1 音射式孔內探測儀圖2 絞車 圖3 三角架及孔口架設情形
五、案例分析
本研究選擇一垂直鑽孔進行地質弱面調查，茲描述試驗場址地形、地質及鑽孔情形如下： 試驗場址位置位於台中盆地東側之大坑山區，場址座落於一西北-東南向之陡坡上，鑽孔 為一HQ孔徑(99 mm)、深度110 m之垂直鑽孔。根據區域地質圖可知，本場址地層屬卓蘭層 (CL)，岩性以砂岩、頁岩互層為主，位態大致呈南北向、向東傾36-38度，場址距離西側之車 籠埔斷層約600 m。依據岩心資料，岩性主要為灰色細砂岩及灰黑色粉砂岩。為瞭解場址岩盤 中弱面之分佈情形，進行孔內攝影調查。 5.1 探測步驟 本試驗之標準試驗孔為HQ孔徑(孔徑99 mm)，試驗前先檢視岩心狀況，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，於孔中注入穩定液或先以井徑 探頭瞭解破碎區段。當鑽孔過於破碎情形無法改善，則無法以本儀器進行探測。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。 (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。 (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 4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。 5.2 結果分析 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：(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。在完成上述三項影像處理修正後，可得鑽孔孔壁影像如圖5所示，以此 影像進行下一階段之分析。 圖4 探測所得之鑽孔圖像：走時(左)，振幅(右) 圖5 鑽孔孔壁影像 分析項目包括：(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。茲說明如下： (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 6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 及相位角 ，其中深度用以決定弱面 所在之鑽孔深度；振幅 反應弱面傾角，當傾角愈大，振幅 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 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。對於地質 構造的判斷及標示，影像軟體RGLDIP提供半自動判斷方法。據此完成整個鑽孔弱面的判釋， 其結果如圖 7所示。圖6 平面型弱面與鑽孔斜交呈現之正弦軌跡 圖7 弱面判斷結果 (2) 弱面深度分佈情形 完成上述地質構造判釋後，RGLDIP軟體自動由判釋結果計算弱面、構造之深度及位態。 於分析結果中，使用者並可自行加上註解如層面、不整合面、開口裂隙等資訊，結果如圖8 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，詳細反應鑽孔中工程地質資料。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。圖9中可發現由於場址接近斷層帶，部份區 段存在厚層剪裂泥。在本孔分析中共量測得93道地質弱面(22 m ~107 m)。弱面隨深度之分佈 情形整理如表 1所示。 圖8 弱面位態分析結果
圖9 厚層剪裂泥量測 表1 弱面分佈情形 深 度
(m)
岩 性 弱面個數20.0 - 24.0
灰色細砂岩3
24.0 - 31.0
灰黑色粉砂岩夾薄層砂岩6
31.0 - 44.0
灰色細砂岩(局部破碎)13
44.0 - 67.0
灰色細砂岩夾薄層粉砂岩17
67.0 - 102.8
灰黑色粉砂岩夾薄層砂岩54
(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 10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。 本鑽孔經調查後可得到3個主要弱面組，依弱面數目多寡由上往下排列，位態分別為N190o(與 地層走向一致)，傾角42 o；N008 o，傾角32 o；N110 o，傾角45 o。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。圖10 主控弱面分組及其密度分佈 (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，如圖 11所示。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11 鑽孔變形預測
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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ABSTRACT
This paper introduces a high resolution acoustic televiewer for borehole imaging and fracture investigations. The acoustic televiewer uses a fixed acoustic transducer and rotating mirror system to acquire 2-way travel-time and amplitude of the acoustic signal reflected back to the transducer from a spiral trajectory on the borehole-wall. According to the travel-time and amplitude, geologic features including fractures, gouges, and veins could be identified, and the strikes and dips of geologic features could be calculated. Further fracture analysis aims to identify geometric sets of fractures, and then estimate variations in mean-dip and frequency within the sets and lines of intersection among the sets. In addition, the more powerful function of the acoustic televiewer is the output of breakout log, which predicts the possible deformation and collapse of borehole walls. To sum up, through the high resolution acoustic televiewer abundant geologic information can be acquired from the borehole imaging.
