許明，劉先珊，周澤宏，張林，牛萬保，張同樂

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旋挖鉆機鉆進入巖判定與地層識別方法

許明1, 2，劉先珊1, 2，周澤宏3，張林4，牛萬保2，張同樂2

(1. 重慶大學 山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室， 重慶，400045； 2. 重慶大學 土木工程學院， 重慶， 400045； 3. 國家電網重慶市送變電公司， 重慶， 400039； 4. 國家電網重慶市電力公司 ， 重慶， 400015)

為了提高旋挖鉆機施工效率和持力層辨識準確度，采用旋挖鉆機鉆進過程實時監(jiān)測系統(tǒng)，對鉆進過程中的直測參數(shù)和派生參數(shù)進行采樣和分析，根據(jù)鉆機工作參數(shù)和地層巖土體物理力學參數(shù)的固有特性、統(tǒng)計特性，建立鉆進過程地層識別系統(tǒng)模型，把地質條件和鉆機的工況參數(shù)聯(lián)系起來。研究結果表明：地層結構的變化必然使鉆進參數(shù)發(fā)生變化，進而使旋挖鉆機顯示出與不同埋置深度地層相適應的動態(tài)特征，利用巖土層承載能力評價的特征值——地層比功可概括地反映各類地層的質量好壞，通過與一樁一孔勘察結果進行對比，證明基于隨鉆參數(shù)的持力層判定方法有效。

旋挖鉆機；工況參數(shù)；持力層；地層比功

旋挖鉆機是一種取土成孔灌注樁施工機械，靠鉆桿帶動回轉斗旋轉切削巖土，然后提升至孔外卸土的周期性循環(huán)作業(yè)裝備[1?2]。與傳統(tǒng)的沖擊或回轉鉆進、泥漿循環(huán)護壁成孔技術相比，旋挖鉆進無論從技術、設備上還是成孔工藝上都具有很多優(yōu)點，廣泛應用于中、大口徑灌注樁工程和工民建領域[3?4]。但由于其施工工藝多樣、地質條件多變和質量控制的復雜性，決定鉆孔灌注樁在成樁質量上有一定的難度。特別是勘測鉆孔與實際旋挖鉆孔的不對應性造成持力層及嵌巖深度難以控制，是旋挖鉆進過程備受關注的關鍵問 題[5?6]。目前，旋挖鉆機入巖判定主要根據(jù)鉆孔深度是否到達中風化基巖等高線標高進行判別。等高線為根據(jù)勘探鉆孔資料推測繪制而成，當中風化巖面起伏較大時可能誤差較大。如某樁基工程中，孔深34 m就遇到了中等風化基巖，設計孔深是37 m，而鉆進施工要按照設計深度終孔，不得不把強度高于或相當于混凝土強度的巖層鉆空，然后灌入混凝土，顯然是不值得的。某輸變電工程中，變電站區(qū)處于喀斯特地質區(qū)域并且站內樁基全部處于回填區(qū)域內，設計樁基最淺應為5 m，最深為12.5 m，而鉆到設計深度時巖層較軟，尚未穿透至中風化巖層，只好繼續(xù)“啃”下去，實際終孔深度為6.6~29.7 m，樁基超深、塌孔造成工程風險及經濟損失加劇。此外，旋挖鉆機入巖判定方法還有根據(jù)孔口撈出的巖樣特征和鉆機振動情況及進尺速度的差異進行判定，但同一地點不同地層的巖渣狀態(tài)相似，難以準確判定孔口撈出的巖樣性質，鉆進時效雖能區(qū)分巖層堅硬程度，但難分清孤石或是硬夾層、巖體破碎或風化程度。在此，本文作者依據(jù)旋挖鉆機施工過程中鉆進參數(shù)隨鉆檢測與控制系統(tǒng)，基于旋挖鉆機鉆進工況的特性分析，采用地層比功預測模型，把地質條件和鉆機的工況參數(shù)聯(lián)系起來，實現(xiàn)對地層的自動識別與歸類。

1 基本原理

不同地層由于巖土結構、礦物成分、力學參數(shù)等條件不同，巖層鉆進速度及阻力等出現(xiàn)差異。地層結構的變化必然使鉆進參數(shù)發(fā)生變化，進而使旋挖鉆機顯示出與不同埋置深度地層相適應的動態(tài)特征。

基于旋挖鉆機工作時壓力與扭矩的動力傳遞過程，在旋挖鉆機工作循環(huán)中的每個鉆進階段，對鉆機的鉆進參數(shù)如鉆進壓力、回轉扭矩、回轉速度、進尺速度以及進尺深度等開展隨鉆檢測與自動采集；在此基礎上，以傳感器為信息源，以信息處理與模式識別的理論技術為核心，根據(jù)待識客體(鉆機工作參數(shù)、巖土體參數(shù))的固有特性、統(tǒng)計特性、結構特性，對不同埋深巖土體參數(shù)與鉆機工作參數(shù)進行處理、分類，構建基于鉆進參數(shù)的地層識別模型及相應數(shù)據(jù)庫；然后根據(jù)一樁一孔樣本(即已知其類別歸屬)，對模型設置期望值進行比較，據(jù)此調整閾值，經過反復學習，直到獲得理想的輸出為止，再用此理想的學習結果去識別未知的客體。

