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摘 要：以正在建设的深茂铁路江门至茂名段吉安隧道开挖施工注浆堵水防水背景，通过数字钻孔摄像技术开展隧道围岩结构调查，获取钻孔内岩体结构特征信息，定位断裂破碎带的位置大小，以此为基础研究单孔内岩体完整性，分析比较注浆前后围岩RMDI的变化情况，实现基于RMDI法的围岩注浆效果的评价。
1、引言
交通基础设施建设在国民经济建设中具有重要作用，进入21世纪以来，大批铁路公路工程等重大基础设施陆续开工建设，施工的重心也逐步转移向地质环境复杂的山区和岩溶地区转移，隧道与地下工程建设面临“构造复杂、地质环境多变、灾害频发”的严峻考验。施工中遭遇突水（突泥）是常态的地质灾害，具统计隧道建设中80%的重大安全事故是由突水突泥灾害及治理不当造成的。
断层破碎带是诱发突水事故的主要地质灾害源之一，特别是发育规模较大、地下水运动活跃的断层带，在工程扰动、地应力与水压作用下极易失稳破坏发生突水灾害。大量突水突泥灾害案例和工程实践表明，富水断层破碎带是隧道安全修建的关键控制因素。
目前，针对富水断层破碎带的主要处理方法是注浆加固，通过注浆处理充填裂隙，堵住涌水和固结砂土，改良隧道围岩的品质，形成一个新、防渗性高、稳定性好的结石体。注浆效果的好坏直接影响到工程的安全性，必须开展注浆效果评价。由于注浆处理具有很强的隐蔽性，因此限制了对注漿效果评价工作。为此，国内外学者做了大量的研究工作，目前注浆效果评价主要是采用针对力学性能改善程度的力学试验和针对防渗效果的压水试验。如，针对静/动弹性模量的测试技术研究，检测注浆前后静/动弹性模量的变化，评价注浆的固结效果；基于透水率为基础的压水试验研究，评价注浆的防渗性效果。
但上述注浆效果评价方法，较少考虑所处复杂地质环境，有其局限性。针对上述不足，本文以钻孔摄像技术为依托，对铁路隧道施工帷幕注浆岩体裂隙信息进行采集和分析，研究复杂地质环境下地质结构特征，研究基于岩体完整性的RMDI注浆效果评价方法，并提出一种基于数字孔内成像的注浆效果评价方法，并应用于正建设中的深茂铁路吉安隧道施工帷幕注浆效果评价实验研究中，取得了较好的应用效果。
2、数字钻孔摄像技术
数字钻孔摄像技术是集电子技术、视频技术、数字图像技术与一体的先进勘探手段，可以实现钻孔孔壁的360°连续全景成像，同时在钻孔图像中叠加了方位和深度信息，不仅能够对整个钻孔的地质条件进行现场初步判断，而且能够对破碎地带、结构面等工程地质较为关注的问题进行室内测量、计算和分析，已在水利、土木、能源、采矿等领域中得到了成功应用。如图1是其钻孔摄像设备。
3、裂隙调查与统计分析
3.1裂隙参数计算
假设裂隙与钻孔的交切关系为完全切割钻孔，则在钻孔孔壁的平面展开图中裂隙的几何形态为正弦曲线（如图2所示），通过在设定坐标系下对该曲线进行计算，可以获得裂隙的多个参数信息。
在钻孔图像中，裂隙参数主要包括：（1）位置深度。裂隙沿钻孔方向所处的位置，以裂隙与钻孔交切形成的椭圆中心点到孔口中心点的距离为准。（2）倾向。结构面切割钻孔的最高点与最低点的连线在水平面上的投影与地磁正北方向的夹角，以顺时针方向为正。（3）倾角。裂隙切割钻孔的最高点与最低点的连线与水平面的交角，最高点和最低点分别对应于平面展开图中正弦曲线的波峰与波谷。（4）裂隙宽度。结构面上、下界面的垂直距离，在两界面不平行的情况下，取多个点的平均值。（5）周围岩体特征。裂隙周围环境岩体的类型、颜色及填充情况等。
3.2裂隙统计分析
吉安隧道全长2491m，隧道位于台山市境内，穿越花岗岩中低山区，隧道通过的主要地层有第四系残破积层（Q4el+dl）和燕山期花岗岩（γ53），隧道拱顶埋深0～260m。隧道区花岗岩节理、裂隙整体不发育、局部地段较发育，代表性节理产状为141°∠78.5°、320°∠80°、215°∠84°，334°∠42°，节理裂隙延伸长度0.5～3m不等。隧道附近上方分布多个人工水库，如青翠水库、百步梯水库、龙门水库、长坑水库等，尤其是隧道所经地段分布有区域断层F4、F5、F6、F7、F8与水库相连通，受水库补给，富水性较强。为保证隧道施工安全，在断层地段应该进行帷幕注浆防护。为应用本文的方法对注浆效果进行评价，利用数字钻孔摄像系统对多个注浆钻孔进行了孔内摄像，以查明钻孔的岩体节理裂隙、构造迹象、主要岩层结构面以及断裂破碎带等，并对其进行分析和统计。
