DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.12.027

旋挖钻机钻进入岩判定与地层识别方法

许明^{1, 2}，刘先珊^{1, 2}，周泽宏³，张林⁴，牛万保²，张同乐²

(1. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆，400045；

2. 重庆大学 土木工程学院，重庆，400045；

3. 国家电网重庆市送变电公司，重庆，400039；

4. 国家电网重庆市电力公司，重庆，400015)

摘要：为了提高旋挖钻机施工效率和持力层辨识准确度，采用旋挖钻机钻进过程实时监测系统，对钻进过程中的直测参数和派生参数进行采样和分析，根据钻机工作参数和地层岩土体物理力学参数的固有特性、统计特性，建立钻进过程地层识别系统模型，把地质条件和钻机的工况参数联系起来。研究结果表明：地层结构的变化必然使钻进参数发生变化，进而使旋挖钻机显示出与不同埋置深度地层相适应的动态特征，利用岩土层承载能力评价的特征值——地层比功可概括地反映各类地层的质量好坏，通过与一桩一孔勘察结果进行对比，证明基于随钻参数的持力层判定方法有效。

关键词：旋挖钻机；工况参数；持力层；地层比功

中图分类号：U451⁺.5             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)12-3344-06

Formation identification method based on embedding judgment of rotary drilling rig

XU Ming^{1, 2}, LIU Xianshan^{1, 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)

Abstract: 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.

Key words: rotary drilling rig; drilling parameters; bearing layer; specific energy

旋挖钻机是一种取土成孔灌注桩施工机械，靠钻杆带动回转斗旋转切削岩土，然后提升至孔外卸土的周期性循环作业装备^[1-2]。与传统的冲击或回转钻进、泥浆循环护壁成孔技术相比，旋挖钻进无论从技术、设备上还是成孔工艺上都具有很多优点，广泛应用于中、大口径灌注桩工程和工民建领域^[3-4]。但由于其施工工艺多样、地质条件多变和质量控制的复杂性，决定钻孔灌注桩在成桩质量上有一定的难度。特别是勘测钻孔与实际旋挖钻孔的不对应性造成持力层及嵌岩深度难以控制，是旋挖钻进过程备受关注的关键问题^[5-6]。目前，旋挖钻机入岩判定主要根据钻孔深度是否到达中风化基岩等高线标高进行判别。等高线为根据勘探钻孔资料推测绘制而成，当中风化岩面起伏较大时可能误差较大。如某桩基工程中，孔深34 m就遇到了中等风化基岩，设计孔深是37 m，而钻进施工要按照设计深度终孔，不得不把强度高于或相当于混凝土强度的岩层钻空，然后灌入混凝土，显然是不值得的。某输变电工程中，变电站区处于喀斯特地质区域并且站内桩基全部处于回填区域内，设计桩基最浅应为5 m，最深为12.5 m，而钻到设计深度时岩层较软，尚未穿透至中风化岩层，只好继续“啃”下去，实际终孔深度为6.6~29.7 m，桩基超深、塌孔造成工程风险及经济损失加剧。此外，旋挖钻机入岩判定方法还有根据孔口捞出的岩样特征和钻机振动情况及进尺速度的差异进行判定，但同一地点不同地层的岩渣状态相似，难以准确判定孔口捞出的岩样性质，钻进时效虽能区分岩层坚硬程度，但难分清孤石或是硬夹层、岩体破碎或风化程度。在此，本文作者依据旋挖钻机施工过程中钻进参数随钻检测与控制系统，基于旋挖钻机钻进工况的特性分析，采用地层比功预测模型，把地质条件和钻机的工况参数联系起来，实现对地层的自动识别与归类。

1  基本原理

不同地层由于岩土结构、矿物成分、力学参数等条件不同，岩层钻进速度及阻力等出现差异。地层结构的变化必然使钻进参数发生变化，进而使旋挖钻机显示出与不同埋置深度地层相适应的动态特征。

