劉先珊　張同樂　牛萬保

摘要：

采用在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測進行隨鉆參數(shù)的采樣與分析，建立了派生參數(shù)與直測參數(shù)的理論表達式，提出了多因素組合的地層比功模型，實現(xiàn)了地層地質(zhì)條件與隨鉆參數(shù)的有機結(jié)合。以重慶市某高壓變電站施工場地為依托，建立了不同地層如素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層及泥巖層的地層比功演化曲線，對比地勘信息可知，不同地層的比功值存在顯著差異?？梢姡侠淼牡貙颖裙﹂撝凳潜孀R地層類型的重要參量。運用統(tǒng)計學(xué)原理對勘測孔附近不同地層的比功值閾值進行保值優(yōu)化，通過地勘獲得的地層信息來驗證閾值區(qū)間的可靠性。進一步采用如上地層比功閾值對該區(qū)域的其他樁位所在地層進行分析驗證，說明了地層比功閾值優(yōu)化的統(tǒng)計方法可行，其閾值區(qū)間合理，可用于其他賦存環(huán)境的地層比功閾值確定及地層識別。

關(guān)鍵詞：

旋挖鉆機；隨鉆參數(shù)；比功模型；統(tǒng)計分析；閾值優(yōu)化

中圖分類號：TU473.1

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2017）02005807

Abstract：

The drilling parameters in the rotary drilling process were sampled and analyzed using online monitoring system. The theoretical expressions between the derived parameters and direct sampling parameters were constructed， and the model of formation work ratio considering multifactor combinations was also proposed to realize the perfect integration of geological conditions and drilling parameters. With the case study of a construction field of the high voltage substation in Chongqing， the curves of different formations such as backfilled soil， silty clay sandstone and mudstone formations were described and compared with the geological survey， the comparison presented obvious difference of different formations. The above results indicated that rational work ratio thresholds were significant to identify the strata characteristics. And then， the work ratio threshold of different formations was optimized near the surveying piles based on the statistical analysis theory to prove the reliability of the threshold range of different formations according to the geological information. In addition， the threshold value were used to verify the formations far away from the surveying piles， the results deeply calibrated the proposed method and verified the rationality of the threshold values. Therefore， the proposed method to determine the threshold range based on formation work ratio model can be used to another different formations and strata identification.

Keywords：

rotary drilling rig；drilling parameters；work ratio model；statistical analysis；threshold optimization

旋挖鉆機作為嵌巖樁成孔的一種重要施工方式，其鉆進過程中的隨鉆參數(shù)與地層物性特征關(guān)聯(lián)性研究不僅可以作為施工操作時的依據(jù)，還可為嵌巖持力層的判定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將旋挖鉆機工作過程中的隨鉆參數(shù)進行采樣分析，并建立基于相關(guān)直測參數(shù)與派生參數(shù)的理論表達式，提出多因素組合控制的地層比功數(shù)學(xué)模型，以實現(xiàn)隨鉆參數(shù)判定地層物性特征的目的 [13]。因此，比功法是將地層地質(zhì)賦存條件與隨鉆參數(shù)如鉆進壓力、回轉(zhuǎn)速度、鉆矩、鉆進率、接觸面積等因素綜合考慮，是一種針對時時鉆進過程中多因素綜合指標(biāo)的地層辨識方法。比功值作為體現(xiàn)巖土參數(shù)指標(biāo)的重要參量，根據(jù)曲線的時空演化規(guī)律初步判定地層物性特征的變化。因此，以旋挖施工過程中的地層比功曲線的變化趨勢即可識別不同地層且進行持力層辨識，使得施工過程具有可控性，提高了施工效率并終孔深度確定的可靠性。

近年來，比功法作為工程師與科學(xué)家認為較為合理的方法，實際應(yīng)用成果不多。劉寶林等[4]根據(jù)鉆孔深度的不同，將鉆柱孔壁環(huán)節(jié)作為主要的影響因素并從能量傳遞角度，提出了鉆機鉆進過程中的優(yōu)化原理。趙大軍等[5]就鉆機優(yōu)化鉆進在施工過程中的鉆進特點進行了大量的研究，提出了在鉆進過程中的比功法的原理以及比功值范圍，并取得了豐碩的成果。

