CN114753836A - 一种空间倾斜钻孔的ct测试方法 - Google Patents

Abstract

一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，包括：(1)确定发射孔、接收孔的孔口位置及高程；(2)建立空间直角坐标系；(3)计算两孔孔口水平距离以及高度差；(4)用测斜仪对两个钻孔从孔口开始沿孔斜等间距进行测斜，得到一系列孔斜数据；(5)孔斜数据转化为空间坐标点；(6)等间距空间CT扫描采集得到一系列射线对；(7)将射线对转化为空间射线对；(8)选取空间射线对组成数据处理数据集R；(9)进行空间平面拟合得到空间平面P；(10)将数据集R中的空间数据点投影到空间平面P中，为空间射线对赋予相应权重；(11)在空间平面中进行CT反演计算，得到相应的成果图像；(12)对成果图像进行地质解释，并反映在空间直角坐标系内。

Description

一种空间倾斜钻孔的CT测试方法

技术领域

本发明涉及工程物探技术领域，尤其涉及一种空间倾斜钻孔的CT测试方法。

背景技术

CT技术在工程勘察、检测中广泛应用，通过对密集的射线对进行反演成像，能够精确刻画地下地质情况。现有技术中，也有一些专利公开了CT技术应用在工程物探方面。

如，申请号为CN201810074239.1的专利申请公开了一种单孔声波联合跨孔CT检测桩身质量和倾斜度的方法，通过在待检测桥桩周围钻4个孔，所述4个钻孔对角线连线均通过所述桥桩的中心线，首先利用单孔声波检测法检测，得出待检测的桥桩是否有断桩、缩颈的质量问题，然后再通过跨孔声波CT层析成像检测法对待检测的桥桩检测，从所述跨孔声波CT层析成像检测得出的色值图观察波速值是否分布连续，并判断待检测的桥桩是否有质量缺陷或结构倾斜的问题。该专利通过单孔声波联合跨孔CT检测桩身质量和倾斜度的方法，在桩基使用过程中即可进行检测，而且无需预埋设备即可检测，同时检测过程不会对桩基造成损伤，操作方便，可行性高。

又如，申请号为CN201911348135.6的专利申请公开了一种运用HDD技术的桩基三维钻孔CT探测方法，确定建筑物底部所采取的桩基类型和桩基数量；在待测桩基周围的设定位置，分别以设定的角度向地下钻入设定深度后，沿水平方向钻孔设定长度，形成桩基三维钻孔；在所述钻孔内铺设导管形成通路，用以施做钻孔CT的布设孔位；利用所述的孔位，根据实际需要布设测线，进行桩基三维钻孔CT检测。该专利运用了目前探测精度和效果最好的地球物理探测手段跨孔电阻率CT，可以在三维平面内进行探测，得到与桩基体最切实有效的地质信息。

虽然有专利公开了CT技术应用在工程物探方面。但是在进行钻孔时，通常进行CT测试，要求两个钻孔为直孔且相互平行，在一个平面内进行成像。然而实际工作中钻孔极易在空间内倾斜，特别是当钻孔较深时，无法保证两钻孔平行。现阶段进行CT测试必须满足钻孔为直孔且相互平行的要求，无法开展对空间倾斜钻孔的CT测试。在对有空间倾斜的钻孔利用传统CT检测方法，无法进行定位和准确成像。且上述现有专利申请中，也并未公开关于空间倾斜的钻孔的CT检测方法。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，旨在解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，包括以下步骤：

一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，包括以下步骤：

步骤(1)：用全站仪对两钻孔的孔口进行测绘，确定各孔口位置及高程；

步骤(2)：选择其中一钻孔为发射孔，另一钻孔为接收孔；并以发射孔孔口为坐标原点，以发射孔和接收孔的连线为X轴，以X轴绕坐标原点逆时针旋转90°为Y轴，以竖直向下为Z轴建立空间直角坐标系；

