钻孔过程监测在岩体非均质性中的应用探讨

岩体非均质性研究是地质资源与地质工程领域的重要内容,对地下空间及矿产能源的合理开发利用有着重要的意义。为了实时准确地评价页岩储层岩体的非均质性,将钻孔过程监测(Drilling Process Monitoring, DPM)引入铜川地区鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩的现场勘察钻孔试验中,分别监测了钻头转速、钻杆前推压力、钻杆回撤压力、动力头位置4个参数,利用DPM钻进速率参数从多尺度对页岩岩体的非均质性进行了刻画。相关性分析及回归分析结果表明：DPM钻进速率与岩石可钻性、岩体完整性存在显著的相关性。具体地,储层尺度上,DPM钻进速率的变化可反映出储层岩性的变化,DPM钻进速率可定量地评价岩石的可钻性;岩心尺度上,DPM钻进速率的变化可定性地反映出岩芯的完整程度,但在≤100 mm完整岩芯上的钻进速率并不能有效反映出纹层岩性的变化。进一步地,纹层尺度上,>100 mm厚度页岩纹层的纯钻过程位移曲线可被较好地进行线性拟合,而100 mm以下,泥岩、粉砂岩及凝灰岩纹层的纯钻过程位移曲线线性拟合性较差。研究结果对于正确认识DPM对岩体非均质性的划分及应用有着重要的指导意义。     

基于钻进过程指数定量评价岩体完整性原位试验研究

钻孔过程中钻具实时响应特征蕴藏着大量工程地质信息,通过解译钻进数据定量评价岩体完整性,可为快速获取工程岩体的地质特征提供新途径。采用高精度数字液压、扭矩、转速和激光位移传感器监测地质钻机传动部位,搭建了新型地质钻机数字钻进监测系统。开展了均质材料和裂隙岩体原位钻进试验,根据实时、连续及同步获取的钻具响应特征参数,建立了钻进压力、钻进扭矩、钻头转速和钻进速度的函数关系。在此基础上,滤除钻机机械参数对钻进速度的影响,提出了用于表达岩体完整性的新指标——钻进过程指数。研究发现,钻进过程指数的数字变化趋势能综合反映岩体的破碎程度,能通过信息化方法和数据运算获取岩体完整性,削减了人工统计RQD和编纂岩芯柱状素描图等繁杂的工序,还降低了人为主观因素的不利影响。     

风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析

旋转钻进是岩土工程钻探的主要钻进方式,从能量守恒原理出发,对旋转钻进的能量进行分析。同时,在R-20液压式回转钻机上安装数字式钻孔过程监测（DPM）系统,在风化花岗岩地基工程中进行试验,并在监测数据的基础上对钻进能量进行分析计算。研究结果表明,钻进过程中用于破碎岩石的能量主要来自钻进系统的动能,钻进系统用于破碎岩石的能量分配与地层强度特性有关。在风化程度较低或新鲜岩层中钻进时,破碎岩石98%以上的能量来自系统的动能,而轴压力推动钻头位移所给出的能量不到2%;在土层或全风化岩层中,轴压力所做的功达到22%以上,且明显随风化程度的增高而增大,说明钻进系统动能与轴力功可用以表征地层的可钻性,这为实时钻进能量用于地层的识别提供理论依据。     

基于时空平滑的DPM数据分析新方法及其在地层识别中的应用

准确识别地层性质对保证边坡的稳定至关重要，在一些限制条件下，可能未能进行取芯钻探勘察，致使对实际地层的划分因人而异，缺乏客观依据，岩体工程性质无法准确掌握，影响边坡的设计和稳定。随钻测试技术能获取钻孔过程本身携带的地层信息，但目前缺少可靠的数据分析方法。以DPM技术为基础，提出了新的随钻测试数据分析方法，通过在空间和时间尺度上对钻进速度进行平滑，解决了钻机动力参数随机波动的问题，并以云南省昆磨高速公路小勐养至磨憨段公路某挖方段边坡为例，全程监测了锚索孔的钻进过程，并对监测数据进行时空平滑分析，建立了钻进速度与岩性的关系，识别了地层，为边坡设计提供了可靠依据。     

基于随钻参数的不同岩石钻进特征与围岩级别修正

超前水平钻探在隧道施工超前地质预报中具有直观准确的优点,依据能量守恒原理,钻进速率、转速、扭矩、推进力等随钻参数与岩石特征存在较大相关性。分别采集泥岩、砂岩、花岗岩、石英片岩4种岩石随钻参数进行分析比较,通过钻进功速比进行分析后表明,随钻参数和钻进功速比与岩石特征响应性较好,随着钻进深度增大,岩石强度与扭矩成正比,最终利用不同岩性的功速比范围,划分了功速比与岩石强度的相关性指标范围,并结合钻进记录用于围岩级别修正,取得较好的效果。     