2 主要監(jiān)測參數(shù)

鉆機參數(shù)是在鉆井過程中分析鉆進情況的基礎數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)判斷鉆井下層的情況，進行分析決策，從而決定是否繼續(xù)鉆井或以何種方式鉆井。鉆機參數(shù)測量原理的恰當與否直接關系到系統(tǒng)的測量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，它是整個系統(tǒng)成功的基礎[7?10]。旋挖鉆機監(jiān)測系統(tǒng)可實時顯示的鉆進參數(shù)有鉆進深度(由接近開關實現(xiàn))、發(fā)動機扭矩、發(fā)動機負載、主泵壓力、輔泵壓力、鉆桿轉速(由OMEGA公司的HHT13轉速儀進行測量)等多個直測參數(shù)和鉆進率、扭矩、提升/鉆進力、比功等多個派生參數(shù)[11?13]。旋挖鉆機直測參數(shù)及其派生關系如圖1所示。圖中，鉆進率p為掘進深度p除以掘進時間，周轉速c為掘進周長c(每鉆進循環(huán)轉數(shù)與鉆頭周長的乘積)除以掘進時間，掘進角tan是周轉速與鉆進率的比值。

圖1 旋挖鉆機直測參數(shù)及其派生關系

3 地層識別模型

3.1 比功數(shù)學模型

鉆進參數(shù)有很多，如何綜合各參數(shù)的作用，發(fā)揮每一種參數(shù)的長處進行診斷，是地層自動識別必須解決的問題。

合理的鉆進參數(shù)是高效鉆進的必然條件。鉆機的功率為鉆機的轉速與扭矩的乘積。鉆機的轉速根據(jù)鉆孔工藝方法和鉆孔直徑較易確定。而鉆機的扭矩則受多種因素綜合影響，如：鉆頭直徑、鉆頭類型、地層情況、鉆孔深度、鉆進方法及鉆進工藝參數(shù)等，而地層情況的影響最為復雜[14?15]。

旋挖樁施工的最優(yōu)鉆進速度需要針對施工場地的地層條件、鉆進方法，控制最優(yōu)鉆進壓力、轉速來實現(xiàn)。根據(jù)鉆進工況的特征分析，采用比功法識別地層，其數(shù)學模型為

式中：為比功，Pa；為給進力，N；為鉆孔橫截面積，m2；為轉速，r/min；為轉矩，N?m；p為鉆進率，m/min。

比功法綜合考慮了給進力、轉速、轉矩、鉆進速度、鉆孔直徑等鉆進主要參數(shù)，可較好地識別地層。然而給進力、轉矩等并非直測參數(shù)，需要根據(jù)機械和液壓傳動理論，從發(fā)動機工作參數(shù)和液壓系統(tǒng)參數(shù)進行派生計算。

3.2 比功參數(shù)計算

3.2.1 轉矩的計算

液壓泵功率為

式中：Δ為液壓泵的工作壓力；為液壓泵流量，L/min；mt為液壓泵總效率。

液壓馬達流量為

式中：為液壓馬達的轉速，r/min；為液壓馬達的排量，mL/r；v為液壓馬達的容積效率；1為動力頭減速器傳動比；2為齒輪傳動比。

液壓馬達的排量為

式中：為液壓馬達轉矩，N?m；mm為馬達的機械 效率。

由式(2)~(5)可得：

動力頭扭矩為

式中：1和2分別為減速器的傳動機械效率和齒輪傳動的機械效率。

3.2.2 給進力的計算

液壓缸加壓力為

式中：為輔泵壓力，MPa；1為液壓泵到液壓缸的壓力損失，MPa；2為液壓缸的回油背壓，MPa；1和2分別為液壓缸的大腔和小腔面積，mm2。

動力頭的總壓力為

式中：為最后一節(jié)鉆桿和鉆頭的總自重，N。

3.3 地層識別系統(tǒng)的訓練方法與步驟

地層識別系統(tǒng)必須通過訓練才可能具有聯(lián)想功能。地層識別系統(tǒng)的訓練方法為：

1) 選定樣本，以勘測孔附近已知地層結構的鉆孔樁為樣本，同一場地條件下不應少于3根，且不宜少于總樁數(shù)的1%；當工程樁總數(shù)在50根以內時，不應少于2根；地層復雜、層位起伏較大的地質條件下樣本數(shù)量應適當增加。

