長(zhǎng)螺旋鉆孔成孔質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

郭義先　張召冉　馮紅超　矯偉剛　韓鵬飛　張　揚(yáng)

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京　100038；　2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京　100141)

0　引言

隨著城市化步伐的加快，大力開發(fā)和使用大型地下空間已經(jīng)成為一種必然。深大基坑往往需要更深更負(fù)責(zé)的支護(hù)體系作為安全保障。鉆孔灌注樁是常用的支護(hù)手段，其施工質(zhì)量，尤其是垂直度的要求會(huì)更高，為此開發(fā)設(shè)計(jì)針對(duì)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔垂直度的控制，實(shí)現(xiàn)成孔質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1　長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由傳感器、無(wú)線發(fā)射裝置、無(wú)線接收裝置、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，系統(tǒng)工作時(shí)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線發(fā)射和接收裝置輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)鉆孔傾斜度數(shù)值，包括角度和偏移距離。關(guān)鍵設(shè)備主要包括垂直傳感器、水平傳感器、電流傳感器，無(wú)線發(fā)射和接收器。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研比選，選取了BWM826型作為主要的傳感器。它是一款小體積低成本數(shù)字型雙軸傾角傳感器，輸出方式RS232,RS485或TTL電平接口標(biāo)準(zhǔn)可選。體積小、功耗低、一致性和穩(wěn)定性很高，由于是數(shù)字型傾角傳感器，線性度更容易得到修正。無(wú)線傳輸協(xié)議，現(xiàn)在普遍采用ZigBee。ZigBee1182數(shù)據(jù)傳輸終端是一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能。

該傳輸系統(tǒng)主要由傾角傳感器(5個(gè))、無(wú)線發(fā)射裝置(5個(gè))、無(wú)線接收裝置(1個(gè)構(gòu)成)。具體如圖1所示。

2　監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)及測(cè)試

測(cè)試軟件主要采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)。具體開發(fā)過(guò)程如下。

2.1　系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)

根據(jù)前面所述，系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)開發(fā)的架構(gòu)。主要包括以下內(nèi)容：

1)系統(tǒng)中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的讀取，收集到的X,Y數(shù)據(jù)等信息。

2)數(shù)據(jù)的解析發(fā)送，接收到的16位進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，重新解析出設(shè)備號(hào)、收集到坐標(biāo)軸及其數(shù)據(jù)。

3)系統(tǒng)界面的構(gòu)成。主要由系統(tǒng)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的按鈕、系統(tǒng)數(shù)據(jù)串口命令的設(shè)置、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的波形顯示等內(nèi)容構(gòu)成。

2.2　系統(tǒng)開發(fā)主要模塊

2.2.1集成模塊開發(fā)

在Labview環(huán)境下，開發(fā)相關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)程序，關(guān)鍵設(shè)備如傳感器、無(wú)線接收模塊。整體驅(qū)動(dòng)硬件主要分為串口數(shù)據(jù)接收部分、數(shù)據(jù)接收處理、數(shù)據(jù)顯示部分、錯(cuò)誤顯示情況。

2.2.2數(shù)據(jù)讀取模塊

后臺(tái)數(shù)據(jù)讀取全部為16進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此需要數(shù)據(jù)讀取模塊轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制。數(shù)據(jù)讀取模塊的關(guān)鍵作用就是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取，通過(guò)公式演算解析成角度用波形圖表(Chart)展示。

1)把緩沖區(qū)接收到的字符串原始數(shù)據(jù)用截取字符段控件，通過(guò)字段長(zhǎng)度的方式截取出傳感器的設(shè)備號(hào)、端口值、數(shù)據(jù)值。

2)通過(guò)條件函數(shù)(Case Structure)篩選設(shè)備號(hào)和端口值確定發(fā)送設(shè)備后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理——通過(guò)采集值轉(zhuǎn)電流和電流轉(zhuǎn)角度公式演算出及時(shí)角度。

3)通過(guò)捆綁簇(Bundle)結(jié)合兩個(gè)輸入控件作為預(yù)警線將數(shù)據(jù)傳至波形圖表(Chart)展現(xiàn)及時(shí)角度的變化。

4)對(duì)While循環(huán)上的移位寄存器增加元素并創(chuàng)建顯示控件，可實(shí)現(xiàn)同步迭代更新最近三個(gè)角度數(shù)據(jù)值方便觀測(cè)記錄。

5)定時(shí)等待(ms)設(shè)置500 ms使波形減緩便于觀測(cè)。

通過(guò)以上過(guò)程，分別開發(fā)了樁架水平數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、樁架垂直數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、鉆桿垂直數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、平臺(tái)水平數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、電機(jī)電流監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、鉆桿偏移距離監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等7個(gè)界面的集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)界面的優(yōu)勢(shì)：

1)施工時(shí)隨時(shí)可以監(jiān)控各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)情況，根據(jù)打樁深度預(yù)先設(shè)計(jì)的預(yù)警值，當(dāng)超過(guò)預(yù)警線時(shí)自動(dòng)報(bào)警，提示鉆機(jī)操作人員和管理人員需要注意鉆機(jī)狀態(tài)，并及時(shí)采取一定的措施進(jìn)行糾偏。

2)該系統(tǒng)界面美觀，容易操作，系統(tǒng)運(yùn)行正常情況下，只需要設(shè)計(jì)預(yù)警值，同時(shí)點(diǎn)擊關(guān)注的傳感器數(shù)據(jù)，就可以輕松得到其相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3　系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的實(shí)驗(yàn)室模型如圖2所示。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，將傳感器和無(wú)線發(fā)射裝置安裝如PVC制作的鉆桿中，其位置位于鉆桿正中間，接收裝置安裝在鉆機(jī)平臺(tái)頂部。為了驗(yàn)證測(cè)試角度的準(zhǔn)確性，在頂部平臺(tái)安裝有角度測(cè)量工具，指針的角度隨著鉆桿擺動(dòng)。

另外，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)警戒值，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)超過(guò)警戒值時(shí)(圖3中虛線)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，彈出報(bào)警信息，提示管理人員，需要對(duì)樁

機(jī)鉆孔施工采取措施，保障鉆孔的施工質(zhì)量。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面如圖3所示。

3　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的實(shí)施監(jiān)測(cè)的原理特點(diǎn)，進(jìn)行了系統(tǒng)構(gòu)建，開發(fā)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括樁架水平數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、樁架垂直數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等七大子系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)檢驗(yàn)得到，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件具有高可靠性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)需要進(jìn)行具體增減。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔景山,高丙山,王寶德,等.復(fù)雜地質(zhì)條件下“引鉆結(jié)合”成孔工藝研究及應(yīng)用[J].建筑施工,2016,38(12):1654-1656.

[2]沈洪賢.淺談長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)施工CFG樁工藝及質(zhì)量控制[J].中外企業(yè)家,2016(9):188，190.

[3]張洪.關(guān)于長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)與回旋鉆機(jī)施工比較的技術(shù)探討[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2013(18):24-25.

[4]王永輝,馬巧遇,商健林.長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔CFG樁施工技術(shù)[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2012,8(4):114-116.

[5]郭傳新.中國(guó)樁工機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].建筑機(jī)械化,2011,32(8):7,16-21.