巖土工程勘察自動(dòng)智能化技術(shù)研究現(xiàn)狀

謝飛，梁振寧

（1.上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200093；2.上海市巖土工程專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200093）

1 引言

隨著全面深化改革的不斷推進(jìn)，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新一代信息技術(shù)日新月異，以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)不斷融合創(chuàng)新，打造新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)。 信息化、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化將成為傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展方向。 近年來，盡管巖土工程勘察技術(shù)得到了一定程度的發(fā)展， 但常規(guī)的勘察技術(shù)如鉆探在技術(shù)與設(shè)備更新上較為緩慢。 傳統(tǒng)巖土工程勘察技術(shù)手段對(duì)人工的依賴較高，外業(yè)機(jī)械操作、野外記錄等工作幾乎全部由人工完成，此過程枯燥、煩瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低下。 在野外記錄過程中，由于勘察技術(shù)人員素質(zhì)不一，容易出現(xiàn)操作不規(guī)范、誤判、漏記、記錄錯(cuò)誤等情況，野外記錄受人為因素影響大，在野外記錄的數(shù)據(jù)較為單一的情況下， 無法從多方面綜合判斷數(shù)據(jù)的合理性，嚴(yán)重影響勘察成果質(zhì)量。 在我國工程建設(shè)的需求增加和勞工成本飆升的背景下， 上述傳統(tǒng)巖土工程勘察工作模式的效率問題日益凸顯，制約了工程勘察行業(yè)的發(fā)展。 為響應(yīng)國家政策落實(shí)、適應(yīng)市場需求和國家未來的發(fā)展方向，迫切需要開發(fā)和研究勘察技術(shù)自動(dòng)化智能化的設(shè)備裝置和技術(shù)手段。通過廣泛調(diào)研國內(nèi)外先進(jìn)的勘察技術(shù)和手段， 本文對(duì)勘察技術(shù)自動(dòng)化智能化領(lǐng)域的設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行了解和總結(jié)， 為后續(xù)勘察技術(shù)自動(dòng)化智能化研究提供建議和思路。

2 國內(nèi)外鉆探設(shè)備自動(dòng)智能化研究現(xiàn)狀

鉆探設(shè)備自動(dòng)智能化就是將勘察鉆探過程中的鉆機(jī)定位、鉆機(jī)調(diào)平、移動(dòng)擺排鉆管和鉆進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)操作機(jī)械化、采集自動(dòng)化、調(diào)節(jié)智能化的目標(biāo)，從而提高勘察鉆探的效率。

2.1 自動(dòng)化定位

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感通信技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等新型技術(shù)的應(yīng)用，使得鉆機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航，識(shí)別鉆孔位置進(jìn)行定位鉆進(jìn)。如饒開永等[1]發(fā)明的鉆機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航監(jiān)測系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)定位糾偏且多臺(tái)鉆機(jī)交互良好。 王林等[2]利用正向、逆向自主導(dǎo)航定位誤差特性的差異互補(bǔ)性，以加權(quán)定位輸出作為鉆進(jìn)路徑軌跡，提高定位精度。

2.2 自動(dòng)化調(diào)平

外業(yè)勘察中鉆探設(shè)備調(diào)平有利于控制鉆孔的垂直度，是鉆探質(zhì)量控制的關(guān)鍵步驟之一，因此，鉆機(jī)自動(dòng)化調(diào)平是鉆探設(shè)備自動(dòng)化研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 主要實(shí)現(xiàn)途徑有兩個(gè)方面：一方面是安裝報(bào)警裝置提示工作人員的鉆機(jī)狀態(tài)， 提高調(diào)平精度[3]；另一方面是通過傳感器感知，控制器調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)控制鉆機(jī)處于水平狀態(tài)[4-5]。

2.3 移動(dòng)擺排鉆管

鉆機(jī)下管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化移動(dòng)擺排， 能極大地減輕工人的體力勞動(dòng)。 目前，根據(jù)自動(dòng)化移擺管系統(tǒng)的形態(tài)，可分為：立柱式排管機(jī) （如NOV 公司生產(chǎn)的PRS.8i）； 懸掛式排管機(jī) （如Weatherford 公司生產(chǎn)的S3 pipe-handling system）；橋式排管機(jī)（Forum 生產(chǎn)的OAC）。 但以上排管機(jī)適用于大型化的石油鉆機(jī)，對(duì)小型的地質(zhì)勘察鉆機(jī)適用性不強(qiáng)。 開發(fā)小型自動(dòng)換桿設(shè)備對(duì)一般勘察的鉆機(jī)意義重大，瑞典Sandvik 公司的DL 系列鉆機(jī)和美國Boart Longyear 公司的LM 系列鉆機(jī)具有鉆桿自動(dòng)輸送功能。 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、安徽理工大學(xué)、中煤科工集團(tuán)西安研究院、 中煤科工集團(tuán)重慶研究院等均對(duì)鉆桿的輸送提出了解決方案， 但仍然沒能為勘察鉆探提出自動(dòng)裝卸鉆桿的解決方案。