2) 對選定的樁孔樣本，通過旋挖鉆機鉆進過程實時監(jiān)測系統(tǒng)，采集鉆進過程中的隨鉆參數(shù)，采樣頻率為3~10 s。

3) 根據(jù)比功數(shù)學模型，開發(fā)地層識別系統(tǒng)軟件，實時采集、存儲、顯示、計算并繪制每樁比功隨鉆進深度的變化曲線。

4) 利用勘探孔鉆階段的樁孔地質柱狀圖確定樁孔持力層標高及基巖構造情況，對于兩鉆孔之間持力層變化特別大地段，輔以地質雷達勘探判定持力層頂板埋深。

5) 將每樁不同深度比功與場地地層結構作為輸入輸出樣本集，對地層識別系統(tǒng)進行訓練，即建立比功閾值與地層結構映射關系，通過對不同樁孔樣本比功閾值的統(tǒng)計分析，調整不同地層的比功閾值，獲得一定保值率與極限誤差的置信區(qū)間即地層質量比功分級表。地層信息處理與模式識別示意圖如圖2所示。

6) 經過訓練的地層識別系統(tǒng)，對于不是樣本集中的輸入也能給出合適的輸出，即相同場地的其他機械鉆孔樁，只需要根據(jù)隨鉆參數(shù)計算出比功，通過泛化功能就能預測鉆頭所到達的地層類型。

圖2 地層信息與比功識別系統(tǒng)

4 持力層基巖比功分級

4.1 工程地質條件

江津東海110kV輸變電工程場地位于重慶市江津區(qū)白沙鎮(zhèn)白沙工業(yè)園內，長約96 m、寬約51.80 m。場地原始地形屬剝蝕淺丘地貌及河流侵蝕溝谷地貌。平整場地后，在場地東南角及西北為填方地段，采用人工機械拋填并進行強夯處理，填土厚度為0~21.3 m，局部基巖出露，平場標高為303.0~305.0m。

場地地層為內陸河湖相沉積，巖土層劃分為上覆第四系全新統(tǒng)素填土(Q4ml)、粉質黏土(Q4dl+el)，下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2S)泥巖與砂巖互層分布。

粉質黏土質較純，可塑狀，韌性中等，干強度中等，天然重度19.9kN/m3，飽和重度20.0kN/m3。經強夯或壓實堆填的素填土地基承載力特征值可取150kPa?；鶐r強風化帶巖芯破碎，厚度薄，強度較低，不宜利用；中等風化基巖巖體較完整，結構構造清晰，巖體為層狀結構，是良好的基礎持力層。中等風化砂質泥巖重度24.1kN/m3，天然單軸抗壓強度標準值5.2MPa，飽和單軸抗壓強度標準值3.2MPa，地基承載力特征值1716kPa。

4.2 基礎形式

因場地回填土厚薄不均，擬建變電站設備、構架、圍墻、二次設備間等構筑物基礎均采用嵌巖樁基礎，設計樁徑600~800 mm，共142根，以中風化基巖作為持力層，并嵌入中風化基巖1~3倍樁徑?？碧骄€、點沿建筑物周邊及平行柱列線布置，勘探孔間距為14~24 m，共布置15個鉆孔。

4.3 鉆進參數(shù)及比功

所有嵌巖樁中有10根樁在已知地層屬性的勘探孔旁，以此10根樁作為樣本集，通過旋挖鉆機鉆進過程實時監(jiān)測系統(tǒng)獲取鉆進階段的鉆進參數(shù)，并計算比功隨鉆進深度的實時變化曲線，以ZY15勘測孔附近構架基礎3號樁為例，其比功?深度曲線如圖3所示。

圖3 樣本樁比功與深度的關系

將樣本集10根樁鉆機工作參數(shù)和地層參數(shù)作為輸入輸出樣本集，建立基于鉆進參數(shù)的地層識別函數(shù)及相應數(shù)據(jù)庫，在此基礎上，對地層分界的比功閾值進行統(tǒng)計分析，確定保值率在95%時的比功閾值和置信區(qū)間(見表1)。

表1 地層質量比功分級表

注：表中比功數(shù)據(jù)源自中聯(lián)重科ZR220A型旋挖鉆機選配機鎖加壓桿和截齒筒鉆，設計孔徑600~800 mm，括號中數(shù)值為比功均值。

表2 構架基礎12和13號樁進入持力層的隨鉆參數(shù)

地層質量比功分級表可概括地反映各類地層的質量，預測旋挖鉆機標準鉆進工況的進尺阻力和回轉阻力矩，讓旋挖鉆機在鉆進過程中自動地根據(jù)地質情況實時對結構配置參數(shù)和運行參數(shù)進行智能化調整，提高施工效率和持力層辨識準確度，實現(xiàn)旋挖作業(yè)的高效節(jié)能。