步骤(3)：计算两孔孔口水平距离L，发射孔孔口与接收孔高度差H；

步骤(4)：用测斜仪对两个钻孔从孔口开始沿孔斜等间距进行测斜，得到一系列孔斜数据；

步骤(5)：根据步骤(2)建立的空间直角坐标系，对步骤(4)采集的孔斜数据转化为空间坐标点；

步骤(6)：对两个钻孔进行等间距空间CT扫描采集得到一系列射线对；

步骤(7)：将步骤(6)中的射线对转化为步骤(2)中直角坐标系中的空间射线对；

步骤(8)：确定需要关注的最小深度Zmin和最大深度Zmax，选取空间射线对组成数据处理数据集R；

步骤(9)：将数据集R中的空间数据进行空间平面拟合，得到空面平面P；

步骤(10)：将数据集R中的空间数据点投影到步骤(9)所得空间平面P中，并根据发射点到平面P的距离

和接收点到平面P的距离

，为空间射线对赋予相应权重，以便后续进行CT反演时根据权重大小取舍射线对；

步骤(11)：在空间平面中进行CT反演计算，得到相应的成果图像；

步骤(12)：对成果图像进行地质解释，并反映在空间直角坐标系内。

优选的，所述采用的CT为声波CT、或电磁波CT。

优选的，所述测斜仪为陀螺测斜仪。

优选的，在步骤(4)中进行测斜数据采集和步骤(6)中进行CT扫描采集间距相同，均沿孔斜等间距采集，测点间距采用T表示。

优选的，在步骤(4)中：

对发射孔进行测斜，得到发射孔的孔斜数据为：(fs₁,fα₁,fβ₁)，(fs₂,fα₂,fβ₂)，(fs₃,fα₃,fβ₃)，…，(fs_i,fα_i,fβ_i)，…，(fs_m,fα_m,fβ_m)；其中：fs_i为发射孔第i个孔斜测点累计斜距，fα_i为发射孔第i个孔斜测点方位角，fβ_i为发射孔第i个孔斜测点倾角，m为发射孔测斜点总数，fs_i＝T*i；

对接收孔进行测斜，得到接收孔的孔斜数据为：(ss₁,sα₁,sβ₁)，(ss₂,sα₂,sβ₂)，(ss₃,sα₃,sβ₃)，…，(ss_j,sα_j,sβ_j)，…，(ss_n,sα_n,sβ_n)。其中：ss_j为接收孔第j个孔斜测点累计斜距，sα_j为接收孔第j个孔斜测点方位角，sβ_j为接收孔第j个孔斜测点倾角，n为接收孔测斜点总数，ss_j＝T*j。

优选的，在步骤(5)中，孔斜数据转化为空间坐标点的转化方法为：

发射孔的测斜数据转化为：(fx₁,fy₁,fz₁)，(fx₂,fy₂,fz₂)，(fx₃,fy₃,fz₃)，......，(fx_i,fy_i,fz_i)，......，(fx_m,fy_m,fz_m)；

其中：fx_i为发射孔第i个孔斜数据在X轴上的分量；fy_i为发射孔第i个孔斜数据在Y轴上的分量；fz_i为发射孔第i个孔斜数据在Z轴上的分量；m为发射孔孔斜数据总数，i为1～m的整数；

接收孔的测斜数据转化为：(sx₁,sy₁,sz₁)，(sx₂,sy₂,sz₂)，(sx₃,sy₃,sz₃)，......，(sx_j,sy_j,sz_j)，......，(sx_n,sy_n,sz_n)；

其中：sx_j为接收孔第j个孔斜数据在X轴上的分量；sy_j为接收孔第j个孔斜数据在Y轴上的分量；sz_j为接收孔第j个孔斜数据在Z轴上的分量；n为接收孔孔斜数据总数，j为1～n的整数。

优选的，在步骤(6)中，进行等间距空间CT扫描采集得到一系列射线对为：

V_ij(fs_i,ss_j,W_ij)，

其表示发射探头在发射孔累计斜距fs_i，接收探头在接收孔累计斜距ss_j处时，采集所得的数据值为W_ij。

优选的，在步骤(7)中，空间射线对表示为：

R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)；

在步骤(8)中，在范围(Zmin-L，Zmax+L)内选取空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)组成数据处理数据集R；其对应的发射孔的最小点位序数为i1，发射孔的最大点位序数为i2；接收孔的最小点位序数为j1，接收孔的最大点位序数为j2；其中，R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)满足条件：

