岩土工程勘察自动智能化技术研究现状

2023-10-15谢飞梁振宁

工程建设与设计 2023年17期

谢飞，梁振宁

（1.上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海 200093；2.上海市岩土工程专业技术服务平台，上海 200093）

1 引言

随着全面深化改革的不断推进，以互联网、大数据、人工智能为代表的新一代信息技术日新月异，以物联网、云计算、大数据为代表的新一代信息技术与传统行业不断融合创新，打造新的产业增长点。信息化、自动化、智能化、网络化将成为传统行业的发展方向。近年来，尽管岩土工程勘察技术得到了一定程度的发展，但常规的勘察技术如钻探在技术与设备更新上较为缓慢。传统岩土工程勘察技术手段对人工的依赖较高，外业机械操作、野外记录等工作几乎全部由人工完成，此过程枯燥、烦琐、劳动强度大且效率低下。在野外记录过程中，由于勘察技术人员素质不一，容易出现操作不规范、误判、漏记、记录错误等情况，野外记录受人为因素影响大，在野外记录的数据较为单一的情况下，无法从多方面综合判断数据的合理性，严重影响勘察成果质量。在我国工程建设的需求增加和劳工成本飙升的背景下，上述传统岩土工程勘察工作模式的效率问题日益凸显，制约了工程勘察行业的发展。为响应国家政策落实、适应市场需求和国家未来的发展方向，迫切需要开发和研究勘察技术自动化智能化的设备装置和技术手段。通过广泛调研国内外先进的勘察技术和手段，本文对勘察技术自动化智能化领域的设备和技术进行了解和总结，为后续勘察技术自动化智能化研究提供建议和思路。

2 国内外钻探设备自动智能化研究现状

钻探设备自动智能化就是将勘察钻探过程中的钻机定位、钻机调平、移动摆排钻管和钻进过程中实现操作机械化、采集自动化、调节智能化的目标，从而提高勘察钻探的效率。

2.1 自动化定位

物联网技术、遥感通信技术、无线传输技术、导航技术和人机交互技术等新型技术的应用，使得钻机能实现自动导航，识别钻孔位置进行定位钻进。如饶开永等[1]发明的钻机自动导航监测系统，能实现钻机定位纠偏且多台钻机交互良好。王林等[2]利用正向、逆向自主导航定位误差特性的差异互补性，以加权定位输出作为钻进路径轨迹，提高定位精度。

2.2 自动化调平

外业勘察中钻探设备调平有利于控制钻孔的垂直度，是钻探质量控制的关键步骤之一，因此，钻机自动化调平是钻探设备自动化研究的关键技术之一。主要实现途径有两个方面：一方面是安装报警装置提示工作人员的钻机状态，提高调平精度[3]；另一方面是通过传感器感知，控制器调节液压系统控制钻机处于水平状态[4-5]。

2.3 移动摆排钻管

钻机下管实现自动化移动摆排，能极大地减轻工人的体力劳动。目前，根据自动化移摆管系统的形态，可分为：立柱式排管机（如NOV 公司生产的PRS.8i）；悬挂式排管机（如Weatherford 公司生产的S3 pipe-handling system）；桥式排管机（Forum 生产的OAC）。但以上排管机适用于大型化的石油钻机，对小型的地质勘察钻机适用性不强。开发小型自动换杆设备对一般勘察的钻机意义重大，瑞典Sandvik 公司的DL 系列钻机和美国Boart Longyear 公司的LM 系列钻机具有钻杆自动输送功能。中国地质大学（武汉）、安徽理工大学、中煤科工集团西安研究院、中煤科工集团重庆研究院等均对钻杆的输送提出了解决方案，但仍然没能为勘察钻探提出自动装卸钻杆的解决方案。

2.4 钻进深度感知

钻进深度是核算钻进工作量的有效手段。根据自动测量的方法可以分为直接测量和间接测量。直接测量是通过在钻杆上设置标识物，通过传感器进行标识物位移感知进行累计位移读取获得钻进深度。如许家豪[6]采用传感器识别钻杆上反光条、黄理瑞等[7]在钻杆连接处采用电磁感应装置、安徽理工大学[8]通过像差分析钻杆连接节点的形状计数钻杆出孔数量。间接测量通过测量与给进钻杆相关联的机构位移实现对钻杆深度的间接测量，如与钻杆下放相关的转动机构测量[9]、钢丝绳测量[10]、固定圈计数[11]等装置。

2.5 自动智能化钻进系统

自动智能化钻进系统是基于自动控制技术、大数据分析技术、传感器技术等基础上对钻探平台的质量提升。瑞典和加拿大首先在1995 年率先发明新一代自动化钻机，Atlas.Copco公司开发全液压Diamec U8APC 型全自动钻机，该钻机拥有自我巡检和系统自适应能力[12]。自动采集孔深、钻速、钻压、泵压、泵量、转速及系统压力等参数，同时能根据判断岩层的变化，自行调整给进力、转速和扭矩，优化钻进参数。法国Geoservices 公司的Total Drilling Control Unit 装置可监测油井钻进中的钻压、扭矩、泥浆性能等19 个参数，通过计算机识别并分析生成一系列报告。加拿大Datalog 公司研制了钻机监测系统能实时监测200 多个钻机动态参数，并通过实用友好的用户界面呈现出来。美国马丁M/D TOTCO 公司研制的钻机集成控制信息系统，可通过计算机局域网/ 互联网进行钻进信息的远程监控。英国Nottingham 大学开发的Intedrill 诺丁汉智能型钻进控制系统可以优化主要钻进参数，从而提高钻进效率[13]。