5 旋挖鉆機鉆進過程地層識別

地層比功預測模型是在總結分析現(xiàn)有持力層判定方法及大量工程實踐的基礎上，根據(jù)對影響鉆進參數(shù)諸多因素的分析，認為旋挖鉆機的給進力、轉矩、轉速、鉆進速度、鉆孔直徑等參數(shù)所決定的地層比功，是地層固有的屬性，是同一施工場地巖土層承載能力評價的特征值。地層基本質量好，則比功大；反之，比功小。在對同一場地樣本集外其他樁位持力層進行評價時，只需要計算出地層的比功，就可以對地層信息及埋置深度進行預測。

為驗證地層識別系統(tǒng)的有效性，對站內其他68根旋挖樁隨鉆參數(shù)實施動態(tài)監(jiān)測，并計算比功隨鉆進深度的實時變化曲線。以構架基礎12號樁和13號樁為例，鉆深10.0 m時隨鉆參數(shù)如表2所示，比功?深度曲線如圖4所示。由圖4可見：在進尺8.5 m深度處，12號樁的比功達到60 MPa，鉆頭抵達巖層；在10.0 m深度處，13號樁的比功達到100 MPa，應為中風化持力層。根據(jù)場地勘察資料，結合超前鉆探、試樁取土觀察、鉆孔鉆進速度分析及對比成孔負載功率等分析方法，對68根旋挖樁地層比功預測結果進行校核，持力層判斷的準確率高于95%。上述一樁一孔樣本建立的比功?地層置信區(qū)間，經過大量樁孔的反復調整、驗證，可獲得地層理想的預測輸出。

地層識別過程中，旋挖樁成孔作業(yè)應使用同一鉆具，即樁孔的成孔方式、鉆機及鉆頭類型應保持不變。基于隨鉆參數(shù)的旋挖鉆機入巖判定方法既適用于基巖面起伏不大、無巖溶的地區(qū)，也適用于中風化巖面起伏較大、基巖頂板標高等值線坡度較大時，判斷端承樁是否進入中風化巖和是否到達持力層，實現(xiàn)了旋挖施工從由事后應急、被動防范向事前預測、主動決策的轉型。

(a) 構架12號樁；(b) 構架13號樁

6 結論

1) 地層結構的變化作用于旋挖鉆機的負載敏感控制系統(tǒng)，必然使旋挖鉆機鉆進參數(shù)發(fā)生變化，進而使旋挖鉆機顯示出與不同埋置深度地層相適應的動態(tài)特征。

2) 比功法綜合考慮了地層條件、鉆進方法及鉆進工藝參數(shù)，能夠較好地進行地層識別和持力層判定。根據(jù)一樁一勘察孔樣本，建立鉆進過程與巖層力學特性的地質適應性模型，根據(jù)積累的經驗數(shù)據(jù)不斷完善不同地層的比功置信區(qū)間，即可用此理想的學習結果去識別同一場地的其他樁位持力層。

3) 以地層比功值為依據(jù)的旋挖鉆機入巖判定方法，通過旋挖鉆機的一些簡單和容易實測的指標，把鉆進參數(shù)和地層信息聯(lián)系起來，并借鑒已建工程設計、施工和處理等成功與失敗方面的經驗教訓，可對地層進行自動識別與歸類。

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(編輯 趙俊)

Formation identification method based on embedding judgment of rotary drilling rig

XU Ming1, 2, LIU Xianshan1, 2, ZHOU Zehong3, ZHANG Lin4, NIU Wanbao2, ZHANG Tongle2

(1. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 3. State Grid Chongqing Transmission and Transformation Co. Ltd, Chongqing 400039, China; 4. State Grid Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400015, China)

In order to improve the efficiency of the construction and increase the identification accuracy of bearing layer, the direct measurement parameters and the derivation parameters of rotary drilling rig were recorded and analyzed using real time monitoring system for drilling process. The drilling parameters and the physical and mechanical stratum parameters reveal inherent characteristics and statistical properties. The formation identification system relating geological conditions with the parameters of drilling was proposed. The results show that the drilling parameters definitely change with the variation of stratigraphic structure. The rotary rig shows different dynamic characteristics according to different embedded depths. All kinds of strata can be reflected in general based on specific energy to evaluate the bearing capacity. Compared with the survey results, the formation identification method based on drilling parameters of rotary drilling rig has been proved to be effective.

rotary drilling rig; drilling parameters; bearing layer; specific energy

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.027

U451+.5

A

1672?7207(2017)12?3344?06

2016?12?25；

2017?04?22

國家自然科學基金資助項目(51478065)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目(106112014CDJZR200015，106112014CDJZR200014)(Project(51478065) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects (106112014CDJZR200015, 106112014CDJZR200014) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

許明，博士，副教授，從事巖土工程研究；E-mail：foretech@163.com