基于钻进过程信息挖掘的岩体力学特性感知系统

任务来源：

技术领域：水利工程建设与管理

技术来源：国家计划，自主研发。发明名称：一种自动耦合声波测试系统及声波测试方法（ZL201611237939.5）；实用新型名称：一种合理评价岩体TBM施工适宜性的试验设备（ZL201621362565.5）。

技术原理

钻孔过程中钻具与工程岩体直接接触，钻具响应信息能综合反映岩体力学性质，钻孔钻进过程本身就是一种定量评价岩体力学性质的原位测试方法。基于钻进过程信息挖掘技术建立岩体力学特性感知系统，设置高精度数字监测仪器自动采集和分析随着深度的钻孔过程数据，能够全面、连续和准确地实时获取岩体钻进过程中的推进压力、旋转速度、钻进扭矩以及电压电流等随钻响应信息。在获取钻进过程海量信息的基础上，根据力学平衡和能量守恒原理得到钻进比能、钻进速度以及钻进消耗功率等指标，通过充分挖掘和解译钻具响应数据中隐藏的大量地质信息，建立了钻具响应信息和工程岩体参数的映射关系，用于分析、测定岩体强度参数和岩体结构空间分布特征，提供地层界面识别和围岩级别划分的重要参考依据。

技术特色

　 （1）基于钻进过程信息挖掘的岩体力学特性感知系统，集硬件系统、数据分析软件系统、基本数据库以及三维展示程序为一体，并融合了大数据分析和云技术。 （2）采集和解译钻具响应数据中隐藏的大量地质资料信息，用于分析、测定岩土体力学参数和空间分布，形成地层界面识别和围岩级别划分等。（3）应用于灌浆工程，利用该技术对岩层可灌性进行评价、灌后质量检测，为未来智能化施工提供基础。（4）应用于隧道超前勘探，实现地质病害体探测，形成一种快速预测深长隧洞工程TBM掘进围岩工程特性评价新方法。（5）在钻爆法隧道工程中建立岩体物理力学指标和凿岩台车随钻参数映射关系，快速、准确、评判岩体工程特性，能为隧道施工和安全稳定提供技术支撑，实现隧道超欠挖预测和爆破布孔优化设计。

技术指标

（1）实时且同步获取、传输以及储存钻进响应数据（位移、液压、转速、扭矩等），采样频率达1s/个，单钻孔每日满额数据量86400组。
（2）功能模块包括钻进响应海量数据处理、钻进过程信息数据分析、钻机-岩体参数映射关系深度学习以及典型岩石钻具响应特征数据库。
（3）岩体质量参数（岩体质量指标、岩石硬度、抗压强度和岩石脆性等）三维云图展示，任意截面和局部地质体信息显示。
（4）提供岩层可灌性评价、工程灌浆质量检测以及TBM隧道围岩可掘进性分析等功能。

应用范围及前景

适用于普遍的岩土工程勘察，尤其是边坡工程地质勘查、灌浆工程可灌性判断和灌浆质量评价、TBM隧道掌子面超前勘察、钻爆法地下工程岩体参数分析等领域。
目前该系统已经在云南省文山壮族苗族自治州德厚水库、广西大藤峡水利枢纽和吉林省中部城市引松供水工程等国家172重大水利项目的工程中推广应用，取得了较好的应用成果。
典型应用案例：
案例1：在云南省文山壮族苗族自治州德厚水库，实现了快速对岩体工程力学特性进行定性的评价，通过标准化率定与不同岩体力学参数之间的相关分析，快速、有效、定量地获得到岩层层面、断层及软弱带厚度等空间发育信息，为灌浆方案设计完善和灌浆质量提升提供重要的测量手段。
案例2：开展了大藤峡水利枢纽岩溶坍塌区连续防渗墙工程岩体可灌性综合评价和灌后质量检测，在灌浆孔钻进过程中，以基于钻进过程信息挖掘的岩体力学特性感知系统为基础，联合跨孔电阻率CT组合探测并验证钻孔之间的地层性质、钻孔溶腔管道位置及溶洞区分布范围，并对灌后岩层质量检测和评价。
案例3：用于吉林省中部城市引松供水工程的隧道超前勘探，建立TBM隧道掘进参数和钻机响应参数关系，实现地质病害体探测，形成一种快速预测深长隧洞工程TBM掘进围岩工程特性评价新方法，为隧洞施工方法选择、施工进度安排和成本估算提供重要依据。

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赵宇飞

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