钻孔过程监测(DPM)对工程岩体质量评价方法的完善与提升

提出能够完善和提升现有工程岩体质量评价方法的一套新技术、新方法和新规律.新技术为现场钻孔过程监测(DPM)技术.新方法为钻孔过程时空数据的快速直观时间序列分析方法.新规律为钻头进深随时间曲线呈分段线性变化,每段钻进速度是常数,每一常数钻速段代表一个均匀抗钻岩石(岩块),常数钻速之间的突变点或低钻速段分别为钻孔穿过岩块间断面的截点或截段.DPM可以提供工程岩体质量评价完善和提升所需要的新的测量方法和数据,从而可以快速、有效、定量地测量到岩石块体的单轴抗压强度、大小和地下分布,以及岩石块体之间界面断面的产状、延伸、凸凹起伏平整度、厚度和充填物质的物理和力学性质.通过实例来介绍、分析和解释这套技术、方法和规律.并且给出DPM钻孔过程监测完善和提升现有工程岩体质量评价RQD,Q,RMR和BQ方法的具体途径和计算公式,能更客观全面地确定岩块单轴抗压强度、岩体质量指标、岩体完整程度、岩石坚硬程度和间断面.     

隧道炮孔钻进信息地质预报初探

采用自研的炮孔钻进信息采集系统,记录钻进速度,在不同质量等级的围岩中开展钻进测试,对炮孔钻进地质预报在隧道掘进中的应用进行初步研究。测试结果表明钻进速率与岩体级别密切相关,钻进速度越快围岩的质量越差,钻进速度可作为判识岩体质量的关键指标。测试隧道的钻进速度变化幅度与岩体的节理裂隙发育情况密切相关,钻进速度的变化幅度越大与岩体节理裂隙越发育。     

地质钻探中坍塌破碎地层钻进护壁方法初探

分析了目前常用的地质钻探钻进护壁方法,主要包括了化学措施和物理措施两大类方法。结合地质钻探中现有的护壁方法,提出了一种钻进护壁的新方法,新方法主要包括:喷浆设备的发明和喷射浆液的选择。     

金刚石钻进能量在风化花岗岩地层中的变化特征

利用钻进过程监测系统在风化花岗岩地层中的试验数据对钻进系统的动能、轴力功、黏滞能耗及钻进总能量进行了分析。研究表明,钻具系统的动能在钻进能量中占主导地位,轴力功与黏滞能耗所占的比重很低,钻具系统的动能以及钻进总能量与岩石的风化程度呈负相关,轴力功与岩石的风化程度呈正相关,说明钻进能量与岩石风化程度具有很好的响应关系。最后,从破碎单位体积能耗的观点出发,分析了钻进比功与岩石风化程度之间的关系。研究表明,在全风化及强风化花岗岩地层中,金刚石旋转钻进比功值明显低于冲击凿碎比功;在微风化的坚硬与极坚硬岩石中,金刚石旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎比功。这为金刚石旋转钻进中岩石的实时分级与实时判层提供了新的方法。     

实时自动监测系统在库区某滑坡监测中的应用

三峡库区首次175 m试验性蓄水过程中,三峡库区云阳县某滑坡出现了险情,受到地质勘测相关部门及社会各界的广泛关注。为了实时掌握该滑坡的变形动向,通过无线网络并结合Internet网络,利用无线远程数据传输系统,实现对数据的采集和无线传输,并通过信息处理中心建立起完整的监测系统,以实现对该滑坡的实时自动监测。一年来的运行结果显示,实时监测系统保证了监测数据的连续性,可以较好的反映出滑坡的变形特征及变形趋势,且该系统具有低功耗、低成本、高可靠性等特点,是一套比较理想的监测系统。     

香港大学钻孔过程数字监测仪在土钉加固斜坡工程中的应用

介绍了一台新型的能够自动、客观和连续不断地记录和监测钻孔过程的钻孔过程数字监测仪(DPM)。钻孔过程可由一些随时间变化的钻孔参数来表述,这些参数包括钻杆和钻头的位置、位移和转动,以及钻机对钻头施加的各种动力载荷。此便携式监测仪可快速地安装到钻探机或钻孔机上,并且已经在香港防止山泥倾泻的斜坡加固工程中得到应用。通过实例讨论阐述了在风化岩土斜坡中安装土钉的钻孔过程实测结果。这些实测结果是从香港斜坡防护常用的土钉钻孔过程中得到的。这些实测结果表明钻孔过程参数随时间的动态监测可为工程质量管理和控制以及岩土工程设计和检验提供丰富、有利的真实数据和资料。     