基于旋挖钻机工作时压力与扭矩的动力传递过程，在旋挖钻机工作循环中的每个钻进阶段，对钻机的钻进参数如钻进压力、回转扭矩、回转速度、进尺速度以及进尺深度等开展随钻检测与自动采集；在此基础上，以传感器为信息源，以信息处理与模式识别的理论技术为核心，根据待识客体(钻机工作参数、岩土体参数)的固有特性、统计特性、结构特性，对不同埋深岩土体参数与钻机工作参数进行处理、分类，构建基于钻进参数的地层识别模型及相应数据库；然后根据一桩一孔样本(即已知其类别归属)，对模型设置期望值进行比较，据此调整阈值，经过反复学习，直到获得理想的输出为止，再用此理想的学习结果去识别未知的客体。

2  主要监测参数

钻机参数是在钻井过程中分析钻进情况的基础数据，以此为依据判断钻井下层的情况，进行分析决策，从而决定是否继续钻井或以何种方式钻井。钻机参数测量原理的恰当与否直接关系到系统的测量精度和系统的稳定性、可靠性，它是整个系统成功的基础^[7-10]。旋挖钻机监测系统可实时显示的钻进参数有钻进深度(由接近开关实现)、发动机扭矩、发动机负载、主泵压力、辅泵压力、钻杆转速(由OMEGA公司的HHT13转速仪进行测量)等多个直测参数和钻进率、扭矩、提升/钻进力、比功等多个派生参数^[11-13]。旋挖钻机直测参数及其派生关系如图1所示。图中，钻进率v_p为掘进深度L_p除以掘进时间，周转速v_c为掘进周长L_c(每钻进循环转数与钻头周长的乘积)除以掘进时间，掘进角tanθ是周转速与钻进率的比值。

图1  旋挖钻机直测参数及其派生关系

Fig. 1  Direct measurement parameters of drilling machine and its derived relationship

3  地层识别模型

3.1  比功数学模型

钻进参数有很多，如何综合各参数的作用，发挥每一种参数的长处进行诊断，是地层自动识别必须解决的问题。

合理的钻进参数是高效钻进的必然条件。钻机的功率为钻机的转速与扭矩的乘积。钻机的转速根据钻孔工艺方法和钻孔直径较易确定。而钻机的扭矩则受多种因素综合影响，如：钻头直径、钻头类型、地层情况、钻孔深度、钻进方法及钻进工艺参数等，而地层情况的影响最为复杂^[14-15]。

旋挖桩施工的最优钻进速度需要针对施工场地的地层条件、钻进方法，控制最优钻进压力、转速来实现。根据钻进工况的特征分析，采用比功法识别地层，其数学模型为

              (1)

式中：e为比功，Pa；F为给进力，N；A为钻孔横截面积，m²；n为转速，r/min；ω为转矩，N·m；v_p为钻进率，m/min。

比功法综合考虑了给进力、转速、转矩、钻进速度、钻孔直径等钻进主要参数，可较好地识别地层。然而给进力、转矩等并非直测参数，需要根据机械和液压传动理论，从发动机工作参数和液压系统参数进行派生计算。

3.2  比功参数计算

3.2.1  转矩的计算

液压泵功率为

               (2)

式中：△p为液压泵的工作压力；Q为液压泵流量，L/min；η_mt为液压泵总效率。

液压马达流量为

              (3)

               (4)

式中：N为液压马达的转速，r/min；q为液压马达的排量，mL/r；η_v为液压马达的容积效率；i₁为动力头减速器传动比；i₂为齿轮传动比。

液压马达的排量为

               (5)

式中：T为液压马达转矩，N·m；η_mm为马达的机械效率。

由式(2)~(5)可得：

        (6)

动力头扭矩为

             (7)

式中：η₁和η₂分别为减速器的传动机械效率和齿轮传动的机械效率。

3.2.2  给进力的计算

液压缸加压力为

           (8)

式中：p为辅泵压力，MPa；p₁为液压泵到液压缸的压力损失，MPa；p₂为液压缸的回油背压，MPa；A₁和A₂分别为液压缸的大腔和小腔面积，mm²。

动力头的总压力为

                (9)

