李 欣，徐正宣，吳 麗

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031;2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

我國現(xiàn)在處于高速發(fā)展的階段，每年都會(huì)有許多鐵路工程項(xiàng)目開始設(shè)計(jì)或者開工建設(shè)，傳統(tǒng)的管理思想、管理方式和管理工具已不適應(yīng)新時(shí)代的要求。鐵路工程項(xiàng)目將進(jìn)入信息化管理時(shí)代，與此同時(shí)每年因?yàn)楣こ藤|(zhì)量監(jiān)管不力造成的損失十分巨大，其中地質(zhì)工程中，鉆孔孔深的測量直接關(guān)系到此類工程的工程質(zhì)量，由于多為隱蔽工程，可驗(yàn)證性較差，傳統(tǒng)鉆孔測試方法容易給人為的不當(dāng)行為留下空間，如少數(shù)鉆探勘測隊(duì)伍為了壓縮工期、追求經(jīng)濟(jì)利益，謊報(bào)鉆孔深度，損害業(yè)主的利益，給工程埋下隱患。

本項(xiàng)目研制的鉆井作業(yè)過程監(jiān)測儀(圖1)，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)進(jìn)尺自動(dòng)監(jiān)測，可以解決傳統(tǒng)人工監(jiān)測存在的管理柔性問題，對(duì)提高管理效益、確保鉆井作業(yè)質(zhì)量具有重要意義。

圖1 儀器機(jī)械部分總裝配體

另外，配合為儀器專門開發(fā)的單片機(jī)系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)檢測，定時(shí)攝像，孔位定時(shí)GPS監(jiān)測等可根據(jù)客戶需要定制添加的功能。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鉆井作業(yè)過程中需要對(duì)鉆井的深度進(jìn)行測量，了解鉆井現(xiàn)場情況并核對(duì)工作量，目前應(yīng)用較多的測量方法有以下4種。

第一種為卷尺測量法，該方法直接用卷尺測量鉆井桿具進(jìn)入鉆井中的長度，該長度即為鉆井的深度，該方法雖然簡單易行，但由于人為因素，測量值精確性難以保證，且需要停機(jī)進(jìn)行測量，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

第二種為鉆桿刻度法，該方法是在鉆桿上按照一定標(biāo)準(zhǔn)打上刻度，再用卷尺測量法測量鉆桿鉆具的長度，最后根據(jù)刻度值可計(jì)算出鉆井的深度。該方法的測量值雖然比卷尺測量法的測量值準(zhǔn)確，但由于實(shí)際工作中應(yīng)用的鉆桿長度不一，該方法的通用性較差，只有個(gè)別型號(hào)的鉆桿可以在其上打上刻度，而且打刻度的標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有統(tǒng)一。

第三種方法為激光干涉法，第四種方法為鉆頭傳感技術(shù)，這兩種方法理論上可以在鉆井作業(yè)過程中應(yīng)用，對(duì)鉆井深度進(jìn)行測量，但由于相關(guān)儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)測量環(huán)境要求苛刻，儀器價(jià)格高昂，使用維護(hù)費(fèi)用高，實(shí)際上難以在鉆井作業(yè)過程中推廣使用。

相較以上諸種方法，本儀器結(jié)構(gòu)簡單，因而使用和維護(hù)都很方便，所受使用環(huán)境的限制也較小，不受鉆桿或鉆具型號(hào)的限制，通用性較好且成本不高，能在鉆井作業(yè)過程中自動(dòng)及時(shí)采集與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的進(jìn)尺及孔深等相關(guān)參數(shù)并形成難以篡改的電子數(shù)據(jù)資料。

2 研究方法和理論原理

本研究項(xiàng)目采用的方法主要為:室內(nèi)研制出樣品然后在地質(zhì)工程鉆探實(shí)際作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并調(diào)整。

2.1 霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的2個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢差也被叫做霍爾電勢差。若在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。

2.2 霍爾傳感器

根據(jù)霍爾原理制成的傳感器利用天然磁電效應(yīng)產(chǎn)生脈沖(該傳感器不需消耗能源)。它具有對(duì)磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。比如汽車的里程表基本都依據(jù)該原理制成。

2.3 單片機(jī)

單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit)，單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

霍爾傳感器和單片機(jī)技術(shù)是本項(xiàng)目主要的技術(shù)理論依據(jù)。這兩項(xiàng)技術(shù)均已十分成熟可靠，為本項(xiàng)目的實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。霍爾傳感器為數(shù)據(jù)采集傳感器，負(fù)責(zé)收集鉆桿唯一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電磁脈沖輸出于單片機(jī)而單片機(jī)則負(fù)責(zé)處理及存儲(chǔ)霍爾傳感器采集之?dāng)?shù)據(jù)。

