一种创新的断裂持续性变换映射和可视化方法，基于钻孔组图像分析：MFPbia

《Engineering Geology》：An innovative transform mapping and visualization of fracture persistence from borehole-group image analysis: MFP bia

岩体断裂网络数字化分析建立钻孔影像特征数据库，通过智能化算法提取断裂持续性参数及三维几何特征，结合数值模拟验证方法有效性，并在油库工程中实现大范围断裂关联性评估。

　　

徐振浩|李一辉|潘东东|赵胜哲

中国山东省济南市隧道工程国家重点实验室，邮编250061

摘要

断裂持续性是评估未开挖地下区域地质稳定性的关键参数。它决定了浆液可能的迁移路径，并显著影响灌浆的整体效率。我们提出了一种自动化的流程来绘制断裂持续性图谱。首先，从钻孔数据中数字化量化断裂平面的属性——倾角方位、倾角、空间位置和分散度，以构建一个标准化数据库。利用这些持续性标准提取大规模断裂现象。这提供了关于断裂最大弦长及其对应凸多边形面积的重要数据。此外，还开发了用于判断持续性和特征提取的智能算法，从而能够高效分析隧道中的钻孔诱导断裂。涵盖多种钻孔和断裂配置的数值模拟证实了该方法的可行性，并展示了其在三维可视化和断裂建模方面的实用性。此外，所提出的方法已成功应用于一个油库项目，证明了其能够快速准确地确定多个断裂表面的持续性。该方法获得的大规模断裂信息对于确保隧道施工的安全性具有重要意义。

引言

岩体中含有大量的不连续性，这些不连续性赋予了岩体各向异性，极大地影响了其结构复杂性、异质性（Ju等人，2022年）以及水文性质（Jimenez-Rodriguez和Sitar，2006年；Tsesarsky，2012年；Hodgetts，2013年）。因此，准确表征断裂参数对于建立力学性质和水力性质之间的关联（Gottron和Henk，2021年）以及进行可靠的稳定性评估至关重要（Zhang等人，2022年）。尽管断裂性质很重要，但由于断裂几何形状的复杂性和变异性，测量它们仍然具有挑战性。目前测量岩体不连续性的方法大致分为接触式和非接触式两类（Wu等人，2023年）。接触式测量依赖于指南针和倾斜仪等传统仪器，虽然便携，但受到地质环境和测量人员主观性的限制。相比之下，近年来受到广泛关注的非接触式测量方法结合了数字摄影和深度学习技术来识别和提取断裂形态（Sturzenegger和Stead，2009年；Ge等人，2022年）。因此，基于深度学习的非接触式测量技术正在逐步革新岩体断裂测量的方法。

许多学者通过分析暴露在表面的断裂来表征岩体不连续性。一些人利用暴露的岩石痕迹大小与几何概率之间的关系来推导断裂分布的拟合模型。例如，Shi等人（2023年）引入了通用椭圆盘（UED）模型来描述斜坡不连续性，并将其与离散元方法结合使用来构建断裂网络。Zhang等人（2022年）通过使用采样窗口方法改进了对三维几何属性的估计，以评估断裂集的直径、体积密度和方向分布。此外，Pan等人（2024年）将机器视觉与运动结构（SfM）方法相结合，将二维断裂特征转换为三维断裂参数。虽然这些基于表面的方法提供了有价值的见解，但它们本质上难以捕捉内部不连续性的全部范围（Longoni等人，2012年；Ye等人，2021年），因此无法完全代表岩体内的断裂网络（Jiang等人，2024年）。为了解决这一限制，研究人员转向对岩芯样本的详细观察和分析，以深入了解岩体内部情况。这种方法可以获取包括断裂的精确位置、形态和方向在内的关键数据。这些数据对于推进岩石力学、地质工程和水文地质学的研究至关重要（Li等人，2024年）。这些见解对于全面理解断裂如何影响地下工程项目和地质环境至关重要。

在断裂的岩石隧道中，尤其是在高风险区域，通常使用钻孔电视（TV）来评估隧道前方断裂的特征。该技术利用配备光源的高分辨率数码相机来捕捉钻孔壁的详细图像（Zohreh等人，2014年）。通过这些图像，可以准确测量断裂的倾角和厚度等参数（Li等人，2022年）。Chen等人（2021年）提出了一种基于全三维模型的断裂估算方法，使用钻孔采样数据。然而，这些研究主要集中在基本的断裂属性上，如断裂的数量和宽度。而直接影响地下材料渗透性和力学行为的断裂痕迹长度这一参数常常被忽视。准确确定断裂痕迹长度对于可靠评估地下结构的稳定性和水文性质至关重要，特别是在岩石工程和地质勘探中。