2.4 鉆進(jìn)深度感知

鉆進(jìn)深度是核算鉆進(jìn)工作量的有效手段。 根據(jù)自動(dòng)測量的方法可以分為直接測量和間接測量。 直接測量是通過在鉆桿上設(shè)置標(biāo)識(shí)物， 通過傳感器進(jìn)行標(biāo)識(shí)物位移感知進(jìn)行累計(jì)位移讀取獲得鉆進(jìn)深度。如許家豪[6]采用傳感器識(shí)別鉆桿上反光條、黃理瑞等[7]在鉆桿連接處采用電磁感應(yīng)裝置、安徽理工大學(xué)[8]通過像差分析鉆桿連接節(jié)點(diǎn)的形狀計(jì)數(shù)鉆桿出孔數(shù)量。間接測量通過測量與給進(jìn)鉆桿相關(guān)聯(lián)的機(jī)構(gòu)位移實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿深度的間接測量，如與鉆桿下放相關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)測量[9]、鋼絲繩測量[10]、固定圈計(jì)數(shù)[11]等裝置。

2.5 自動(dòng)智能化鉆進(jìn)系統(tǒng)

自動(dòng)智能化鉆進(jìn)系統(tǒng)是基于自動(dòng)控制技術(shù)、 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、傳感器技術(shù)等基礎(chǔ)上對(duì)鉆探平臺(tái)的質(zhì)量提升。 瑞典和加拿大首先在1995 年率先發(fā)明新一代自動(dòng)化鉆機(jī)，Atlas.Copco公司開發(fā)全液壓Diamec U8APC 型全自動(dòng)鉆機(jī)， 該鉆機(jī)擁有自我巡檢和系統(tǒng)自適應(yīng)能力[12]。 自動(dòng)采集孔深、鉆速、鉆壓、泵壓、泵量、轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)壓力等參數(shù)，同時(shí)能根據(jù)判斷巖層的變化， 自行調(diào)整給進(jìn)力、 轉(zhuǎn)速和扭矩， 優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)。 法國Geoservices 公司的Total Drilling Control Unit 裝置可監(jiān)測油井鉆進(jìn)中的鉆壓、扭矩、泥漿性能等19 個(gè)參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)識(shí)別并分析生成一系列報(bào)告。加拿大Datalog 公司研制了鉆機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測200 多個(gè)鉆機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)， 并通過實(shí)用友好的用戶界面呈現(xiàn)出來。 美國馬丁M/D TOTCO 公司研制的鉆機(jī)集成控制信息系統(tǒng)，可通過計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)/ 互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行鉆進(jìn)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。 英國Nottingham 大學(xué)開發(fā)的Intedrill 諾丁漢智能型鉆進(jìn)控制系統(tǒng)可以優(yōu)化主要鉆進(jìn)參數(shù)， 從而提高鉆進(jìn)效率[13]。

在國內(nèi)鉆機(jī)的自動(dòng)控制和智能化鉆進(jìn)技術(shù)也取得一定的成果。 通過建立鉆機(jī)控制系統(tǒng)和智能化鉆進(jìn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆速、鉆壓等鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，利用編程控制器對(duì)油泵、泥漿泵、電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證最大的工作效率[14-21]。 戴一鳴等[22]對(duì)地質(zhì)勘察常用的XY 型鉆機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，通過壓力、泥漿流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集獲得參數(shù)時(shí)程曲線，并與地質(zhì)資料進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)匹配性良好，為智能劃分地層提供新思路。

3 國內(nèi)外原位測試儀器自動(dòng)智能化研究現(xiàn)狀

自動(dòng)智能化原位測試技術(shù)是將勘察原位測試儀器與機(jī)械自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)結(jié)合，從而形成具有自動(dòng)試驗(yàn)、信息采集、智能處理的原位測試技術(shù)。

3.1 靜力觸探

靜力觸探試驗(yàn)起源于20 世紀(jì)30 年代的荷蘭， 歷經(jīng)了機(jī)械式 （1932—1948 年）、 電測式 （1948—1970 年）、 電子式（1970—1985 年）和數(shù)字式（1985 年至今）4 代的發(fā)展。 東南大學(xué)[23]研發(fā)新型的多功能CPTU 測試系統(tǒng)可以測試錐尖阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力、溫度、波速、傾斜等參數(shù)，同時(shí)與南光地質(zhì)[24]合作開發(fā)的探頭電源自供、無線電波傳輸?shù)亩喙δ軘?shù)字式無線CPTU 測試技術(shù)——NCT-1 型無線靜力觸探系統(tǒng)極大地提高了操作的便捷性。CPTU 還能與多種原位測試技術(shù)進(jìn)行融合形成地震波SCPTU、電阻率RCPTU、熱傳導(dǎo)CPTU、可視化VisCPT 等[25]， 開創(chuàng)了多種原位測試組合技術(shù)的新思路。