3 研究成果

3.1 儀器結(jié)構(gòu)介紹

儀器樣機(jī)(圖2)。在儀器前端設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)體上設(shè)置有與其同步轉(zhuǎn)動(dòng)的磁性信號(hào)發(fā)生器，輪軸內(nèi)設(shè)有與磁性信號(hào)發(fā)生器適配的霍爾傳感器，霍爾傳感器與處理模塊連接;鉆井桿具與旋轉(zhuǎn)體配合，鉆井桿具沿鉆進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)。采用霍爾傳感器及相關(guān)結(jié)構(gòu)可實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井桿具的位移量，通過該位移量即可得出鉆井的深度。

圖2 儀器樣機(jī)

圖3 單片機(jī)部分

圖3為儀器單片機(jī)部分，用于采集霍爾傳感器采集的電磁信息并轉(zhuǎn)化為可讀取的數(shù)據(jù)。

3.2 儀器使用介紹

使用時(shí)，將儀器置于井口處，將鉆井桿具與旋轉(zhuǎn)體配合，鉆井桿具沿著鉆進(jìn)方向發(fā)生位移，并帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，隨著鉆井的深度不斷增加，鉆井桿具逐漸進(jìn)入鉆井中并沿鉆井的延伸方向繼續(xù)發(fā)生位移，在鉆井作業(yè)過程中，由于旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)其上連接的磁性信號(hào)發(fā)生器的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)經(jīng)過處理模塊的處理后，可轉(zhuǎn)變?yōu)殂@井桿具的位移量，再通過相應(yīng)計(jì)算便可得出鉆井的深度。由以上分析可知，本鉆井作業(yè)過程監(jiān)測儀可在鉆井作業(yè)過程中對(duì)鉆井桿具沿鉆進(jìn)方向的位移量進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而可對(duì)鉆井深度實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)通過處理模塊還可以得出鉆井桿具單位時(shí)間內(nèi)的位移量等數(shù)據(jù)。

3.3 儀器優(yōu)勢

(1)采用成熟單片機(jī)技術(shù)結(jié)合簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)，因而性能穩(wěn)定持久，操作簡便。

(2)霍爾效應(yīng)作為一種磁電效應(yīng)，相較光學(xué)測量、傳感測量等其他測量方法抗干擾能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)復(fù)雜的鉆探工程現(xiàn)場環(huán)境。

(3)一個(gè)霍爾傳感器成本僅需不到1元人民幣，單片機(jī)板價(jià)格也是按米計(jì)量，加上簡單的機(jī)械部分，儀器整體造價(jià)可控制在千元左右的較低范圍內(nèi)。

(4)全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井作業(yè)，提供與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的完整資料鏈，可協(xié)助相關(guān)專業(yè)人員深入了解鉆探鉆進(jìn)情況及現(xiàn)場地質(zhì)情況。

(5)作為鐵路工程信息化管理的一種新方法，自動(dòng)客觀、公正地進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)難以篡改的保存以及備查備用，節(jié)約人力資源且避免弄虛作假。

3.4 存儲(chǔ)文件格式

本儀器在采集結(jié)束后會(huì)以TXT文件的格式保存在SD存儲(chǔ)卡中。單個(gè)鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)大小僅為數(shù)MB甚至更小，在目前動(dòng)輒8、16 GB的SD存儲(chǔ)卡容量下幾乎可忽略不計(jì)。為日后擴(kuò)展GPS定位，定時(shí)攝像，振動(dòng)監(jiān)控等功能留下了極其充裕的空間。

3.5 可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)的功能

本儀器預(yù)留有進(jìn)一步開發(fā)模塊。現(xiàn)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)的功能有:

(1)振動(dòng)監(jiān)控(主要監(jiān)控被監(jiān)測設(shè)備是否處于工作狀態(tài));

(2)GPS定位(可實(shí)時(shí)對(duì)孔位進(jìn)行校核，精度可達(dá)1 m以內(nèi));

(3)定時(shí)拍照、攝像等。

亦可根據(jù)客戶單位的需要對(duì)本產(chǎn)品訂制功能進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用

為保證儀器的功能實(shí)用以及穩(wěn)定耐用，反復(fù)在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)和到地質(zhì)工程鉆探現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。其中現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)主要在成綿樂城際高速鐵路、成渝客運(yùn)專線以及都江堰水文化博物館等鉆探現(xiàn)場進(jìn)行。