香港充填土风化花岗岩场址勘探中的界面识别研究

针对香港充填土风化花岗岩场址勘探,在液压旋转钻机上安装钻孔过程监测系统(DPM),对有效轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率进行了实时监测。采用变斜率作为显著性指数,对地层中的主、次界面进行了识别。t-检验表明:DPM系统对岩土界面识别的置信度为99%。此外,对穿孔参数在界面处的变化分析表明:这些参数随孔深的变化曲线在界面处存在不同涨落,轴压力和穿孔速率对界面上岩石强度变化的响应度为81.82%。     

Automatic monitoring of rotary-percussive drilling for ground characterization—illustrated by a case example in Hong Kong

In mountainous regions comprising weathered soils and rocks, it is important to delineate the spatial distributions of geomaterials with different weathering and decomposition grades in depth. This paper presents a methodology to cost-effectively and accurately identify the subsurface zones of volcanic weathering. The methodology consists of in situ digital monitoring and a number of associated data analysis methods. The in situ digital technique is the drilling process monitor. It can automatically, objectively and continuously measure and record parameters associated with the full drilling process of a rotary-percussion drilling machine when it is being used to drill a production hole (such as probe holes and soil nail holes) in the ground. The data analysis methods are used to identify relevant factual data from the full drilling process data for zoning. The calculations are simple and straightforward tasks. Factual data presented in the paper illustrate that the proposed methodology can be a simple and cost-effective tool to record and utilize by-products of current normal drilling practice for ground investigation, geotechnical design and verifications, drilling construction management, as well as drilling quality control. The proposed methodology offers great potential in furthering the geotechnical knowledge and engineering practice in Hong Kong and many other mountainous regions comprising weathered soils and rocks. There is also significant potential for other applications in civil and mining engineering through estimation of the mechanical properties of rock from the monitored drilling data.     

基于钻孔过程监测系统(DPM)全钻分析的钻孔过程塌孔监测

利用钻机在地表面成孔是边坡工程里最常见和重要的操作之一。钻孔的成孔质量决定了土钉、锚杆的灌浆体质量,从而影响了边坡加固的效果。而影响钻孔成孔质量的关键因素是钻孔过程中的塌孔现象。这篇论文给出了一个经济、快速、准确地定位塌孔位置的方法。该方法应用基于Labview编制而成的实时分析程序对钻孔过程监测系统(DPM)提供的实时监测数据进行全钻分析,所有钻孔过程中遇到的塌孔区都能被准确定位,有效地提高了成孔的质量,防止了工程质量事故的发生。     

旋挖施工在地铁工程中的应用

结合工程实际,从平整场地、放线定位、钻机就位、护筒埋设等方面介绍了旋挖钻进施工工艺流程,并简要介绍了旋挖钻机的施工特点,以全面推广与应用该技术。     

Field study on swelling-shrinkage response of an expansive soil foundation under high-speed railway embankment loads

This paper presents a comprehensive field investigation of the swelling-shrinkage behavior of an expansive soil ground under high-speed railway embankment loads. In this study, a test site close to the Kunming-Nanning high-speed railway (KNHR) was chosen for the construction of four full-scale field test facilities for artificially soaking the expansive soil ground. Three of the facilities consist of embankments of three different heights, while the fourth facility is for a series of plate load swelling tests. All the test embankments were fully instrumented to monitor the ground deformation and the changes in volumetric water content profiles of the foundations. The full-scale field tests were complemented by a detailed site investigation comprised of cone penetration tests (CPTs), standard penetration tests (SPTs) and a comprehensive laboratory characterization of intact expansive soil samples retrieved from the test site. The results obtained from the laboratory and field tests show that the swelling behavior of the expansive soil ground mainly depends on the embankment load. By properly designing the embankment height and considering the maximum swelling pressure the expansive ground could induce, the heave of the embankment could be controlled efficiently. The measured displacements at the ground surface are well correlated with the evolution of measured volumetric water contents within a ground depth of around 4.5?m. The majority of these displacements occurred when the ground was approaching saturation along both wetting and drying paths. Finally, a simple method based on one-dimensional test results was proposed, and a good performance was shown in predicting the heave or settlement of embankments over an expansive soil ground upon wetting and drying.