优选的，在步骤(9)中，利用最小二乘法进行空间平面拟合，得到空面平面P为aX+bY+cY+1＝0；其中：

优选的，在步骤(10)中，权重以r(fs_i，ss_j)表示；

其中：

空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)在空间中的长度为：

空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)投影到拟合平面P后的长度为：

对W_ij值根据距离进行修正

得到修正后的射线对数据R'_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W'_ij)；

优选的，反演数据的选择可根据距离权重选取，对射线对点距离拟合平面太远的点应舍弃。所述方位角为测斜仪在空间直角坐标系平面X0Y上的绕X轴逆时针的旋转角度；所述倾角为测斜仪与轴OZ的竖直夹角。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：

通过本发明，提供了一种针对空间斜孔的CT测试方法，能够弥补现阶段只能对竖直平行的钻孔进行CT测试，无法开展对空间倾斜钻孔的CT测试的问题。根据孔斜变化，确定钻孔的空间展布，精确描绘射线对中发射点及接收点的空间位置，并拟合区域测点为一个空间平面，并在该平面内进行成像。以此实现对空间倾斜钻孔的CT测试，并准确反映区域地质情况的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明时提供的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，包括以下步骤：

步骤(1)：用全站仪对两钻孔的孔口进行测绘，确定各孔口位置及高程。

步骤(2)：选择其中一钻孔为发射孔，另一钻孔为接收孔。以发射孔孔口为坐标原点，以发射孔和接收孔的连线为X轴，以X轴绕坐标原点逆时针旋转90°为Y轴，以竖直向下为Z轴建立空间直角坐标系。

步骤(3)：计算两孔孔口水平距离L，发射孔孔口与接收孔高度差H(若发射孔孔口比接收孔孔口高，则H为正值；若发射孔孔口比接收孔孔口低，则H为负值；若发射孔孔口与接收孔孔口等高，则H为0)。

步骤(4)：用测斜仪对两个钻孔从孔口开始沿孔斜等间距T进行测斜，得到一系列孔斜数据。发射孔的孔斜数据为：(fs₁,fα₁,fβ₁)，(fs₂,fα₂,fβ₂)，(fs₃,fα₃,fβ₃)，…，(fs_i,fα_i,fβ_i)，…，(fs_m,fα_m,fβ_m)。其中：fs_i为发射孔第i个孔斜测点累计斜距，fα_i为发射孔第i个孔斜测点方位角，fβ_i为发射孔第i个孔斜测点倾角，m为发射孔测斜点总数，fs_i＝T*i。

接收孔的孔斜数据为：(ss₁,sα₁,sβ₁)，(ss₂,sα₂,sβ₂)，(ss₃,sα₃,sβ₃)，…，(ss_j,sα_j,sβ_j)，…，(ss_n,sα_n,sβ_n)。其中：ss_j为接收孔第j个孔斜测点累计斜距，sα_j为接收孔第j个孔斜测点方位角，sβ_j为接收孔第j个孔斜测点倾角，n为接收孔测斜点总数，ss_j＝T*j。

步骤(5)：根据步骤(2)建立的空间直角坐标系，对步骤(4)采集的孔斜数据转化为空间坐标点。其中发射孔的测斜数据转化为：(fx₁,fy₁,fz₁)，(fx₂,fy₂,fz₂)，(fx₃,fy₃,fz₃)，......，(fx_i,fy_i,fz_i)，......，(fx_m,fy_m,fz_m)。其中fx_i为发射孔第i个孔斜数据在X轴上的分量；fy_i为发射孔第i个孔斜数据在Y轴上的分量；fz_i为发射孔第i个孔斜数据在Z轴上的分量；m为发射孔孔斜数据总数，i为1～m的整数。