3.2 動(dòng)力觸探

動(dòng)力觸探用于解決標(biāo)貫試驗(yàn)對(duì)碎石類土不適用的問題，動(dòng)力觸探自動(dòng)智能化改造主要體現(xiàn)在孔內(nèi)動(dòng)力擊發(fā)裝置和自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置。 如鐵三院[26]利用直線電動(dòng)機(jī)提升并可自動(dòng)落錘，錘擊力通過錘墊傳遞于標(biāo)準(zhǔn)貫入器或動(dòng)探頭。 饒開永等[27]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)明多功能動(dòng)力觸探自動(dòng)記錄裝置系統(tǒng)， 將計(jì)數(shù)模塊、記錄模塊、數(shù)據(jù)傳送模量、無線通信模塊集為一體，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄擊數(shù)提高了工作效率。 朱文凱[28]發(fā)明了一種動(dòng)力觸探自動(dòng)記錄儀， 用光-電變換技術(shù)使其變成自動(dòng)數(shù)數(shù)、累計(jì)，經(jīng)電腦識(shí)別信息的真?zhèn)魏螅俅蛴?、記錄?/p>

3.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)貫入是人工牽引重錘敲擊桿件， 現(xiàn)階段標(biāo)準(zhǔn)貫入自動(dòng)化方向改進(jìn)圍繞動(dòng)力源與傳感記數(shù)等方面。 與動(dòng)力觸探類似，標(biāo)準(zhǔn)貫入自動(dòng)激發(fā)裝置多采用機(jī)械牽引[29-30]、電磁力反轉(zhuǎn)[31]、孔內(nèi)沖錘[32]。 對(duì)標(biāo)貫試驗(yàn)的質(zhì)量控制也是重點(diǎn)研究方向之一，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測標(biāo)貫試驗(yàn)過程并自動(dòng)記錄試驗(yàn)的測試深度、錘擊數(shù)、貫入度、沖擊力等，中交廣州航道局有限公司[33]、廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院[34]、北京地礦工程建設(shè)有限責(zé)任公司[35]均有所研究。

3.4 扁鏟側(cè)脹

DMT 扁鏟側(cè)脹儀是將鋼制的扁平狀鏟用靜探桿插入土中，它在試驗(yàn)時(shí)充氣使得扁鏟膜向外進(jìn)行膨脹，測讀膜膨脹位移的壓力計(jì)算待測土體的參數(shù)。 徐州工程學(xué)院[36]利用微型形狀記憶合金制成扁鏟側(cè)脹儀，僅需設(shè)定加熱溫度后，扁鏟會(huì)自動(dòng)進(jìn)行土體壓縮測試，完成后將導(dǎo)熱液體替換，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)行土體回彈測試； 南光地質(zhì)儀器公司發(fā)明一種自動(dòng)讀取扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)壓力的儀器，避免人工讀表的誤差。

3.5 旁壓

旁壓試驗(yàn)通過一個(gè)可以側(cè)向平行膨脹的圓柱形探頭對(duì)鉆孔孔壁施加壓力。通過試驗(yàn)得到的土壤應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線計(jì)算土體參數(shù)。 梅納公司最早開發(fā)旁壓試驗(yàn)儀器，并進(jìn)行一系列的改進(jìn)， 形成自動(dòng)化程度高、 智能化數(shù)據(jù)分析的旁壓測試系統(tǒng)。 其開發(fā)的GeoPAC 自動(dòng)控制梅納旁壓儀由GeoBOX 驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)導(dǎo)至GeoVISION 進(jìn)行分析處理，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行可視化展示。

3.6 鉆孔剪切

原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)是在現(xiàn)場通過儀器對(duì)土體進(jìn)行剪切，從而獲取土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。 主要包括原位剪切試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)和鉆孔剪切試驗(yàn)。 近些年，各大高校和科研單位相繼研制出了一系列改進(jìn)的直剪、推剪儀器[37]。 目前的原位直剪試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和儲(chǔ)存，并且試驗(yàn)精度較高[38]。 荷蘭的GVT-100 和Geotech 發(fā)明的EVT2000 電動(dòng)式十字板剪切儀的所有測量數(shù)據(jù)和測試變量都被記錄在一個(gè)單獨(dú)的ASCII文件中， 然后在Excel 電子表格中繪制十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果。賈志欣[39]、西安交通大學(xué)[40]、機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院[41]等在鉆孔剪切自動(dòng)化裝置、測試系統(tǒng)研發(fā)均有建樹。

4 結(jié)論

鉆探設(shè)備、 原位測試儀器自動(dòng)智能化方面現(xiàn)階段已經(jīng)取得一些成果但仍存在不足， 未來巖土工程勘察自動(dòng)智能化技術(shù)研究可從以下方面展開。

1）研究更加適用于工程勘察的小型自動(dòng)智能化鉆機(jī)，重點(diǎn)提升自動(dòng)裝卸鉆桿系統(tǒng)等影響勘察效率的關(guān)鍵工序的自動(dòng)化水平，提高鉆探的裝備化、自動(dòng)化、智能化水平。

2）研究適用于深層巖土勘察的孔內(nèi)動(dòng)力裝置和無線信號(hào)傳輸裝置， 配套原位測試數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理的成套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原位測試儀器裝備自動(dòng)化，傳輸信息化、分析智能化。