实验中以吉安隧道的掌子面为测试试验场地，布设6个钻孔，孔位布设如图3所示，孔深20m左右，并对2号孔进行了取芯。分别对每个钻孔从孔口到孔底进行孔壁全景摄像勘察，获取钻孔所揭露的裂隙信息，计算每条裂隙的产状、位置深度、隙宽等参数，并采用合理的统计方法对这些参数进行分析。孔内摄像测试分两个阶段进行，第一阶段在注浆工作之前，观察并分析孔内裂隙发育情况，对注浆工作提供基础资料并提出合理建议；第二阶段在注浆完成之后，识别分析孔内裂隙充填情况，评价注浆效果。
本文测试实验中钻孔间距较小，孔内裂隙的产状变化不大，每个钻孔内识别到的裂隙数量较少，因此，对所有5个钻孔内的裂隙进行优势产状计算，绘制产状极点等密度图，统计结果如图4所示。
从产状分布图4可以看出，所有探测到的裂隙产状表现出较好的集中性，绝大部分的裂隙集中分布在第四象限，优势产状为334°∠42°，裂隙倾角以缓倾和中等倾角为主，分布在该优势产状范围内的裂隙比例达83.7%，该域内裂隙产状分布有一定的凝聚性，拟采用缓上倾的方式进行注浆钻孔布设。
4、孔壁岩体完整性评价
4.1评价方法
孔壁岩体完整性为了实现对孔壁岩体完整性的准确评价，建立岩体完整性指数密度函数（Integrity Index Density Function），首先在钻孔图像中定义完整与破碎的概念。岩体是各种地质结构的综合体，图像中的完整和破碎与地质结构有着直接的关系。例如，闭合的各类分界面对岩体的完整性产生的影响很小，其图像颜色、纹理分布均匀，表现为完整特征；而张开的裂隙和断层破碎带则使岩体破碎，其图像颜色、纹理变化较大，表现为破碎特征。因此，图像中所反映的岩体特征可定义为2种：破碎型和非破碎型。在确定岩体地质结构方面，数字钻孔摄像技术从结构的识别、信息的提取、数据库的建立等方面都实现了计算机处理，使密度函数（DIDF）建立过程计算机化和自动化。
完整性指数密度函数（DIDF）是一个沿钻孔轴向变化的单变量函数，用 f（z）表示，其中 z 为深度。表达式为
式中：α为反映组成岩体块度的尺寸效应影响。关于岩体完整性块度尺寸效应系数的确定，依据国际岩石力学学会推荐的节理间距分级标准结果，见表 1。
在完整性指数密度函数DIDF 的基础上，提出岩体完整性指数RMDI（Rock Mass Integrity Index），用于评价岩体的完整性。岩体完整性指数（RMDI）是指在给定范围内完整岩体块度所占的尺度，用百分数来表示。若给定的深度范围为[h1，h2]，则RMDI可用该范围内DIDF 的定积分表示，其表达式为：
4.2实例分析
孔内摄像测试的第一阶段在注浆工作之前，测试钻孔位置如图3所示，沿钻孔深度方向，以2m为计算单位，利用钻孔摄像获取到的裂隙数据进行完整性指数计算，如图5是zk4孔RMDI沿深度的变化曲线。RMDI值反映了孔壁岩体的完整程度，从图5 变化曲线图可以看出，该钻孔的RMDI值全部大于0.6，岩体完整程度较好，岩体未出现孔壁岩体破碎严重的现象。而裂隙较多、完整程度相对较差的区段主要在8-12m段、14-16m段，如图5是14-16m区段孔壁图像。
注浆的根本目的是封堵裂隙，提高岩体质量，整体上改善岩体的完整性，通过对比注浆前后孔壁岩体完整性指数RMDI的变化，可以对注浆后岩体完整程度做出分析，进而评价灌浆效果。图5反映了zk4孔注浆前后孔壁岩体完整性指数RMDI的变化情况，通过注浆，大部分孔壁岩体的完整程度得到了较好的改善，即裂隙得到了较好的充填，反映出灌浆效果较好；同时也存在少许区段RMDI值变化较小，如8-12m区段，孔壁完整程度变化不大，注浆效果不明显，这也与裂隙的充填特征对比结果相吻合。
5、结论
本文详细阐述了钻孔摄像技术在帷幕注浆评价的应用，结合工程实例对裂隙信息的统计分析、孔壁岩体完整性评价进行了研究，结果表明：