接收孔的测斜数据转化为：(sx₁,sy₁,sz₁)，(sx₂,sy₂,sz₂)，(sx₃,sy₃,sz₃)，......，(sx_j,sy_j,sz_j)，......，(sx_n,sy_n,sz_n)。其中：sx_j为接收孔第j个孔斜数据在X轴上的分量；sy_j为接收孔第j个孔斜数据在Y轴上的分量；sz_j为接收孔第j个孔斜数据在Z轴上的分量；n为接收孔孔斜数据总数，j为1～n的整数。

步骤(6)：对两个钻孔进行空间CT扫描，扫描间隔为T，得到一系列射线对V_ij(fs_i,ss_j,W_ij)，其表示发射探头在发射孔累计斜距fs_i，接收探头在接收孔累计斜距ss_j处时，采集所得的数据值为W_ij(声波CT为走时，电磁波CT为衰减系数)。

步骤(7)：将步骤(6)中的射线对转化为步骤(2)中直角坐标系中的空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)。

步骤(8)：确定需要关注的最小深度Zmin和最大深度Zmax。在范围(Zmin-L，Zmax+L)内选取空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)组成数据处理数据集R。其对应的发射孔的最小点位序数为i1，发射孔的最大点位序数为i2；接收孔的最小点位序数为j1，接收孔的最大点位序数为j2。

其中，R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)满足条件：

步骤(9)：将数据集R中的空间数据利用最小二乘法进行空间平面拟合，得到空面平面P为aX+bY+cZ+1＝0。

其中：

步骤(10)：将数据集R中的空间数据点投影到步骤(9)所得空间平面P中，并根据发射点到平面P的距离d_fsi和接收点到平面P的距离d_ssj，为该空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)赋予相应权重r(fs_i，ss_j)，以便后续进行CT反演时根据权重大小取舍射线对。

空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)在空间中的长度为：

空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)投影到拟合平面P后的长度为：

对W_ij值根据距离进行修正

得到修正后的射线对数据R'_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W'_ij)。

步骤(11)：在空间平面中进行CT反演计算，得到相应的成果图像。

步骤(12)：对成果图像进行地质解释，并反映在空间直角坐标系内。

在本实施例中，所述测斜仪为陀螺测斜仪，避免钻孔深部磁性物质等影响测斜精度。所述CT测试为普通的声波CT，电磁波CT等。

在步骤(4)中进行测斜数据采集和步骤(6)中进行CT扫描采集间距相同，均沿孔斜等间距采集，测点间距采用T表示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：用全站仪对两钻孔的孔口进行测绘，确定各孔口位置及高程；

步骤(2)：选择其中一钻孔为发射孔，另一钻孔为接收孔；并以发射孔孔口为坐标原点，以发射孔和接收孔的连线为X轴，以X轴绕坐标原点逆时针旋转90°为Y轴，以竖直向下为Z轴建立空间直角坐标系；

步骤(3)：计算两孔孔口水平距离L，发射孔孔口与接收孔高度差H；

步骤(4)：用测斜仪对两个钻孔从孔口开始沿孔斜等间距进行测斜，得到一系列孔斜数据；

步骤(5)：根据步骤(2)建立的空间直角坐标系，对步骤(4)采集的孔斜数据转化为空间坐标点；

步骤(6)：对两个钻孔进行等间距空间CT扫描采集得到一系列射线对；

步骤(7)：将步骤(6)中的射线对转化为步骤(2)中直角坐标系中的空间射线对；

步骤(8)：确定需要关注的最小深度Zmin和最大深度Zmax，选取空间射线对组成数据处理数据集R；

步骤(9)：将数据集R中的空间数据进行空间平面拟合，得到空面平面P；

步骤(10)：将数据集R中的空间数据点投影到步骤(9)所得空间平面P中，并根据发射点到平面P的距离

和接收点到平面P的距离

为空间射线对赋予相应权重，以便后续进行CT反演时根据权重大小取舍射线对；

步骤(11)：在空间平面中进行CT反演计算，得到相应的成果图像；

步骤(12)：对成果图像进行地质解释，并反映在空间直角坐标系内。

2.如权利要求1所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于：所述采用的CT为声波CT、或电磁波CT。

