工程地質勘察鉆孔參數的隨鉆智能測量系統★

徐 軍，陳 凡，劉豐富，陳艮省，陳 立，朱可樂

(1.溫州市勘察測繪研究院有限公司,浙江 溫州 325035; 2.溫州理工學院,浙江 溫州 325035)

為確保工程勘察質量,保障工程、人身、財產和公共安全,保護生態環境,滿足工程監督管理的基本需求,住房和城鄉建設部標準定額研究所已正式發布GB 55017—2021工程勘察通用規范[1]。此規范明確要求勘察成果必須真實反映工程地質條件,準確查明不良地質作用,并提供資料完整、結構合理、評價可靠、結論可行的勘察報告。在地基基礎工程勘察工作中,工程地質鉆探占據核心地位。為確保場地和地基的穩定性評估準確,規范中對勘探點的水平位置和鉆探深度設定了嚴格的標準[2-3]。具體而言,勘探點在平面上應能覆蓋建筑物的地基范圍,并滿足規定的鉆孔數量。控制性鉆孔的深度需滿足穩定性分析和變形計算的要求,而一般勘探孔的深度則需滿足承載力評價的需求[4]。

由此可見,勘察鉆孔平面位置和深度的質量保障在建筑設計過程中起到至關重要的作用,是確保工程質量的基礎要素。2002年國務院發布的《地質資料管理條例》確立了地質資料的“統一匯交”制度。這一條例的實施對于加強地質資料管理、充分發揮地質資料作用以及保護地質資料匯交人的合法權益等方面具有深遠的意義。地質資料匯交的質量直接關系到管理的成敗,以及地質體認識的正確性。同時,由于原始地質資料可被重復利用,這也關系到地質體認識的傳導[5-6]。因此,對地質資料的再開發利用是十分必要的。

為了確保工程勘察鉆孔地質資料的質量,本文提出了一種創新的鉆孔參數智能測量系統。這一系統設計獨特,僅需在鉆柱頂端安裝專門的儀器。這個儀器不僅具備接收衛星定位信號的能力,而且能夠采集到重要的振動信號。該系統具備高度感知和判斷能力,能夠實時監測鉆機的工作狀態。一旦確定鉆機處于正常的鉆進條件,系統將通過衛星定位系統精確確定鉆機的平面位置。同時,系統利用鉆柱內傳播的振動信號進行回波探測,精確確定鉆柱的長度。此外,鉆進速度的變化也能被系統所捕捉,為大致判斷土層強度提供重要參考。這一智能測量系統的應用,不僅可以大大提高工程勘察的效率和精度,而且為地質資料的質量把控提供了強有力的技術支持。通過這一系統,我們能夠更準確、更快速地獲取關鍵的鉆孔參數信息,為工程項目的順利進行提供了重要保障。

1 地質勘察資料的管理現狀

自1958年起,我國開始對地質勘察資料進行集中統一管理。當年,地質部發布了《全國地質資料匯交暫行辦法》,并在1962年得到國務院批準,由地質部發布施行。此舉旨在集中管理全國各部門所取得的各種地質資料,并使其在國民經濟建設、科學研究和教學工作中發揮應有的作用。

1988年,國務院批準地質礦產部發布了新的《全國地質資料匯交管理辦法》。新辦法不僅繼續強化對地質資料的管理,而且更加強調充分發揮其在社會主義現代化建設中的作用。2002年,國務院發布了《地質資料管理條例》,該條例不僅繼續強調對地質資料的管理和發揮其作用,同時也開始注重保護地質資料匯交人的合法權益。

在2002年條例實施前,原始地質資料由承擔地質勘查工作的地勘單位負責保管。自2002年起,根據國家規定,這些原始資料應依法進行匯交。然而,由于國家、省級地質資料館藏條件的限制,原始地質資料目前仍保存在原地勘單位。

為進一步加強原始地質資料的管理,國土資源部辦公廳于2012年發出《關于進一步加強原始地質資料管理的通知》,明確指出“原始地質資料必須依法匯交”。目前施行的《地質資料管理條例》是2017年的修訂版。

此外,各地方也結合本地實際情況制定了相應的地質資料管理條例。近年來,隨著城市基礎建設的快速發展和數字技術、智慧城市的日新月異,對地質勘察數據匯交提出了新的要求。例如,杭州市制定了《杭州市工程建設項目地質勘察數據匯交管理規定》,旨在充分發揮地質資料在規劃、建設、安全管理中的基礎支撐作用,通過共建共享地質數據資源,建立城市地質數據庫,為智慧城市建設提供服務,輔助政府決策,促進資源的有效利用。溫州市人民政府辦公室也于2023年印發了《溫州市工程建設項目地質資料管理暫行辦法》。