比功值作為識別地層的重要巖土參數(shù)，其不同地層的比功閾值區(qū)間的確定至關(guān)重要。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》可知，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對工程勘察試驗的巖土力學(xué)試驗數(shù)據(jù)進行分析修正，可以將大樣本巖土參數(shù)結(jié)果直觀準確簡單有效的體現(xiàn)，且實際應(yīng)用中的可靠性高[68]。吳長富等[9]歸納總結(jié)了現(xiàn)行規(guī)范巖土參數(shù)估計理論在勘察中的應(yīng)用，并指出巖土參數(shù)點估計與區(qū)間估計兩種數(shù)理統(tǒng)計方法在實際勘察中存在的缺陷。黃一峰等[10]通過KS檢驗法與經(jīng)典的概率分布函數(shù)做對比，為大樣本巖土參數(shù)概率分布推斷提供了新的途徑。卞世俊[11]提出采用不同方法降低標(biāo)準差及變異系數(shù)提高數(shù)理統(tǒng)計的精度，可以得到可靠度較高的巖土參數(shù)。張潤明等[12]根據(jù)巖土體本身的特性認為按照傳統(tǒng)的理論計算巖土參數(shù)的概率分布特征是不科學(xué)的，提出采取相關(guān)型參數(shù)區(qū)間估計方法。

鑒于巖土材料是地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)物，具有很強的空間變異性，但彼此間也有一定的相關(guān)聯(lián)性，因此，選取正確的數(shù)學(xué)模型，將復(fù)雜的巖土對象（即多個參數(shù)的相互關(guān)系）聯(lián)系起來，然后轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)學(xué)描述十分關(guān)鍵[1315]。根據(jù)規(guī)范[6]可知，用數(shù)理統(tǒng)計方法對比功值數(shù)據(jù)進行處理是可行的，其方法不僅僅可考慮巖土體及比功值的變異性與相關(guān)性，且能對變化的數(shù)據(jù)曲線給出合理的優(yōu)化區(qū)間[16]。在已有的研究基礎(chǔ)上，以重慶市江津某輸變電工程旋挖樁位隨鉆參數(shù)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，用比功模型計算不同地層的比功值，用統(tǒng)計方法優(yōu)化上述比功值得到不同地層的比功閾值，與實際地勘信息對比，表明本文確定的地層特征是符合實際的，說明閾值區(qū)間值是可靠的。并將該閾值用于非勘測孔樁位在旋挖鉆進過程中的地層辨識，進一步驗證了確定方法的可行性及閾值的合理性。

1工程簡介

1.1工程概況

江津某輸變電工程場地原始地形屬剝蝕淺丘地貌及河流侵蝕溝谷地貌。場地類別屬中等復(fù)雜場地，巖土種類較多，較不均勻。平整場地后，在場地東南角及西北為填方地段，采用人工機械拋填并進行強夯處理，填土厚度0～21.3 m，局部基巖出露，平場標(biāo)高約為303.0～305.0 m。

場地地層為內(nèi)陸河湖相沉積，巖土層劃分為：上覆第四系全新統(tǒng)素填土（Q4ml）、粉質(zhì)粘土（Q4dl+el），下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2S）泥巖與砂巖互層分布。基巖狀態(tài)分為強風(fēng)化及中等風(fēng)化，強風(fēng)化層巖體破碎～較破碎，質(zhì)較軟，結(jié)構(gòu)構(gòu)造欠清晰，中等風(fēng)化基巖巖體較完整，結(jié)構(gòu)構(gòu)造清晰，巖體為層狀結(jié)構(gòu)。

場地內(nèi)的所有旋挖樁采用中聯(lián)重科ZR220A施工，該鉆機參數(shù)配置合理，生產(chǎn)效率高，且有多種鉆桿選擇，匹配不同鉆具即可進行不同類型巖土層如素填土層、粘土層、砂層、凍土層、卵石層和中風(fēng)化巖層等的旋挖作業(yè)，以滿足日益復(fù)雜的施工要求，具有廣泛的用途和很強的適應(yīng)性[17]。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2比功模型

為了進行鉆進過程中的地層識別，基于在線監(jiān)測系統(tǒng)獲得鉆進直測參數(shù)（圖1），并推導(dǎo)派生參數(shù)（圖1）表達式，針對各參數(shù)的時空演化曲線分析鉆進參數(shù)與地層物性特征的關(guān)聯(lián)性，通過控制鉆進壓力、回轉(zhuǎn)速度等參數(shù)以實現(xiàn)最優(yōu)鉆進速度。因此，綜合考慮各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合旋挖施工場地的地層條件與鉆進方法，建立考慮轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、鉆進率、給進力、鉆孔直徑等多因素綜合影響的數(shù)學(xué)模型，即為地層比功模型，如式（1）所示，可根據(jù)地層比功與鉆進深度的變化趨勢來鑒別地層的變化特征。

e=F[]A+2π[]Anω[]u（1）

式中：e為比功；F為給進力；A為鉆孔面積；n為轉(zhuǎn)速；ω為轉(zhuǎn)矩；u為機械鉆速。比功法綜合考慮了給進力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、鉆進率、鉆孔直徑等鉆進主要參數(shù)，可較好地識別地層。