式中：G为最后一节钻杆和钻头的总自重，N。

3.3  地层识别系统的训练方法与步骤

地层识别系统必须通过训练才可能具有联想功能。地层识别系统的训练方法为：

1) 选定样本，以勘测孔附近已知地层结构的钻孔桩为样本，同一场地条件下不应少于3根，且不宜少于总桩数的1%；当工程桩总数在50根以内时，不应少于2根；地层复杂、层位起伏较大的地质条件下样本数量应适当增加。

2) 对选定的桩孔样本，通过旋挖钻机钻进过程实时监测系统，采集钻进过程中的随钻参数，采样频率为3~10 s。

3) 根据比功数学模型，开发地层识别系统软件，实时采集、存储、显示、计算并绘制每桩比功随钻进深度的变化曲线。

4) 利用勘探孔钻阶段的桩孔地质柱状图确定桩孔持力层标高及基岩构造情况，对于两钻孔之间持力层变化特别大地段，辅以地质雷达勘探判定持力层顶板埋深。

5) 将每桩不同深度比功与场地地层结构作为输入输出样本集，对地层识别系统进行训练，即建立比功阈值与地层结构映射关系，通过对不同桩孔样本比功阈值的统计分析，调整不同地层的比功阈值，获得一定保值率与极限误差的置信区间即地层质量比功分级表。地层信息处理与模式识别示意图如图2所示。

6) 经过训练的地层识别系统，对于不是样本集中的输入也能给出合适的输出，即相同场地的其他机械钻孔桩，只需要根据随钻参数计算出比功，通过泛化功能就能预测钻头所到达的地层类型。

图2  地层信息与比功识别系统

Fig. 2  Formation information and specific energy identification system

4  持力层基岩比功分级

4.1  工程地质条件

江津东海110 kV输变电工程场地位于重庆市江津区白沙镇白沙工业园内，长约96 m、宽约51.80 m。场地原始地形属剥蚀浅丘地貌及河流侵蚀沟谷地貌。平整场地后，在场地东南角及西北为填方地段，采用人工机械抛填并进行强夯处理，填土厚度为0~21.3 m，局部基岩出露，平场标高为303.0~305.0 m。

场地地层为内陆河湖相沉积，岩土层划分为上覆第四系全新统素填土(Q₄^ml)、粉质黏土(Q₄^dl+el)，下伏侏罗系中统沙溪庙组(J_2S)泥岩与砂岩互层分布。

粉质黏土质较纯，可塑状，韧性中等，干强度中等，天然重度19.9 kN/m³，饱和重度20.0 kN/m³。经强夯或压实堆填的素填土地基承载力特征值可取150 kPa。基岩强风化带岩芯破碎，厚度薄，强度较低，不宜利用；中等风化基岩岩体较完整，结构构造清晰，岩体为层状结构，是良好的基础持力层。中等风化砂质泥岩重度24.1 kN/m³，天然单轴抗压强度标准值5.2 MPa，饱和单轴抗压强度标准值3.2 MPa，地基承载力特征值1716 kPa。

4.2  基础形式

因场地回填土厚薄不均，拟建变电站设备、构架、围墙、二次设备间等构筑物基础均采用嵌岩桩基础，设计桩径600~800 mm，共142根，以中风化基岩作为持力层，并嵌入中风化基岩1~3倍桩径。勘探线、点沿建筑物周边及平行柱列线布置，勘探孔间距为14~24 m，共布置15个钻孔。

4.3  钻进参数及比功

所有嵌岩桩中有10根桩在已知地层属性的勘探孔旁，以此10根桩作为样本集，通过旋挖钻机钻进过程实时监测系统获取钻进阶段的钻进参数，并计算比功随钻进深度的实时变化曲线，以ZY15勘测孔附近构架基础3号桩为例，其比功-深度曲线如图3所示。

图3  样本桩比功与深度的关系

Fig. 3  Relationship between specific energy and depth of sampling piles

将样本集10根桩钻机工作参数和地层参数作为输入输出样本集，建立基于钻进参数的地层识别函数及相应数据库，在此基础上，对地层分界的比功阈值进行统计分析，确定保值率在95%时的比功阈值和置信区间(见表1)。

表1  地层质量比功分级表

Table 1  Specific energy classification of formation quality

表2  构架基础12和13号桩进入持力层的随钻参数

Table 2  Drilling parameters of frame foundation No.12 and No.13 in bearing stratum