2 工程勘察資料再管理的意義與困難

工程勘察地質資料的匯交、保管和利用,對于充分發揮工程地質資料在規劃、建設、安全管理中的基礎支撐作用至關重要。通過共建共享勘察數據資源,我們能夠建立城市地質數據庫,進一步挖掘數字潛力,促進資源有效利用[7-9]。為確保資料匯交的質量,必須首先確保資料本身的可靠性。目前,由于資料來自各個勘察單位,鉆孔和錄井工作往往由各種工程隊完成,這使得資料的可靠性、標準化都缺乏保障手段。如果資料本身不可靠,匯交資料共享數據庫的價值將大打折扣。因此,我們必須高度重視地質資料匯交的質量,因為這不僅關系到管理的成敗,還關系到對一個地質體的正確認識,而且由于原始地質資料可被重復利用,也關系到對地質體認識的傳導[10-12]。

針對工程鉆探資料常見的質量問題,如鉆孔深度不足、鉆孔數量不夠、鉆孔位置不準確等,目前主要依靠人工監理進行質量保障。為了更全面地保障鉆探質量并大幅降低監理人員的工作強度,開發一套自動化、智能化的測量系統進行全過程監測是必要的。通過這樣的系統,我們可以實現對鉆孔質量的實時監測和預警,確保工程勘察的準確性和可靠性。

3 工程勘察鉆孔參數隨鉆智能測量系統

3.1 系統架構

在工程勘察鉆探領域,隨著隨鉆地震技術的不斷發展以及人工智能、物聯網等新技術的廣泛應用,對鉆機進行全程監控的需求日益迫切。為了滿足這一需求,本文提出了一種全新的系統架構,旨在實現對勘察鉆機的全面監控和管理。

該系統主要由兩部分組成:一是安裝在鉆機鉆柱頂端的探測終端;二是中央服務器。在鉆柱頂端,有一個水龍頭接頭,它負責泥漿進入鉆柱,并且不隨鉆柱旋轉。這為探測終端的安裝提供了便利。探測終端主要具備三個功能:

1)利用換能器感知鉆柱的振動情況,從而判斷鉆機是否在正常鉆進。通過分析振動數據,可以及時發現異常情況,如鉆頭損壞或鉆遇硬巖層等,確保鉆探過程的安全順利進行。2)利用發射換能器向鉆柱內部發射彈性波,再利用接收換能器接收從鉆柱底部反射回來的彈性波。通過對回波的分析,可以精確測定鉆柱的長度,進而計算出鉆孔的深度。這一功能對于精確控制鉆探深度具有重要意義。3)通過集成北斗定位模塊,探測終端能夠實時測定鉆機的水平位置。這不僅有助于了解鉆孔的位置分布,還能為后續的數據分析提供準確的地理位置信息。

探測終端收集的數據通過通信天線實時發送給中央服務器。中央服務器作為整個監控系統的核心,承擔著數據存儲、分析、判斷鉆機工況以及測定鉆探參數等任務。通過分析這些數據,中央服務器能夠全面了解鉆機的運行狀態和工作效率,為現場操作人員提供決策支持。

此外,該系統還具有強大的擴展性。隨著技術的不斷進步和新需求的出現,可以通過升級探測終端或中央服務器來提高系統的性能和功能。例如,未來可以引入更先進的傳感器和算法,實現對鉆機更精確的監測和控制。

總之,本文提出的系統架構為工程勘察鉆探領域提供了一種有效的解決方案。通過結合隨鉆地震技術、人工智能和物聯網等技術,該系統能夠實現對勘察鉆機的全程監控,提高鉆探過程的效率和安全性。隨著技術的不斷發展,相信這一系統架構將在未來的工程實踐中發揮越來越重要的作用。終端儀器結構示意圖及現場試驗如圖1所示。

3.2 系統功能實現

該系統具備多種功能,能夠全面監控和管理鉆機的工作狀態。首先,它能實時監控鉆機是否處于工作狀態,這一判斷是后續一系列操作的基礎。為了節約儀器能耗,只有當系統初步判斷鉆機處于正常工作時,其他如探測、衛星定位和數據傳輸、數據分析等程序才會啟動。