對此方法進行了詳細的研究，將地層分為了3大類：土層、破碎松散層、巖層。由于上述3種地層的物性特征不同，鉆進過程中的隨鉆參數(shù)及派生參數(shù)差異較大，計算表明其不同地層的比功值差異顯著，且范圍變化很大，地層區(qū)分較為模糊，比功閾值區(qū)間有待進一步優(yōu)化。鑒于巖土體賦存環(huán)境的各向異性及力學(xué)參數(shù)的隨機性，不同地層的比功值閾值確定也需考慮如上影響因素，因此，本文提出基于統(tǒng)計學(xué)原理的地層比功值閾值優(yōu)化，能對不同地層分界進行準確確定。

根據(jù)本依托工程地質(zhì)勘查情況，將施工場地旋挖樁所在地層劃分為素填土層，粉質(zhì)粘土層，砂巖層以及泥巖層。由于不同地層的比功值差異大，因此，基于挖鉆鉆進監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測的直測參數(shù)以及多個派生參數(shù)推導(dǎo)而來的比功值（圖1）也將產(chǎn)生顯著變化，即上述4種地層的比功值隨著鉆進過程不斷變化。對所有勘測孔附近的旋挖鉆進過程進行監(jiān)測分析并計算每個樁位鉆進過程中的比功值，由于實際施工過程的不精準性，對地勘信息完備的勘測孔附近樁位地層比功值進行統(tǒng)計分析，得到保值率更高的地層比功閾值區(qū)間，更準確進行地層識別。

2比功值的統(tǒng)計分析方法及實施步驟

在現(xiàn)有的巖土參數(shù)的計算方法中，是在概率的分布和對數(shù)值進行估算的情況下進行的。對于某些未知參數(shù)如巖土力學(xué)參數(shù)，若想估計出一個滿足工程需要的參數(shù)范圍，并期望確定這個范圍包含未知參數(shù)真值的可信程度，這個范圍通常是以區(qū)間的形式給出，這種形式的估計稱為區(qū)間估計。區(qū)間估計是通過參數(shù)置信區(qū)間的置信度來衡量的。

根據(jù)巖土工程的實際情況和數(shù)理統(tǒng)計理論，認為巖土參數(shù)試驗數(shù)據(jù)樣本量n<30屬于小樣本容量情況，反之，為大樣本容量情況。本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果均為大樣本情況，其分析方法如下。

確定樣本容量n后，需要確定分位點，即對于給出的置信水平1-α，來確定分位點。最后利用不等式變形得到未知參數(shù)的置信區(qū)間：x±ua[]2·σ[]n。相關(guān)統(tǒng)計分析指標(biāo)如下：

樣本均值：x=ni=0xi

樣本標(biāo)準差：σ=ni=1（xi-x）2[]n-1

平均誤差：μx=σ[]n

置信上限：λ1=x-uα/2·σ[]n

置信下限：λ2=x+uα/2·σ[]n

計算完區(qū)間估計，將采取類似“3σ法則”來檢驗此區(qū)間優(yōu)化方法的合理性，即另采集若干同類巖土層的不同比功值參數(shù)數(shù)據(jù)，計算該數(shù)據(jù)落在優(yōu)化后的區(qū)間的比例。

3勘測孔附近樁位的地層比功值統(tǒng)計

3.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計

收集整理了該場地全部樁位旋挖鉆進的隨鉆參數(shù)及計算的比功值。其中，勘測孔附近樁位共有10根：包括素填土層比功值數(shù)據(jù)182組，粉質(zhì)粘土層比功值數(shù)據(jù)46組，砂巖層比功值數(shù)據(jù)34組，泥巖層比功值數(shù)據(jù)49組。

3.2數(shù)據(jù)分析

由于不同樁位中等風(fēng)化基巖的天然、飽和狀態(tài)下抗壓強度具有變異性，相同巖土層的比功值分布概率考慮符合正態(tài)分布。獲得勘測孔附近樣本樁孔的地層結(jié)構(gòu)和相應(yīng)比功值后，對不同地層的比功值進行分析，以確定保值率在95%時的比功置信區(qū)間。如下將對素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層以及泥巖層四類巖土層的比功值分別進行統(tǒng)計分析。