4.1 工程概況

成綿樂高速鐵路起于沙河堡新客站，沿寶成鐵路引入既有江油站，另外一個(gè)方向經(jīng)成都南至雙流國際機(jī)場，最終抵樂山，正線長323.19 km，主要經(jīng)綿陽、德陽、廣漢、成都、彭山、眉山、夾江、峨眉至樂山，全線50%左右的路段為橋梁隧道，其中新建橋梁121座長148.85 km，隧道11座長12.525 km。

該工程中涉及大量的鉆孔工程量，在設(shè)計(jì)方中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司的支持下，完成了本項(xiàng)目的部分現(xiàn)場試驗(yàn)和調(diào)試工作。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

圖4為試驗(yàn)現(xiàn)場，當(dāng)時(shí)正在鉆探工程現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場

儀器測試采集反饋的原始數(shù)據(jù)形式如表1所示，括號(hào)中文字為對(duì)數(shù)據(jù)含義的注解。

表1 儀器采集的原始數(shù)據(jù)形式

本項(xiàng)目通過大量的現(xiàn)場對(duì)比試驗(yàn)、調(diào)試，檢測和改進(jìn)儀器性能和準(zhǔn)確度。鑒于篇幅限制，表1僅列出1組工作量數(shù)據(jù)。

部分現(xiàn)場試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)分析如表2所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖5。

表2 部分現(xiàn)場試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)分析

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

結(jié)合圖5及表2可以得出，儀器測量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際測量的數(shù)據(jù)非常接近，最大絕對(duì)誤差僅為0.21 m，平均絕對(duì)誤差為0.155 m;最大相對(duì)誤差約為0.56%，平均相對(duì)誤差約為0.38%;能夠滿足實(shí)際地質(zhì)工程中對(duì)鉆探作業(yè)工作量監(jiān)測的要求。

5 結(jié)語

(1)我國目前有大量的鐵路工程需要實(shí)施，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，鐵路工程信息化管理是未來鐵路工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢，本項(xiàng)目研制的鉆井作業(yè)過程監(jiān)測儀為在鐵路工程中監(jiān)測鉆探作業(yè)提供了一種新方法，符合這一趨勢。

(2)經(jīng)過反復(fù)現(xiàn)場試驗(yàn)及調(diào)試改進(jìn)，本儀器的監(jiān)測精度已完全能夠滿足實(shí)際地質(zhì)工程中對(duì)鉆探作業(yè)工作量監(jiān)測的要求。而相較于其他監(jiān)測方法，本儀器具有以全過程實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測為核心的一系列特有優(yōu)勢。

(3)本儀器已經(jīng)完成了樣品機(jī)機(jī)械部分和單片機(jī)處理模塊的研制，本儀器的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并已獲得國家實(shí)用新型專利(專利號(hào):ZL2010201358478)。且基于專門為本儀器開發(fā)的單片機(jī)系統(tǒng)，本儀器預(yù)留有進(jìn)一步開發(fā)模塊，可根據(jù)工程現(xiàn)場需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)定時(shí)拍照、攝像及振動(dòng)監(jiān)測等功能。

(4)本儀器已獲得聯(lián)合研發(fā)企業(yè)、亦是潛在客戶——中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司的推廣意向。目前，在本項(xiàng)目成果的基礎(chǔ)上，正同客戶單位就儀器的進(jìn)一步改進(jìn)以及商業(yè)化推廣進(jìn)行更加深入的合作，本儀器具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

［1］ 張逸，等.集成開關(guān)型霍爾傳感器的特性測量和應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2000，13(2):1-4.

［2］ 鄭發(fā)農(nóng).電動(dòng)電子車速里程表的研究［J］.儀表技術(shù)，1999(5):29-30.

［3］ 李廣弟，等.單片機(jī)基礎(chǔ)［M］.北京:北京航空航天出版社，2001.

［4］ 劉守義，等.單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［5］ 王東峰，等.單片機(jī)C語言應(yīng)用100例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［6］ 蘇培華.各種單片機(jī)編程語言比較［J］.西安文理學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，11(3):113-115.

［7］ 賴建國.土木工程建設(shè)中信息管理系統(tǒng)應(yīng)用［J］.四川建材.2011，37(2):230-233.

［8］ 趙瑛.淺談鐵路工程施工項(xiàng)目信息化管理［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2008(4):87-92.

［9］ 中華人民共和國鐵道部.TB10014—2012 鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［10］ AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors，1999.

［11］ Vizimuller，P.RF design guide-systems，circuits，and equations［M］.Boston:Artech House，1995.

［12］ R.Dye.Visual Object-Orientated Programming［J］.Macintosh Journal，1991(1).