其次,該系統結合北斗定位系統,能對鉆機工作位置進行自動化精確定位。通過多次定位后求平均值,逐漸提高定位精度,確保鉆機的準確位置。這種技術對于工程勘察和施工的精確度至關重要。

此外,該系統利用鉆柱彈性波的回波探測技術自動實時監測鉆機鉆孔深度。通過設計兩個換能器分別發射和接收彈性波,實現在低功耗條件下完成探測任務。發射震源被設計為長的掃頻波列,而不是單個強脈沖。這種設計可以更好地適應長波列掃頻震源的需求,從而更準確地監測鉆孔深度。

同時,該系統利用進尺速度或鉆柱扭矩對地層的土力學強度進行隨鉆測井。通過統計每一根鉆桿的鉆進時間,能大致反映出所鉆地層的強度。地層強度越大,鉆入一根鉆桿所用的時間就越長。這一技術有助于工程人員及時了解地層狀況,為后續的施工提供重要參考。

最后,該系統還采用隨鉆地震的鉆柱測井方法對鉆孔地層的巖層強度進行測量。當鉆頭在土層中鉆進時,其切削土層的振動能量可能被地面機械所掩蓋。而當鉆頭進入巖層時,其破巖振動比較強烈,這些振動信號可以在鉆柱頂端被記錄下來。通過對比不同深度的鉆頭振動信號強度,可以對巖層進行隨鉆測井,獲取更為準確的地層信息。這一技術不僅提高了測井的準確性,還有助于更好地了解地層結構和巖層強度,為工程設計和施工提供有力支持。

綜上所述,該系統通過集成多種先進技術,實現了對鉆機工作狀態的全面監控和管理,確保了工程勘察和施工的高精度與高安全性。通過自動化定位技術、實時監測鉆孔深度技術以及隨鉆測井技術等手段,該系統為工程人員提供了強大的技術支持,有效提高了工作效率和施工質量。系統功能構架見圖2。

3.3 推廣應用前景

隨著科技的不斷發展以及應用領域的不斷拓展,相信這種系統將在未來的工程領域發揮更加重要的作用。該系統不僅具備實時監測鉆機狀態、精確確定鉆孔位置、測量鉆柱長度以及評估地層強度等功能,還能夠自動將監控數據發送至中央服務器。經過整理后,這些數據將被發送至資料匯交機構和資料保管機構,為工程數據的可靠性和標準化提供了堅實的技術保障[13-14]。目前,部分成果已經應用于溫州某實際工程項目。

值得一提的是,當前國內外尚未出現同類產品,因此該設備的研發與使用具有很高的技術價值和市場前景。一旦批量投入使用,每一臺處于工作狀態的鉆機都需要配備相應的探測終端,這將為相關行業帶來顯著的經濟效益。

綜上所述,該系統憑借其全面監控、高精度和高安全性的特點,為工程勘察和施工領域帶來了革命性的變化。它的應用將進一步提升工程鉆孔資料的管理水平,提高工作效率和施工質量。在未來的工程領域中,該系統有望成為不可或缺的重要工具,為行業的可持續發展做出積極貢獻。

4 結論與討論

1)隨著工程勘察行業的不斷發展,對于鉆探資料的管理和分享需求也越來越迫切。基于現有鉆機搭建的一套全新的測量系統,能夠完成工況判斷、定位、定深度、地層強度測定以及數據的自動發送。接收端則可以接收數據、整理分析、歸檔保存,極大地提高了數據處理的效率和準確性。

2)該技術的創新之處在于系統性地確定了鉆機的工況、位置和深度,這是首次被提出并實現。通過將傳統的隨鉆地震技術從石油鉆機拓展到工程勘察鉆機,特別是將隨鉆地震技術從巖層巖性探測拓展到了鉆孔土層探測,該技術成果達到了行業領先水平,具有明顯的創新性。

3)預期利用本技術自動完成的地層參數測定能給出比較精確的基巖深度,以及不同巖性巖層分界面深度數據。雖然對不同土層的分辨力弱于對各類巖層的識別,但也可以對土層進行大致4個等級的區分。將這些信息與傳統的鉆孔錄井數據進行融合,可以有效提高數據的可靠性和精確性。

4)該技術成果的市場前景非常明朗。為了確保勘察資料的可靠性和規范性,可以要求所有勘察鉆機配備該技術設備。該設備的推廣不僅能促進勘察數據的質量提升,同時對于智能建造產業的推動也有很好的示范作用。隨著市場的不斷擴大和技術的不斷完善,該技術成果將為工程勘察行業帶來更多的機遇和挑戰。