在国内钻机的自动控制和智能化钻进技术也取得一定的成果。通过建立钻机控制系统和智能化钻进平台实现对钻速、钻压等钻进参数进行监测，利用编程控制器对油泵、泥浆泵、电机等设备进行调节，保证最大的工作效率[14-21]。戴一鸣等[22]对地质勘察常用的XY 型钻机进行改进，通过压力、泥浆流量、转速等参数的实时采集获得参数时程曲线，并与地质资料进行对比发现匹配性良好，为智能划分地层提供新思路。

3 国内外原位测试仪器自动智能化研究现状

自动智能化原位测试技术是将勘察原位测试仪器与机械自动化、计算机信息化技术结合，从而形成具有自动试验、信息采集、智能处理的原位测试技术。

3.1 静力触探

静力触探试验起源于20 世纪30 年代的荷兰，历经了机械式（1932—1948 年）、电测式（1948—1970 年）、电子式（1970—1985 年）和数字式（1985 年至今）4 代的发展。东南大学[23]研发新型的多功能CPTU 测试系统可以测试锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力、温度、波速、倾斜等参数，同时与南光地质[24]合作开发的探头电源自供、无线电波传输的多功能数字式无线CPTU 测试技术——NCT-1 型无线静力触探系统极大地提高了操作的便捷性。CPTU 还能与多种原位测试技术进行融合形成地震波SCPTU、电阻率RCPTU、热传导CPTU、可视化VisCPT 等[25]，开创了多种原位测试组合技术的新思路。

3.2 动力触探

动力触探用于解决标贯试验对碎石类土不适用的问题，动力触探自动智能化改造主要体现在孔内动力击发装置和自动计数装置。如铁三院[26]利用直线电动机提升并可自动落锤，锤击力通过锤垫传递于标准贯入器或动探头。饶开永等[27]基于物联网技术发明多功能动力触探自动记录装置系统，将计数模块、记录模块、数据传送模量、无线通信模块集为一体，能实现自动记录击数提高了工作效率。朱文凯[28]发明了一种动力触探自动记录仪，用光-电变换技术使其变成自动数数、累计，经电脑识别信息的真伪后，再打印、记录。

3.3 标准贯入

传统的标准贯入是人工牵引重锤敲击杆件，现阶段标准贯入自动化方向改进围绕动力源与传感记数等方面。与动力触探类似，标准贯入自动激发装置多采用机械牵引[29-30]、电磁力反转[31]、孔内冲锤[32]。对标贯试验的质量控制也是重点研究方向之一，包括实时监测标贯试验过程并自动记录试验的测试深度、锤击数、贯入度、冲击力等，中交广州航道局有限公司[33]、广东省交通规划设计研究院[34]、北京地矿工程建设有限责任公司[35]均有所研究。

3.4 扁铲侧胀

DMT 扁铲侧胀仪是将钢制的扁平状铲用静探杆插入土中，它在试验时充气使得扁铲膜向外进行膨胀，测读膜膨胀位移的压力计算待测土体的参数。徐州工程学院[36]利用微型形状记忆合金制成扁铲侧胀仪，仅需设定加热温度后，扁铲会自动进行土体压缩测试，完成后将导热液体替换，则会自动进行土体回弹测试；南光地质仪器公司发明一种自动读取扁铲侧胀试验压力的仪器，避免人工读表的误差。

3.5 旁压

旁压试验通过一个可以侧向平行膨胀的圆柱形探头对钻孔孔壁施加压力。通过试验得到的土壤应力-应变关系曲线计算土体参数。梅纳公司最早开发旁压试验仪器，并进行一系列的改进，形成自动化程度高、智能化数据分析的旁压测试系统。其开发的GeoPAC 自动控制梅纳旁压仪由GeoBOX 驱动，数据导至GeoVISION 进行分析处理，对试验结果进行可视化展示。

3.6 钻孔剪切

原位抗剪强度试验是在现场通过仪器对土体进行剪切，从而获取土体的抗剪强度参数。主要包括原位剪切试验、十字板剪切试验和钻孔剪切试验。近些年，各大高校和科研单位相继研制出了一系列改进的直剪、推剪仪器[37]。目前的原位直剪试验实现了数据自动采集和储存，并且试验精度较高[38]。荷兰的GVT-100 和Geotech 发明的EVT2000 电动式十字板剪切仪的所有测量数据和测试变量都被记录在一个单独的ASCII文件中，然后在Excel 电子表格中绘制十字板剪切试验结果。贾志欣[39]、西安交通大学[40]、机械工业勘察设计研究院[41]等在钻孔剪切自动化装置、测试系统研发均有建树。