3.如权利要求1所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于：所述测斜仪为陀螺测斜仪。

4.如权利要求1所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于：在步骤(4)中进行测斜数据采集和步骤(6)中进行CT扫描采集间距相同，均沿孔斜等间距采集，测点间距采用T表示。

5.如权利要求4所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于，在步骤(4)中：

对发射孔进行测斜，得到发射孔的孔斜数据为：(fs₁,fα₁,fβ₁)，(fs₂,fα₂,fβ₂)，(fs₃,fα₃,fβ₃)，…，(fs_i,fα_i,fβ_i)，…，(fs_m,fα_m,fβ_m)；其中：fs_i为发射孔第i个孔斜测点累计斜距，fα_i为发射孔第i个孔斜测点方位角，fβ_i为发射孔第i个孔斜测点倾角，m为发射孔测斜点总数，fs_i＝T*i；

对接收孔进行测斜，得到接收孔的孔斜数据为：(ss₁,sα₁,sβ₁)，(ss₂,sα₂,sβ₂)，(ss₃,sα₃,sβ₃)，…，(ss_j,sα_j,sβ_j)，…，(ss_n,sα_n,sβ_n)。其中：ss_j为接收孔第j个孔斜测点累计斜距，sα_j为接收孔第j个孔斜测点方位角，sβ_j为接收孔第j个孔斜测点倾角，n为接收孔测斜点总数，ss_j＝T*j。

6.如权利要求5所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于，在步骤(5)中，孔斜数据转化为空间坐标点的转化方法为：

发射孔的测斜数据转化为：(fx₁,fy₁,fz₁)，(fx₂,fy₂,fz₂)，(fx₃,fy₃,fz₃)，......，(fx_i,fy_i,fz_i)，......，(fx_m,fy_m,fz_m)；

其中：fx_i为发射孔第i个孔斜数据在X轴上的分量；fy_i为发射孔第i个孔斜数据在Y轴上的分量；fz_i为发射孔第i个孔斜数据在Z轴上的分量；m为发射孔孔斜数据总数，i为1～m的整数；

接收孔的测斜数据转化为：(sx₁,sy₁,sz₁)，(sx₂,sy₂,sz₂)，(sx₃,sy₃,sz₃)，......，(sx_j,sy_j,sz_j)，......，(sx_n,sy_n,sz_n)；

其中：sx_j为接收孔第j个孔斜数据在X轴上的分量；sy_j为接收孔第j个孔斜数据在Y轴上的分量；sz_j为接收孔第j个孔斜数据在Z轴上的分量；n为接收孔孔斜数据总数，j为1～n的整数。

7.如权利要求6所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于，在步骤(6)中，进行等间距空间CT扫描采集得到一系列射线对为：

V_ij(fs_i,ss_j,W_ij)，

其表示发射探头在发射孔累计斜距fs_i，接收探头在接收孔累计斜距ss_j处时，采集所得的数据值为W_ij。

8.如权利要求7所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于，在步骤(7)中，空间射线对表示为：

R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)；

在步骤(8)中，在范围(Zmin-L，Zmax+L)内选取空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)组成数据处理数据集R；其对应的发射孔的最小点位序数为i1，发射孔的最大点位序数为i2；接收孔的最小点位序数为j1，接收孔的最大点位序数为j2；其中，R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)满足条件：

9.如权利要求8所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于：在步骤(9)中，利用最小二乘法进行空间平面拟合，得到空面平面P为aX+bY+cY+1＝0；其中：

10.如权利要求9所述的一种空间倾斜钻孔的CT测试方法，其特征在于：在步骤(10)中，权重以r(fs_i，ss_j)表示；

其中：

空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)在空间中的长度为：

空间射线对R_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W_ij)投影到拟合平面P后的长度为：

对W_ij值根据距离进行修正

得到修正后的射线对数据R'_ij(fx_i，fy_i，fz_i、sx_j，sy_j，sz_j，W'_ij)；

反演数据的选择可根据距离权重选取，对射线对点距离拟合平面太远的点应舍弃。

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