钻孔轨迹测量系统及预警方法技术方案

本发明专利技术公开了一种钻孔轨迹测量系统及预警方法，测量装置包括通水通缆钻杆、钻头、微机电测量短节、信号处理单元和工控机。微机电测量短节和钻头固定在首节钻杆端部。通水通缆钻杆可同时实现高压冲洗介质的传输和测量数据的实时传输。通水通缆钻杆高速旋转，带动钻头完成桩体的钻孔，微机电测量短节实时测量钻孔轨迹信息，并通过穿设在钻杆通缆孔内的电缆传输给信号处理单元，信号处理单元再通过无线传输的方式将数据传输给工控机。工控机对钻孔轨迹信息进行预测，从而对钻孔轨迹发生偏差的位置及时预警。本发明专利技术可快速准确捕捉桩体钻孔轨迹信息、三维位置信息，为及时发现、纠正桩身姿态提供重要支撑。态提供重要支撑。态提供重要支撑。

【技术实现步骤摘要】
钻孔轨迹测量系统及预警方法


[0001]本专利技术涉及一种探测钻孔轨迹的测量系统及对钻孔轨迹进行预警的方法。本专利技术属于水利水电工程软弱地基加固


技术介绍

[0002]水利水电工程施工前，需要对地基进行处理，特别需要对一些软弱地基进行加固。目前，对于软弱地基的加固方法主要是往地层中植入高度为10米
‑‑
50米的碎石桩，即通过振冲器振冲造孔，在振冲造孔的同时填入不同粒径的砂石，边振冲造孔边填充砂石边夯实砂石，形成碎石桩。在振冲造孔、填充砂石料的过程中，由于不同深度的地层地质不同、硬度不同、振冲器向下振冲造孔路径的偏移、填料不稳定等诸多因素的影响，往往会出现振冲碎石桩倾斜的现象，从而减弱振冲碎石桩对地基的处理效果。因此，在水利水电工程软弱地基处理时，及时检测、纠正振冲碎石桩的桩身姿态尤为必要。
[0003]通常，探测桩身姿态的方法是钻机钻孔，结合钻孔轨迹，反演钻孔在地层中的实际位置、判断深部地层内桩体是否发生较大倾斜/偏移，确定桩身姿态的合理性。
[0004]当前，对于千米级深度地层来说，其钻进方式是钻杆不旋转，电机驱动钻头高速旋转，钻头带动钻杆钻进造孔，其优点是钻进轨迹控制精准，获得的钻孔轨迹精准；其缺点是：钻头昂贵，施工成本高。对于百米级深度的地层来说(本专利技术涉及的桩身高度为70
‑
100米)，常采用的钻进方式是钻头不旋转，电机驱动钻杆高速旋转，高速旋转的钻杆带动钻头钻进，获取钻孔轨迹，其优点是：施工成本低、施工方便；其缺点是：1、由于钻杆高速旋转，内置在钻杆内的用于传输数据的电缆容易缠绕，电缆易被扯断；2、由于在钻进过程中，伴随钻杆向下钻进，需要实时用高压水流冲击地层，故，用于传输数据的电缆受到高压水流、泥浆脉冲、电磁波等干扰，数据传输不稳定，数据传输不流畅，受到较大的干扰；3、由于现场施工环境恶劣，数据传输电缆长时间受到高压水流的冲洗，极易损坏，影响测量装置的正常工作。
[0005]总之，目前在水利水电工程软弱地基加固
，受钻孔空间、施工成本以及控制方式的限制，还无法实时、准确地获取百米级钻孔轨迹，无法结合钻孔轨迹判断桩身姿态。