地层质量比功分级表可概括地反映各类地层的质量，预测旋挖钻机标准钻进工况的进尺阻力和回转阻力矩，让旋挖钻机在钻进过程中自动地根据地质情况实时对结构配置参数和运行参数进行智能化调整，提高施工效率和持力层辨识准确度，实现旋挖作业的高效节能。

5  旋挖钻机钻进过程地层识别

地层比功预测模型是在总结分析现有持力层判定方法及大量工程实践的基础上，根据对影响钻进参数诸多因素的分析，认为旋挖钻机的给进力、转矩、转速、钻进速度、钻孔直径等参数所决定的地层比功，是地层固有的属性，是同一施工场地岩土层承载能力评价的特征值。地层基本质量好，则比功大；反之，比功小。在对同一场地样本集外其他桩位持力层进行评价时，只需要计算出地层的比功，就可以对地层信息及埋置深度进行预测。

为验证地层识别系统的有效性，对站内其他68根旋挖桩随钻参数实施动态监测，并计算比功随钻进深度的实时变化曲线。以构架基础12号桩和13号桩为例，钻深10.0 m时随钻参数如表2所示，比功-深度曲线如图4所示。由图4可见：在进尺8.5 m深度处，12号桩的比功达到60 MPa，钻头抵达岩层；在10.0 m深度处，13号桩的比功达到100 MPa，应为中风化持力层。根据场地勘察资料，结合超前钻探、试桩取土观察、钻孔钻进速度分析及对比成孔负载功率等分析方法，对68根旋挖桩地层比功预测结果进行校核，持力层判断的准确率高于95%。上述一桩一孔样本建立的比功-地层置信区间，经过大量桩孔的反复调整、验证，可获得地层理想的预测输出。

地层识别过程中，旋挖桩成孔作业应使用同一钻具，即桩孔的成孔方式、钻机及钻头类型应保持不变。基于随钻参数的旋挖钻机入岩判定方法既适用于基岩面起伏不大、无岩溶的地区，也适用于中风化岩面起伏较大、基岩顶板标高等值线坡度较大时，判断端承桩是否进入中风化岩和是否到达持力层，实现了旋挖施工从由事后应急、被动防范向事前预测、主动决策的转型。

图4  预测桩比功随深度的变化

Fig. 4  Relationship between specific energy and depth of predicted piles

6  结论

1) 地层结构的变化作用于旋挖钻机的负载敏感控制系统，必然使旋挖钻机钻进参数发生变化，进而使旋挖钻机显示出与不同埋置深度地层相适应的动态特征。

2) 比功法综合考虑了地层条件、钻进方法及钻进工艺参数，能够较好地进行地层识别和持力层判定。根据一桩一勘察孔样本，建立钻进过程与岩层力学特性的地质适应性模型，根据积累的经验数据不断完善不同地层的比功置信区间，即可用此理想的学习结果去识别同一场地的其他桩位持力层。

3) 以地层比功值为依据的旋挖钻机入岩判定方法，通过旋挖钻机的一些简单和容易实测的指标，把钻进参数和地层信息联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等成功与失败方面的经验教训，可对地层进行自动识别与归类。

参考文献：

[1] Q/GDW 11388—2015, 输电线路专用旋挖钻机[S].

Q/GDW 11388—2015, Special rotary drilling rig in transmission line[S].

[2] 国家电网基建部. 专用旋挖钻机应用标准化手册[R]. 北京: 国家电网公司, 2015.

Infrastructure Department of State Grid Corporation of China. Standard manual for application of special rotary drilling rig[R]. Beijing: State Grid Corporation of China, 2015.

[3] 姚亚峰, 王贺剑, 凡东, 等. ZDY1200L 型履带式全液压坑道钻机的研制[J]. 煤田地质与勘探, 2010, 38(1): 76-80.

YAO Yafeng, WANG Hejian, FAN Dong, et al. Development of the ZDY1200L track-mounted hydraulic tunnel drilling rig[J]. Coal Geology & Exploration, 2010, 38(1): 76-80.

