巖土工程勘察自動智能化技術研究現狀

謝飛，梁振寧

（1.上海勘察設計研究院（集團）有限公司，上海 200093；2.上海市巖土工程專業技術服務平臺，上海 200093）

1 引言

隨著全面深化改革的不斷推進，以互聯網、大數據、人工智能為代表的新一代信息技術日新月異，以物聯網、云計算、大數據為代表的新一代信息技術與傳統行業不斷融合創新，打造新的產業增長點。 信息化、自動化、智能化、網絡化將成為傳統行業的發展方向。 近年來，盡管巖土工程勘察技術得到了一定程度的發展， 但常規的勘察技術如鉆探在技術與設備更新上較為緩慢。 傳統巖土工程勘察技術手段對人工的依賴較高，外業機械操作、野外記錄等工作幾乎全部由人工完成，此過程枯燥、煩瑣、勞動強度大且效率低下。 在野外記錄過程中，由于勘察技術人員素質不一，容易出現操作不規范、誤判、漏記、記錄錯誤等情況，野外記錄受人為因素影響大，在野外記錄的數據較為單一的情況下， 無法從多方面綜合判斷數據的合理性，嚴重影響勘察成果質量。 在我國工程建設的需求增加和勞工成本飆升的背景下， 上述傳統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的發展。 為響應國家政策落實、適應市場需求和國家未來的發展方向，迫切需要開發和研究勘察技術自動化智能化的設備裝置和技術手段。通過廣泛調研國內外先進的勘察技術和手段， 本文對勘察技術自動化智能化領域的設備和技術進行了解和總結， 為后續勘察技術自動化智能化研究提供建議和思路。

2 國內外鉆探設備自動智能化研究現狀

鉆探設備自動智能化就是將勘察鉆探過程中的鉆機定位、鉆機調平、移動擺排鉆管和鉆進過程中實現操作機械化、采集自動化、調節智能化的目標，從而提高勘察鉆探的效率。

2.1 自動化定位

物聯網技術、遙感通信技術、無線傳輸技術、導航技術和人機交互技術等新型技術的應用，使得鉆機能實現自動導航，識別鉆孔位置進行定位鉆進。如饒開永等[1]發明的鉆機自動導航監測系統，能實現鉆機定位糾偏且多臺鉆機交互良好。 王林等[2]利用正向、逆向自主導航定位誤差特性的差異互補性，以加權定位輸出作為鉆進路徑軌跡，提高定位精度。

2.2 自動化調平

外業勘察中鉆探設備調平有利于控制鉆孔的垂直度，是鉆探質量控制的關鍵步驟之一，因此，鉆機自動化調平是鉆探設備自動化研究的關鍵技術之一。 主要實現途徑有兩個方面：一方面是安裝報警裝置提示工作人員的鉆機狀態， 提高調平精度[3]；另一方面是通過傳感器感知，控制器調節液壓系統控制鉆機處于水平狀態[4-5]。

2.3 移動擺排鉆管

鉆機下管實現自動化移動擺排， 能極大地減輕工人的體力勞動。 目前，根據自動化移擺管系統的形態，可分為：立柱式排管機 （如NOV 公司生產的PRS.8i）； 懸掛式排管機 （如Weatherford 公司生產的S3 pipe-handling system）；橋式排管機（Forum 生產的OAC）。 但以上排管機適用于大型化的石油鉆機，對小型的地質勘察鉆機適用性不強。 開發小型自動換桿設備對一般勘察的鉆機意義重大，瑞典Sandvik 公司的DL 系列鉆機和美國Boart Longyear 公司的LM 系列鉆機具有鉆桿自動輸送功能。 中國地質大學（武漢）、安徽理工大學、中煤科工集團西安研究院、 中煤科工集團重慶研究院等均對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裝卸鉆桿的解決方案。

2.4 鉆進深度感知

鉆進深度是核算鉆進工作量的有效手段。 根據自動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置標識物， 通過傳感器進行標識物位移感知進行累計位移讀取獲得鉆進深度。如許家豪[6]采用傳感器識別鉆桿上反光條、黃理瑞等[7]在鉆桿連接處采用電磁感應裝置、安徽理工大學[8]通過像差分析鉆桿連接節點的形狀計數鉆桿出孔數量。間接測量通過測量與給進鉆桿相關聯的機構位移實現對鉆桿深度的間接測量，如與鉆桿下放相關的轉動機構測量[9]、鋼絲繩測量[10]、固定圈計數[11]等裝置。

2.5 自動智能化鉆進系統

自動智能化鉆進系統是基于自動控制技術、 大數據分析技術、傳感器技術等基礎上對鉆探平臺的質量提升。 瑞典和加拿大首先在1995 年率先發明新一代自動化鉆機，Atlas.Copco公司開發全液壓Diamec U8APC 型全自動鉆機， 該鉆機擁有自我巡檢和系統自適應能力[12]。 自動采集孔深、鉆速、鉆壓、泵壓、泵量、轉速及系統壓力等參數，同時能根據判斷巖層的變化， 自行調整給進力、 轉速和扭矩， 優化鉆進參數。 法國Geoservices 公司的Total Drilling Control Unit 裝置可監測油井鉆進中的鉆壓、扭矩、泥漿性能等19 個參數，通過計算機識別并分析生成一系列報告。加拿大Datalog 公司研制了鉆機監測系統能實時監測200 多個鉆機動態參數， 并通過實用友好的用戶界面呈現出來。 美國馬丁M/D TOTCO 公司研制的鉆機集成控制信息系統，可通過計算機局域網/ 互聯網進行鉆進信息的遠程監控。 英國Nottingham 大學開發的Intedrill 諾丁漢智能型鉆進控制系統可以優化主要鉆進參數， 從而提高鉆進效率[13]。