研究岩体内断裂痕迹长度需要深入理解其不连续性。这些不连续性被分为持续性断裂、非持续性断裂或独立实体。先前的研究表明，大规模断裂在地下岩体中很常见。然而，在隧道挖掘和钻探勘探阶段，这些断裂的不连续性和连续性难以可靠地识别和量化。Mauldon（1994年）认为真正的断裂在地质上是不太可能的，他提出整个岩体是由沿弱面的局部分离所分割的。因此，探索这些分离断裂表面的相关性和持续性对于确定大规模不连续性的规模至关重要（Lambert等人，2012年）。暴露的断裂可能代表一个更大连续断裂网络的局部段。因此，分析必须考察大规模共面断裂，并估计它们的空间范围，而不能孤立地处理每个断裂痕迹。大多数现有的断裂相关性研究集中在斜坡岩体上，其中部分暴露和表面覆盖加剧了结构的明显不连续性。Riquelme等人（2018年）提出了一种使用三维数据集自动绘制岩体中断裂集持续性的方法。在隧道工程中，单个断裂面可能在不同截面的多个钻孔中反复出现。评估这些参数是否对应于同一断裂是一个重要的技术挑战，Sun等人（2019年）将其称为断裂平面的持续性。Wang等人（2009年）研究了断裂平面之间的相关性，考虑了深度、岩性和断裂充填（矿化）等因素。Chen等人（2013年）提出了一种考虑断裂的空间出现和地质特征的持续性标准。他们的工作展示了在何种条件下两个断裂平面可以被认为是地质上相似的，并为评估持续性提供了基础。这些研究强调了理解不同钻孔之间断裂平面几何关系的重要性，这对于准确评估断裂持续性至关重要。

我们基于从钻孔图像中提取的各种数值属性建立了一个规范化的数据库，包括倾角方位、倾角、位置坐标和粗糙度（联合粗糙度系数，JRC）。我们提出了一种基于提取的特征数据自动绘制岩体不连续性持续性的方法。随后，我们使用这些特征结果进行持续性分析。此外，我们建立了一套原则和识别技术来评估钻孔图像之间多个断裂平面的持续性。最后，提取了共面大规模不连续性的空间几何属性。所提出的方法通过数值模拟得到了验证，并成功应用于一个工程案例研究。

部分摘录

钻孔断裂持续性的自动化绘图方法

图1

术语表

JRC?联合粗糙度系数

κ?钻孔的方位角，°

ε?钻孔的顶角，°

θ?断裂的倾角方位，°

α?断裂的倾角，°

θ'?坐标变换后断裂平面的倾角方位，°

α'?坐标变换后断裂平面的倾角，°

σ?断裂的分散度

H?断裂所在的孔深，m

H′?变换后的断裂深度，m

x_m, y_m, 0?钻孔的起始坐标，m

x_mn, y_mn, z_mn?断裂的坐标

从三维模拟断裂模型生成钻孔采样

最初开发了一个实验室规模的断裂隧道模型。通过虚拟钻探验证了这种方法的理论可行性。由于岩石断裂的自然变异性，准确表征隧道岩体内的断裂分布本身就很困难。为了提高结果的准确性，我们做了一些假设。假设断裂平面是圆形的，并使用确定性-随机建模方法来模拟断裂（Pan等人，2019年）。

工程背景和地质环境

该油库项目位于中国广东省（图12a）。它主要由主洞室和水幕巷道组成，海拔范围分别为-100米至-129米和-75米至-69米。储层岩体主要是花岗岩，上面覆盖着一层厚厚的第四纪冲积粉质粘土和完全风化的花岗岩（图12b），厚度通常在20至65米之间（图12c）。在储层区域，深厚的覆盖层加剧了...

结论

本文介绍了一种基于钻孔图像的不连续表面持续性分析方法。研究表明，这种方法有助于识别和提取隧道前方的大规模不连续性，有效地捕捉了多个断裂的空间几何信息。

(1) 本研究建立了通过钻孔图像的数字特征化来评估不连续表面持续性的标准。

CRediT作者贡献声明

徐振浩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取。李一辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，概念化。潘东东：撰写 – 审稿与编辑，可视化，资金获取，概念化。赵胜哲：验证，方法论，正式分析，数据管理。

未引用的参考文献

Guo等人，2011年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（资助编号：52279103, 52109129）和山东省自然科学基金（资助编号：ZR2021QE163）的支持。