音射式孔内探测仪于地质弱面调查之应用.PDF

2006 岩盤工程研討會論文集，台南 2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-27 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 - 569 - 翁孟嘉、許世孟、顧承宇、冀樹勇、高憲彰 音射式孔內探測儀於地質弱面調查之應用 569-578 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 所示 1 ) ，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