技术实现思路

[0006]针对百米级地基加固桩体工程，本专利技术的目的是提供一种运行稳定可靠、造价低的用于探测钻孔轨迹的测量系统。
[0007]本专利技术的另一目的是提供一种针对钻孔轨迹的预警方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种钻孔轨迹测量系统，它由若干节可拼接的通水通缆钻杆、电机、钻头、微机电测量短节、信号处理单元和工控机构成；所述钻头和首节所述通水通缆钻杆固联，所述电机位于地面，电机的输出轴通过联轴器与最末一根所述通水通缆钻杆相连，驱动通水通缆钻杆旋转，进而推进所述钻头钻孔；所述信号处理单元位于地面，所述信号处理单元通过无线传输的方式将数据传输给所述工控机；其特征
在于：
[0009]在首节所述通水通缆钻杆内固定有所述微机电测量短节，所述微机电测量短节包括一密闭的圆柱形金属壳体和固定在壳体内的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴转速传感器，实现对首节所述通水通缆钻杆的位置信息、钻杆的偏航角、俯仰角、翻滚角及钻杆的旋转速度的测量；
[0010]所述MEMS传感器的数据输出端通过穿设在所述通水通缆钻杆内的绝缘导线与所述信号处理单元相连，进行数据传输；
[0011]所述通水通缆钻杆为实心的钢管，其上开有两个纵向通孔，一个为通水孔，一个为通缆孔，所述通水孔内穿设有通水管，所述通缆孔内穿设有用于传输数据的绝缘导线；
[0012]所述通水孔的直径应满足：
[0013]d
通水孔
＝1.05d
通水管
[0014][0015]d
通水管
≤3d1[0016]式中，d
通水孔
为通水孔直径，单位m；d
通水管
为通水管直径，单位m；Q为高压水流量，单位m3/h；v
max
为高压水最大流速，单位m/s；v
min
为高压水最小流速，单位m/s；d1为通水通缆钻杆直径，单位m；
[0017]在所述绝缘导线与通缆孔之间设有防水夹层，所述通缆孔的直径应满足如下要求：
[0018]d
通缆
＝1.05
×
(d
绝缘导线
+t
防水夹层
)
[0019]式中，d
通缆
为通缆孔的直径，单位m；d
绝缘导线
为绝缘导线直径，单位m；t
防水夹层
为防水夹层厚度，单位m。
[0020]所述通水通缆钻杆的直径应大于80mm，所述通水孔和通缆孔之间的最小间距应满足如下要求：
[0021][0022]式中，d2为通水孔和通缆孔最小间距，单位m；F为钻杆在旋转过程中所承受的最大力，单位N；σ为钻杆所用钢材的极限抗拉强度，单位MPa。
[0023]本专利技术提供的一种钻孔轨迹预警方法，它包括如下步骤：
[0024]S1、构建钻孔轨迹历史测量信息数据集；
[0025]获取不同地层钻孔时，构成MEMS传感器的三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴转速传感器测量的钻孔轨迹历史信息数据，对历史测量信息数据集进行预处理，形成用于钻孔轨迹建模的数据集；
[0026]该数据集里包含不同地层条件下的索引、日期、时间、偏航角、俯仰角、翻滚角、钻杆深度、钻杆转速信息；
[0027]S2、构建最优钻孔轨迹模型；
[0028]S2.1：将步骤S1构建的数据集中相同地层的钻孔轨迹信息数据聚类为一类，形成新的数据集；
[0029]S2.2：将步骤S2.1形成的新的数据集整理成时间序列，且将前N分钟的钻孔轨迹信
息作为模型输入数据，将N+1分钟的钻孔轨迹信息作为模型输出数据；
[0030]S2.3：构建深度学习算法池，将每类钻孔轨迹信息数据遍历算法池中每种算法模型，并进行深度学习，获得每类聚类场景对应的多个初始钻孔轨迹模型；
[0031]S2.4：采用AdaBoost数据增强算法对步骤S2.3建立的每类聚类场景对应的多个初始钻孔轨迹模型进行增强；
[0032]S2.5：寻找最优钻孔轨迹模型；