[4] 殷新胜, 姚宁平, 陈跟马, 等. ZDY6000L 型履带式全液压坑道钻机液压系统设计[J]. 煤田地质与勘探, 2007, 35(3): 77-80.

YIN Xinsheng, YAO Ningping, CHEN Genma, et al. Design of hydraulic system of ZDY6000L track-mounted tunnel drilling rig[J]. Coal Geology & Exploration, 2007, 35(3): 77-80.

[5] 邹泓荣. 复杂地层中钻(冲)孔桩终孔误判的可能性分析[J]. 建筑技术, 2002, 33(4): 263-264.

ZOU Hongrong. Wrong judgement probability analysis of final hole in boring hole piling in complicated strata[J]. Architecture Technology, 2002, 33(4): 263-264.

[6] 刘政治. 嵌岩钻孔灌注桩入岩判定[J]. 施工技术, 2009, 38(S1): 107-110.

LIU Zhengzhi, Analysis of embedding rock decision of rock-socketed cast-in-place pile[J]. Construction Technology, 2009, 38(S1): 107-110.

[7] 补家武, 补生蓉, 李吉春. WZY-1 型钻参仪的研究与应用[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2003, 30(2): 36-37.

BU Jiawu, BU Shengrong, LI Jichun. The application of and research on WZY-1 drilling parameter apparatus[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling & Tunneling), 2003, 30(2): 36-37.

[8] 方俊, 鄢泰宁, 卢春华. 钻参仪参数检测原理及传感器选型安装[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2010, 37(4): 1-5.

FANG Jun, YAN Taining, LU Chunhua. Parameter detection principle of CUG-2 drilling parameter monitor and lectotype installation of the senor[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling & Tunneling), 2010, 37(4): 1-5.

[9] 赵大军, 李文华, 孙友宏, 等. 工程地球物理勘探随钻测量钻机的研制[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(1): 144-149.

ZHAO Dajun, LI Wenhua, SUN Youhong, et al. Research on engineering geophysical exploration MWD drilling rig[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2012, 42(1): 144-149.

[10] 焦阳, 凌振宝, 王君, 等. 基于单片机的钻机参数监测仪的研制[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2008, 38(1): 172-176.

JIAO Yang, LING Zhenbao, WANG Jun, et al. Development of minitor for driller parameters based on single chip- microcomputer[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2008, 38(1): 172-176.

[11] 邵春, 张杰, 鄢泰宁. 一种基于全液压动力头钻机的钻进参数检测方法[J]. 煤田地质与勘探, 2011, 39(3): 77-80.

SHAO Chun, ZHANG Jie, YAN Taining. A drilling parameter detection method based on hydraulic top-driving rig[J]. Coal Geology & Exploration, 2011, 39(3): 77-80.

[12] 秦永和, 付胜利, 高德利. 大位移井摩阻扭矩力学分析新模型[J]. 天然气工业, 2006, 26(11): 77-79.

QIN Yonghe, FU Shengli, GAO Deli. A new model for analyzing torque and drag in extend reach wells[J]. Natural Gas Industry, 2006, 26(11): 77-79.

[13] 刘银, 曹国宏, 鲍亮, 等. 微扭矩检测传感器的研究与实践[J]. 煤矿机械, 2012, 33(7): 92-94.

LIU Yin, CAO Guohong, BAO Liang, et al. Research and practice on sensor of detecting micro torque[J]. Coal Mine Machinery, 2012, 33(7): 92-94.

[14] 张莉. 卵砾石不稳定地层的钻探技术浅析[J]. 城市勘测, 2000(3): 5-8.

ZHANG Li. Drilling technology of unsteady gravel formation[J]. Urban Geotechnical Investigation & Surveying, 2000(3): 5-8.

[15] 杜卫, 李利伟. 卵砾石土层的破碎与钻进方法[J]. 西部探矿工程, 2002(4): 86-87.

DU Wei, LI Liwei. Crush and drilling method of gravel formation[J]. West-china Exploration Engineering, 2002(4): 86-87.

(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-12-25；修回日期：2017-04-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51478065)；中央高校基本科研业务费项目(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)

通信作者：许明，博士，副教授，从事岩土工程研究；E-mail：foretech@163.com