基于SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層以及泥巖層4類巖土層的比功值分別進行分析，根據(jù)可用的有效數(shù)據(jù)的概率分布，相當(dāng)于找到一個合適的數(shù)組范圍來估算特定某場地巖土屬性[18]。其數(shù)據(jù)分布直方圖見圖2～5，分析結(jié)果見表2。結(jié)果表明，4種巖土層的比功值分布規(guī)律不盡相同，素填土層、粉質(zhì)粘土層及砂巖層的比功值分布規(guī)律均符合正態(tài)分布規(guī)律，而泥巖層比功值的分布規(guī)律符合偏正態(tài)分布規(guī)律，在大樣本數(shù)據(jù)分析過程中，正態(tài)分布規(guī)律可以充分利用樣本自身所提供的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)隨鉆參數(shù)如給進力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、鉆進速度及鉆孔直徑等參數(shù)的時空演化曲線可知地層比功值與與巖土體的固有屬性關(guān)系密切。也即地層比功值是地層的固有屬性，是同一施工場地巖土層承載能力評價的特征值，可用來判定地層類型。通過以上統(tǒng)計分析，并結(jié)合實際地看資料，得到4種地層——素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層以及泥巖層，各層所對應(yīng)的比功值閾值區(qū)間，對應(yīng)于保值率為95%時的保值優(yōu)化區(qū)間分別為4.83～29.17、31.86～49.78、51.57～70.73、72.79～15246 MPa。

4工程實例應(yīng)用

為驗證如上地層比功閾值區(qū)間的合理性?，F(xiàn)選取依托項目中一根靠近已知勘測線的樁構(gòu)架19#樁，該樁位于場地1-1勘測線上、ZY3勘測孔下方1.381 m處。根據(jù)已知勘測線的情況，推斷出19#樁在鉆深0～17.6 m時處于素填土層，17.6～188 m時處于粉質(zhì)粘土層，18.8～19.4 m時處于砂巖層，194 m以下時處于泥巖層。

統(tǒng)計該根樁比功值數(shù)據(jù)共有42組，比功值隨鉆深度的變化曲線如圖6所示。由圖可得，隨鉆深的變化，比功值呈現(xiàn)階梯形變化，即可得到樁身鉆深0～17.76、 17.76～18.84、18.84～19.2、19.2～201 m時的比功值范圍變化較大，與地勘資料中地層的變化是一致的。該根樁42組數(shù)據(jù)中，處于4種土層的優(yōu)化區(qū)間內(nèi)的百分比分別為100%、95%、100%、100%。因此，以比功值的變化來識別地層是可行的，并且，比功值區(qū)間的劃分也是合理符合實際的。

另外，對全部非勘測孔附近的68根樁位的比功值進行統(tǒng)計：包括素填土層比功值796組，粉質(zhì)粘土層比功值208組，砂巖層比功值130組，泥巖層比功值138組?；谝延械牡貙颖裙﹂撝祬^(qū)間，對68根樁位比功值進行再次統(tǒng)計分析，反饋分析該區(qū)間對未知區(qū)域地層識別的保值率，如表2所示，非勘測孔附近各土層比功值的保值率均在90%以上，表明統(tǒng)計方法優(yōu)化確定的閾值區(qū)間可靠性較高，對勘測孔較少的場地進行其他樁位地層辨識是可行的。

5結(jié)論

通過對重慶某地區(qū)旋挖樁施工的全程監(jiān)測工況參數(shù)后處理得到的各土層比功值的統(tǒng)計分析，給出了素填土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖層以及泥巖層4種土層的比功值保值率為95%的優(yōu)化區(qū)間，并結(jié)合工程中非勘測孔附近樁地層的反饋分析，說明本文提出的地層比功閾值優(yōu)化統(tǒng)計方法是可行的。結(jié)論如下：

1） 統(tǒng)計結(jié)果源于重慶市地區(qū)實際工程實測試驗數(shù)據(jù)，相對于趙大軍等[5]的推薦值來說，其結(jié)果在地層識別的工作中更具有區(qū)域代表性和區(qū)域適用性。

2） 地層比功值是對鉆進過程中的地層特征進行實時辨識的重要參量，但不同地層的比功閾值區(qū)間確定是關(guān)鍵。基于提出的統(tǒng)計方法實現(xiàn)了地層比功閾值區(qū)間的確定，并對非勘測孔附近地層比功值保值率進行了反饋分析，其保值率均能保持在90%以上，說明該方法用于復(fù)雜賦存環(huán)境中的地層辨識是可行的。

3）數(shù)據(jù)采集過程中，主要針對本項目的四種地層進行統(tǒng)計分析，鑒于其他賦存環(huán)境中的地層比功值隨機性及變異性，需對基于多種環(huán)境中多因素協(xié)同控制比功值進行統(tǒng)計分析，獲得更多符合實際的比功值分布模型，隨著資料的豐富和試驗數(shù)據(jù)的積累，閾值優(yōu)化的統(tǒng)計分析還需進一步完善。

4）雖然，主要采集的是重慶市具有代表性的巖土層，但對其他區(qū)域的不同巖層而言，采用比功模型及統(tǒng)計方法進行閾值區(qū)間優(yōu)化并進行地層識別仍是可行的?？梢?，對于重慶地區(qū)而言本文的統(tǒng)計結(jié)果具有一定的代表性和適用性，尤其是針對地層分布類似的土層，本文的結(jié)果可供參考使用。

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