在國內鉆機的自動控制和智能化鉆進技術也取得一定的成果。 通過建立鉆機控制系統和智能化鉆進平臺實現對鉆速、鉆壓等鉆進參數進行監測，利用編程控制器對油泵、泥漿泵、電機等設備進行調節，保證最大的工作效率[14-21]。 戴一鳴等[22]對地質勘察常用的XY 型鉆機進行改進，通過壓力、泥漿流量、轉速等參數的實時采集獲得參數時程曲線，并與地質資料進行對比發現匹配性良好，為智能劃分地層提供新思路。

3 國內外原位測試儀器自動智能化研究現狀

自動智能化原位測試技術是將勘察原位測試儀器與機械自動化、計算機信息化技術結合，從而形成具有自動試驗、信息采集、智能處理的原位測試技術。

3.1 靜力觸探

靜力觸探試驗起源于20 世紀30 年代的荷蘭， 歷經了機械式 （1932—1948 年）、 電測式 （1948—1970 年）、 電子式（1970—1985 年）和數字式（1985 年至今）4 代的發展。 東南大學[23]研發新型的多功能CPTU 測試系統可以測試錐尖阻力、側摩阻力、孔隙水壓力、溫度、波速、傾斜等參數，同時與南光地質[24]合作開發的探頭電源自供、無線電波傳輸的多功能數字式無線CPTU 測試技術——NCT-1 型無線靜力觸探系統極大地提高了操作的便捷性。CPTU 還能與多種原位測試技術進行融合形成地震波SCPTU、電阻率RCPTU、熱傳導CPTU、可視化VisCPT 等[25]， 開創了多種原位測試組合技術的新思路。

3.2 動力觸探

動力觸探用于解決標貫試驗對碎石類土不適用的問題，動力觸探自動智能化改造主要體現在孔內動力擊發裝置和自動計數裝置。 如鐵三院[26]利用直線電動機提升并可自動落錘，錘擊力通過錘墊傳遞于標準貫入器或動探頭。 饒開永等[27]基于物聯網技術發明多功能動力觸探自動記錄裝置系統， 將計數模塊、記錄模塊、數據傳送模量、無線通信模塊集為一體，能實現自動記錄擊數提高了工作效率。 朱文凱[28]發明了一種動力觸探自動記錄儀， 用光-電變換技術使其變成自動數數、累計，經電腦識別信息的真偽后，再打印、記錄。

3.3 標準貫入

傳統的標準貫入是人工牽引重錘敲擊桿件， 現階段標準貫入自動化方向改進圍繞動力源與傳感記數等方面。 與動力觸探類似，標準貫入自動激發裝置多采用機械牽引[29-30]、電磁力反轉[31]、孔內沖錘[32]。 對標貫試驗的質量控制也是重點研究方向之一，包括實時監測標貫試驗過程并自動記錄試驗的測試深度、錘擊數、貫入度、沖擊力等，中交廣州航道局有限公司[33]、廣東省交通規劃設計研究院[34]、北京地礦工程建設有限責任公司[35]均有所研究。

3.4 扁鏟側脹

DMT 扁鏟側脹儀是將鋼制的扁平狀鏟用靜探桿插入土中，它在試驗時充氣使得扁鏟膜向外進行膨脹，測讀膜膨脹位移的壓力計算待測土體的參數。 徐州工程學院[36]利用微型形狀記憶合金制成扁鏟側脹儀，僅需設定加熱溫度后，扁鏟會自動進行土體壓縮測試，完成后將導熱液體替換，則會自動進行土體回彈測試； 南光地質儀器公司發明一種自動讀取扁鏟側脹試驗壓力的儀器，避免人工讀表的誤差。

3.5 旁壓

旁壓試驗通過一個可以側向平行膨脹的圓柱形探頭對鉆孔孔壁施加壓力。通過試驗得到的土壤應力-應變關系曲線計算土體參數。 梅納公司最早開發旁壓試驗儀器，并進行一系列的改進， 形成自動化程度高、 智能化數據分析的旁壓測試系統。 其開發的GeoPAC 自動控制梅納旁壓儀由GeoBOX 驅動，數據導至GeoVISION 進行分析處理，對試驗結果進行可視化展示。

3.6 鉆孔剪切

原位抗剪強度試驗是在現場通過儀器對土體進行剪切，從而獲取土體的抗剪強度參數。 主要包括原位剪切試驗、十字板剪切試驗和鉆孔剪切試驗。 近些年，各大高校和科研單位相繼研制出了一系列改進的直剪、推剪儀器[37]。 目前的原位直剪試驗實現了數據自動采集和儲存，并且試驗精度較高[38]。 荷蘭的GVT-100 和Geotech 發明的EVT2000 電動式十字板剪切儀的所有測量數據和測試變量都被記錄在一個單獨的ASCII文件中， 然后在Excel 電子表格中繪制十字板剪切試驗結果。賈志欣[39]、西安交通大學[40]、機械工業勘察設計研究院[41]等在鉆孔剪切自動化裝置、測試系統研發均有建樹。

4 結論

鉆探設備、 原位測試儀器自動智能化方面現階段已經取得一些成果但仍存在不足， 未來巖土工程勘察自動智能化技術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智能化鉆機，重點提升自動裝卸鉆桿系統等影響勘察效率的關鍵工序的自動化水平，提高鉆探的裝備化、自動化、智能化水平。

2）研究適用于深層巖土勘察的孔內動力裝置和無線信號傳輸裝置， 配套原位測試數據采集和數據分析處理的成套系統，實現原位測試儀器裝備自動化，傳輸信息化、分析智能化。