基坑淺孔鉆孔成孔質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭義先 張召冉 馮紅超 韓鵬飛 張 揚(yáng) 矯偉剛

(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)

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)針對長螺旋鉆機(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。

1 長螺旋鉆機(jī)工作原理及其特點(diǎn)

長螺旋鉆機(jī)構(gòu)成中，如圖1所示。樁架是長螺旋鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)的主體，主要作用是懸掛鉆進(jìn)系統(tǒng)和提升鉆桿，當(dāng)一個(gè)孔完成之后，樁架通過行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工位的移動(dòng)，再完成下一個(gè)工位。樁架可分為上盤、中盤和下盤三部分組成。上盤由立桿、斜撐、鋼絲繩等組成。中盤由機(jī)身、液壓回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起柱架等組成，下盤主要是行走機(jī)構(gòu)。樁架的核心部分是立桿，在鉆進(jìn)過程中起到支撐和導(dǎo)向的作用，主要承受動(dòng)力頭的扭矩和提鉆時(shí)鋼絲繩的壓力。鉆桿上裝有活葉鉆頭，鉆機(jī)的鉆進(jìn)工作主要依靠鉆桿完成。平臺(tái)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起到樁架位置及機(jī)身穩(wěn)定的作用。

2 測斜系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

對于長螺旋鉆孔施工來講，鉆孔施工時(shí)，成孔質(zhì)量主要取決于以下幾個(gè)主要方面：

1)鉆機(jī)本身的水平控制，其主要由鉆機(jī)底盤決定。底盤的穩(wěn)定性是決定整個(gè)鉆機(jī)水平與否的關(guān)鍵。鉆機(jī)依靠履帶進(jìn)行行走，鉆孔時(shí)在支腿的輔助作用下，保持機(jī)體的整體穩(wěn)定性。穩(wěn)定性越高，鉆孔質(zhì)量越容易保障。

2)鉆機(jī)立桿的垂直度。鉆機(jī)立桿的垂直度也是影響鉆孔質(zhì)量的關(guān)鍵之一，當(dāng)立桿垂直度欠佳時(shí)，因?yàn)殂@桿是在立桿的基礎(chǔ)上進(jìn)行行進(jìn)鉆土作業(yè)，因此，其垂直度會(huì)影響到鉆桿的行進(jìn)軌跡，因此在控制中要注意鉆機(jī)立桿的控制，保證其垂直度的要求。

3)鉆桿上動(dòng)力頭的水平控制、垂直控制。當(dāng)鉆桿發(fā)生傾斜時(shí)，鉆機(jī)動(dòng)力裝置必然受到鉆桿的影響，會(huì)發(fā)生一定的偏移或變形，因此，也注意對動(dòng)力頭的水平或垂直度的監(jiān)測。其主要作用是為鉆桿的控制提供一定的參考。

4)鉆桿在鉆進(jìn)過程中的傾斜角度。鉆桿的鉆進(jìn)狀態(tài)直接影響到鉆孔的質(zhì)量，鉆桿的垂直度是關(guān)鍵，由于鉆桿屬于長桿件系統(tǒng)，在鉆進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲，導(dǎo)致僅僅采用上述幾個(gè)控制點(diǎn)并不能準(zhǔn)確表征鉆桿端頭的行進(jìn)軌跡，因此，在鉆桿底部安裝控制裝置，實(shí)時(shí)掌握其運(yùn)行軌跡，對控制成孔質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

5)鉆機(jī)鉆進(jìn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)整。成孔質(zhì)量的關(guān)鍵還取決于施工人員對鉆機(jī)的了解程度，往往在施工時(shí)忽視對于機(jī)械參數(shù)各種數(shù)據(jù)的及時(shí)查看，造成成孔質(zhì)量差的難題，因此管理人員需對鉆機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于保證成孔質(zhì)量，并進(jìn)行調(diào)整。