[0033]将步骤S2.2重新整理好的每类钻孔轨迹信息数据中前N分钟的钻孔轨迹信息作为模型输入数据，将N+1分钟的钻孔轨迹信息作为模型输出数据，输入到步骤S2.4增强处理后的每类聚类场景对应的多个初始钻孔轨迹模型中，通过相对误差(R
e
)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)评价不同初始钻孔轨迹模型的预测结果，对三个指标进行平均加权，选择平均加权数值最小的模型作为该类聚类场景下的最优钻孔轨迹模型；R
e
、RMSE和MAE计算公式如下：
[0034][0035][0036][0037]式中，参数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻孔轨迹测量系统，它由若干节可拼接的通水通缆钻杆、电机、钻头、微机电测量短节、信号处理单元和工控机构成；所述钻头和首节所述通水通缆钻杆固联，所述电机位于地面，电机的输出轴通过联轴器与最末一根所述通水通缆钻杆相连，驱动通水通缆钻杆旋转，进而推进所述钻头钻孔；所述信号处理单元位于地面，所述信号处理单元通过无线传输的方式将数据传输给所述工控机；其特征在于：在首节所述通水通缆钻杆内固定有所述微机电测量短节，所述微机电测量短节包括一密闭的圆柱形金属壳体和固定在壳体内的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴转速传感器，实现对首节所述通水通缆钻杆的位置信息、钻杆的偏航角、俯仰角、翻滚角及钻杆的旋转速度的测量；所述MEMS传感器的数据输出端通过穿设在所述通水通缆钻杆内的绝缘导线与所述信号处理单元相连，进行数据传输；所述通水通缆钻杆为实心的钢管，其上开有两个纵向通孔，一个为通水孔，一个为通缆孔，所述通水孔内穿设有通水管，所述通缆孔内穿设有用于传输数据的绝缘导线；所述通水孔的直径应满足：d
通水孔
＝1.05d
通水管
d
通水管
≤3d1式中，d
通水孔
为通水孔直径，单位m；d
通水管
为通水管直径，单位m；Q为高压水流量，单位m3/h；v
max
为高压水最大流速，单位m/s；v
min
为高压水最小流速，单位m/s；d1为通水通缆钻杆直径，单位m；在所述绝缘导线与通缆孔之间设有防水夹层，所述通缆孔的直径应满足如下要求：d
通缆
＝1.05
×
(d
绝缘导线
+t
防水夹层
)式中，d
通缆
为通缆孔的直径，单位m；d
绝缘导线
为绝缘导线直径，单位m；t
防水夹层
为防水夹层厚度，单位m。2.根据权利要求1所述的钻孔轨迹测量系统，其特征在于：所述通水通缆钻杆的直径应大于80mm，所述通水孔和通缆孔之间的最小间距应满足如下要求：式中，d2为通水孔和通缆孔最小间距，单位m；F为钻杆在旋转过程中所承受的最大力，单位N；σ为钻杆所用钢材的极限抗拉强度，单位MPa。3.根据权利要求1所述的钻孔轨迹测量系统，其特征在于：所述每节通水通缆钻杆的长度为6
‑
8m，相邻两节钻杆之间通过快接件相连。4.根据权利要求3所述的钻孔轨迹测量系统，其特征在于：相邻两节所述通水通缆钻杆之间设置有减震材料。5.根据权利要求1
‑
4之一所述的钻孔轨迹测量系统，其特征在于：在首节所述通水通缆钻杆的侧壁上设有一空腔，所述微机电测量短节固定在该空腔内。6.根据权利要求5所述的钻孔轨迹测量系统，其特征在于：在所述微机电测量短节的外面涂覆有一层防水材料，在所述防水材料的外面包裹有减震材料。
7.一种钻孔轨迹预警方法，它包括如下步骤：S1、构建钻孔轨迹历史测量信息数据集；获取不同地层钻孔时，构成MEMS传感器的三轴加速度传...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉杰，刘半柱，肖浩汉，娄旭峰，曹瑞琅，旺杰，王树生，马江飞，李雨桥，陈佳乐，
申请(专利权)人：中国水电基础局有限公司，
类型：发明
国别省市：