（1）钻孔摄像弥补了钻孔取芯的不足；
（2）利用高精度的钻孔图像能获得可靠的裂隙参数信息；
（3）基于孔内成像的RMDI 法用于评价岩体完整性是可行的，能实现全孔段或局部孔段的岩体完整性评价。
1、引言
交通基础设施建设在国民经济建设中具有重要作用，进入21世纪以来，大批铁路公路工程等重大基础设施陆续开工建设，施工的重心也逐步转移向地质环境复杂的山区和岩溶地区转移，隧道与地下工程建设面临“构造复杂、地质环境多变、灾害频发”的严峻考验。施工中遭遇突水（突泥）是常态的地质灾害，具统计隧道建设中80%的重大安全事故是由突水突泥灾害及治理不当造成的。
断层破碎带是诱发突水事故的主要地质灾害源之一，特别是发育规模较大、地下水运动活跃的断层带，在工程扰动、地应力与水压作用下极易失稳破坏发生突水灾害。大量突水突泥灾害案例和工程实践表明，富水断层破碎带是隧道安全修建的关键控制因素。
目前，针对富水断层破碎带的主要处理方法是注浆加固，通过注浆处理充填裂隙，堵住涌水和固结砂土，改良隧道围岩的品质，形成一个新、防渗性高、稳定性好的结石体。注浆效果的好坏直接影响到工程的安全性，必须开展注浆效果评价。由于注浆处理具有很强的隐蔽性，因此限制了对注漿效果评价工作。为此，国内外学者做了大量的研究工作，目前注浆效果评价主要是采用针对力学性能改善程度的力学试验和针对防渗效果的压水试验。如，针对静/动弹性模量的测试技术研究，检测注浆前后静/动弹性模量的变化，评价注浆的固结效果；基于透水率为基础的压水试验研究，评价注浆的防渗性效果。
但上述注浆效果评价方法，较少考虑所处复杂地质环境，有其局限性。针对上述不足，本文以钻孔摄像技术为依托，对铁路隧道施工帷幕注浆岩体裂隙信息进行采集和分析，研究复杂地质环境下地质结构特征，研究基于岩体完整性的RMDI注浆效果评价方法，并提出一种基于数字孔内成像的注浆效果评价方法，并应用于正建设中的深茂铁路吉安隧道施工帷幕注浆效果评价实验研究中，取得了较好的应用效果。
2、数字钻孔摄像技术
数字钻孔摄像技术是集电子技术、视频技术、数字图像技术与一体的先进勘探手段，可以实现钻孔孔壁的360°连续全景成像，同时在钻孔图像中叠加了方位和深度信息，不仅能够对整个钻孔的地质条件进行现场初步判断，而且能够对破碎地带、结构面等工程地质较为关注的问题进行室内测量、计算和分析，已在水利、土木、能源、采矿等领域中得到了成功应用。如图1是其钻孔摄像设备。
3、裂隙调查与统计分析
3.1裂隙参数计算
假设裂隙与钻孔的交切关系为完全切割钻孔，则在钻孔孔壁的平面展开图中裂隙的几何形态为正弦曲线（如图2所示），通过在设定坐标系下对该曲线进行计算，可以获得裂隙的多个参数信息。
在钻孔图像中，裂隙参数主要包括：（1）位置深度。裂隙沿钻孔方向所处的位置，以裂隙与钻孔交切形成的椭圆中心点到孔口中心点的距离为准。（2）倾向。结构面切割钻孔的最高点与最低点的连线在水平面上的投影与地磁正北方向的夹角，以顺时针方向为正。（3）倾角。裂隙切割钻孔的最高点与最低点的连线与水平面的交角，最高点和最低点分别对应于平面展开图中正弦曲线的波峰与波谷。（4）裂隙宽度。结构面上、下界面的垂直距离，在两界面不平行的情况下，取多个点的平均值。（5）周围岩体特征。裂隙周围环境岩体的类型、颜色及填充情况等。
3.2裂隙统计分析
吉安隧道全长2491m，隧道位于台山市境内，穿越花岗岩中低山区，隧道通过的主要地层有第四系残破积层（Q4el+dl）和燕山期花岗岩（γ53），隧道拱顶埋深0～260m。隧道区花岗岩节理、裂隙整体不发育、局部地段较发育，代表性节理产状为141°∠78.5°、320°∠80°、215°∠84°，334°∠42°，节理裂隙延伸长度0.5～3m不等。隧道附近上方分布多个人工水库，如青翠水库、百步梯水库、龙门水库、长坑水库等，尤其是隧道所经地段分布有区域断层F4、F5、F6、F7、F8与水库相连通，受水库补给，富水性较强。为保证隧道施工安全，在断层地段应该进行帷幕注浆防护。为应用本文的方法对注浆效果进行评价，利用数字钻孔摄像系统对多个注浆钻孔进行了孔内摄像，以查明钻孔的岩体节理裂隙、构造迹象、主要岩层结构面以及断裂破碎带等，并对其进行分析和统计。