針對以上分析，為做到在施工中對鉆機(jī)狀態(tài)的良好控制，需要在鉆機(jī)施工準(zhǔn)備階段就開始控制，即事前控制，主要控制鉆機(jī)底盤的平整度，鉆機(jī)立桿的垂直度，鉆桿的垂直度等，使其在施工前就達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。施工中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過相關(guān)的傳感器及其發(fā)射和接收裝置，通過高靈敏度的傳感器動(dòng)態(tài)記錄各個(gè)測點(diǎn)垂直度和水平度的情況，及時(shí)糾偏并采取針對性的措施。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由鉆機(jī)、高精度傳感器、無線發(fā)射裝置和無線接收裝置構(gòu)成。高精度傳感器通過內(nèi)部重力系統(tǒng)感知與水平面偏移度，通過角度將角度轉(zhuǎn)化電流信號，通過無線發(fā)射裝置發(fā)射，無線接收裝置接收信號，通過LABVIEW軟件編制信號處理程序，解讀電流信號，反饋為角度及距離，并在軟件界面處顯示(如圖2所示)。

3 測斜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測斜系統(tǒng)測點(diǎn)布置及工作

由于目前國內(nèi)測角度的傳感器只能測試正交條件下設(shè)備的傾斜角度，而實(shí)際過程中，立桿等設(shè)備傾斜角度并不一定與傳感器正交，為更準(zhǔn)確測定鉆桿的傾斜程度，在立桿等關(guān)鍵設(shè)備上設(shè)計(jì)兩個(gè)傳感器，如圖3所示。

主要原因?yàn)椋O(jiān)測施工過程中立桿的傾斜α，在實(shí)測過程中，測定值為β和γ，所以需要進(jìn)行修正，以準(zhǔn)確測量相關(guān)角度。

鉆孔偏斜角度實(shí)時(shí)監(jiān)測：鉆孔成孔傾斜角度Α=鉆機(jī)底盤傾角α1+立桿傾角α2+動(dòng)力頭的傾角α3+系統(tǒng)誤差δ。

電機(jī)電流傳感器布置主要為了監(jiān)測電機(jī)在施工過程中的電流情況，進(jìn)而監(jiān)測施工中土層的變化情況，調(diào)整鉆機(jī)鉆進(jìn)速度，保護(hù)裝備安全。

平臺(tái)水平傳感器的主要作用為保證在行進(jìn)過程中鉆機(jī)平臺(tái)的水平度，即使做不到完全水平，也為鉆機(jī)及立桿的調(diào)解提供有用參考依據(jù)。

電機(jī)垂直傳感器的主要作用為與鉆頭垂直傳感器、立桿垂直傳感器相互印證，是否鉆頭發(fā)生明顯偏移。

為了保證基坑鉆孔時(shí)測斜質(zhì)量，進(jìn)而保證長螺旋鉆機(jī)的成孔質(zhì)量，結(jié)合系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)在平臺(tái)處設(shè)計(jì)水平傳感器，立桿處的傳感器，電機(jī)電流傳感器，還有鉆頭處的傳感器，測點(diǎn)布置如圖4所示。

3.2 測斜系統(tǒng)測點(diǎn)工作過程

測斜系統(tǒng)每組測點(diǎn)中，都包含傳感器、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊三部分組成。無線發(fā)射模塊通過對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取后，接收模塊接收，通過編制相關(guān)軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在電腦中輸出角度信號，根據(jù)相關(guān)的三角函數(shù)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為偏移距離信號。

4 結(jié)語

根據(jù)淺孔施工中關(guān)鍵機(jī)械長螺旋鉆機(jī)的構(gòu)成及施工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了成孔質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析得到了鉆機(jī)本身的水平控制、鉆機(jī)立桿的垂直度、鉆桿上動(dòng)力頭的水平及垂直控制、鉆桿在鉆進(jìn)過程中的傾斜角度、鉆機(jī)鉆進(jìn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)整等五個(gè)方面是關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)及測點(diǎn)內(nèi)設(shè)備構(gòu)成。此監(jiān)測系統(tǒng)原理及測試系統(tǒng)工作原理圖將為系統(tǒng)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

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