实验中以吉安隧道的掌子面为测试试验场地，布设6个钻孔，孔位布设如图3所示，孔深20m左右，并对2号孔进行了取芯。分别对每个钻孔从孔口到孔底进行孔壁全景摄像勘察，获取钻孔所揭露的裂隙信息，计算每条裂隙的产状、位置深度、隙宽等参数，并采用合理的统计方法对这些参数进行分析。孔内摄像测试分两个阶段进行，第一阶段在注浆工作之前，观察并分析孔内裂隙发育情况，对注浆工作提供基础资料并提出合理建议；第二阶段在注浆完成之后，识别分析孔内裂隙充填情况，评价注浆效果。
本文测试实验中钻孔间距较小，孔内裂隙的产状变化不大，每个钻孔内识别到的裂隙数量较少，因此，对所有5个钻孔内的裂隙进行优势产状计算，绘制产状极点等密度图，统计结果如图4所示。
从产状分布图4可以看出，所有探测到的裂隙产状表现出较好的集中性，绝大部分的裂隙集中分布在第四象限，优势产状为334°∠42°，裂隙倾角以缓倾和中等倾角为主，分布在该优势产状范围内的裂隙比例达83.7%，该域内裂隙产状分布有一定的凝聚性，拟采用缓上倾的方式进行注浆钻孔布设。
4、孔壁岩体完整性评价
4.1评价方法
孔壁岩体完整性为了实现对孔壁岩体完整性的准确评价，建立岩体完整性指数密度函数（Integrity Index Density Function），首先在钻孔图像中定义完整与破碎的概念。岩体是各种地质结构的综合体，图像中的完整和破碎与地质结构有着直接的关系。例如，闭合的各类分界面对岩体的完整性产生的影响很小，其图像颜色、纹理分布均匀，表现为完整特征；而张开的裂隙和断层破碎带则使岩体破碎，其图像颜色、纹理变化较大，表现为破碎特征。因此，图像中所反映的岩体特征可定义为2种：破碎型和非破碎型。在确定岩体地质结构方面，数字钻孔摄像技术从结构的识别、信息的提取、数据库的建立等方面都实现了计算机处理，使密度函数（DIDF）建立过程计算机化和自动化。
完整性指数密度函数（DIDF）是一个沿钻孔轴向变化的单变量函数，用 f（z）表示，其中 z 为深度。表达式为
式中：α为反映组成岩体块度的尺寸效应影响。关于岩体完整性块度尺寸效应系数的确定，依据国际岩石力学学会推荐的节理间距分级标准结果，见表 1。
在完整性指数密度函数DIDF 的基础上，提出岩体完整性指数RMDI（Rock Mass Integrity Index），用于评价岩体的完整性。岩体完整性指数（RMDI）是指在给定范围内完整岩体块度所占的尺度，用百分数来表示。若给定的深度范围为[h1，h2]，则RMDI可用该范围内DIDF 的定积分表示，其表达式为：
4.2实例分析
孔内摄像测试的第一阶段在注浆工作之前，测试钻孔位置如图3所示，沿钻孔深度方向，以2m为计算单位，利用钻孔摄像获取到的裂隙数据进行完整性指数计算，如图5是zk4孔RMDI沿深度的变化曲线。RMDI值反映了孔壁岩体的完整程度，从图5 变化曲线图可以看出，该钻孔的RMDI值全部大于0.6，岩体完整程度较好，岩体未出现孔壁岩体破碎严重的现象。而裂隙较多、完整程度相对较差的区段主要在8-12m段、14-16m段，如图5是14-16m区段孔壁图像。
注浆的根本目的是封堵裂隙，提高岩体质量，整体上改善岩体的完整性，通过对比注浆前后孔壁岩体完整性指数RMDI的变化，可以对注浆后岩体完整程度做出分析，进而评价灌浆效果。图5反映了zk4孔注浆前后孔壁岩体完整性指数RMDI的变化情况，通过注浆，大部分孔壁岩体的完整程度得到了较好的改善，即裂隙得到了较好的充填，反映出灌浆效果较好；同时也存在少许区段RMDI值变化较小，如8-12m区段，孔壁完整程度变化不大，注浆效果不明显，这也与裂隙的充填特征对比结果相吻合。
5、结论
本文详细阐述了钻孔摄像技术在帷幕注浆评价的应用，结合工程实例对裂隙信息的统计分析、孔壁岩体完整性评价进行了研究，结果表明：
（1）钻孔摄像弥补了钻孔取芯的不足；
（2）利用高精度的钻孔图像能获得可靠的裂隙参数信息；
（3）基于孔内成像的RMDI 法用于评价岩体完整性是可行的，能实现全孔段或局部孔段的岩体完整性评价。