鄢盛華，李國平，佟 丹，劉 策，李舸爭(zhēng)

（1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司機(jī)械化施工分公司，湖北 武漢 430050；2.昆山哈伯希爾能源科技有限公司，江蘇 昆山 215300）

1 研究背景

鉆孔灌注樁是各種橋梁、風(fēng)電等基礎(chǔ)工程主要的組成部分，施工過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生縮徑、擴(kuò)孔和垂直度超標(biāo)等現(xiàn)象。此外，由于鉆孔位置的地層地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，也會(huì)鉆遇地下暗河、溶洞等特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此樁基孔檢測(cè)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的樁基孔檢測(cè)是在鉆孔完成，利用檢測(cè)儀器對(duì)成孔進(jìn)行掃描，取得樁基孔的幾何數(shù)據(jù)。這種“事后檢測(cè)”雖然能獲得成孔的幾何形狀和幾何尺寸，但無法提供實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步地喪失了實(shí)時(shí)矯正鉆孔缺陷的機(jī)會(huì)和可能性。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果顯示成孔質(zhì)量不符合設(shè)計(jì)要求，需要重新安裝鉆機(jī)設(shè)備，對(duì)成孔進(jìn)行返工矯正，施工成本增大，拖延施工工期，情況嚴(yán)重甚至廢棄已經(jīng)完工的樁基孔?，F(xiàn)有技術(shù)裝備不具備鉆井實(shí)時(shí)探測(cè)樁基孔工程質(zhì)量以及實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)井周地質(zhì)構(gòu)造的功能。鉆機(jī)及井下鉆孔設(shè)備不具有對(duì)缺陷樁孔進(jìn)行智能矯正的能力。

為保證灌注樁鉆孔質(zhì)量，特別是大直徑鉆機(jī)，急需配套一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性好的成孔質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝備。對(duì)樁基孔鉆孔質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握樁基孔鉆孔施工的工程質(zhì)量。進(jìn)一步為樁基孔的幾何形狀和幾何尺寸進(jìn)行矯正提供依據(jù)，保障成孔質(zhì)量。

2 鉆孔實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)及裝備

鉆孔實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)主要包括樁基孔幾何參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、樁基孔井周地質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)、井下/地面雙向無線通訊技術(shù)及裝備（圖1）、地面系統(tǒng)軟件（圖2）、信號(hào)與數(shù)據(jù)處理、樁基孔鉆孔施工實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)等。

圖1 井下探測(cè)儀器

2.1 樁基孔鉆孔幾何參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量

圖2 系統(tǒng)界面

主要包括井下垂直度實(shí)時(shí)檢測(cè)、鉆孔井徑實(shí)時(shí)測(cè)量、鉆孔深度自動(dòng)測(cè)量、井下震動(dòng)、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。

2.1.1 井下垂直度檢測(cè)

目前，樁基孔鉆孔測(cè)量的手段有：①在鉆井過程中，利用更換鉆具的時(shí)間窗口，使用鉛錘法，多次測(cè)量鉆桿的垂直度（偏移量）；②在完成鉆孔后，將工程鉆機(jī)移開井位，使用鉛錘法在井周多點(diǎn)測(cè)量井壁垂直度。

本文應(yīng)用三軸重力加速度計(jì)構(gòu)成垂直度探測(cè)單元，安裝在靠近鉆頭部位。實(shí)時(shí)測(cè)量比對(duì)三維地球重力場(chǎng)，獲得鉆頭與重力場(chǎng)Z軸垂直線的夾角（圖3），隨著樁基孔鉆孔深度的增加，累計(jì)測(cè)量值繪制實(shí)際井眼垂直度變化曲線，評(píng)價(jià)樁基孔鉆井施工的垂直度。

圖3 垂直度測(cè)量

該方案有別于鉛錘法測(cè)量垂直度的方法，先進(jìn)性在于：①實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，獲取地球重力場(chǎng)Z軸絕對(duì)值，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性；②測(cè)量并比對(duì)樁基孔母線地球重力場(chǎng)偏角；③便于施工作業(yè)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆孔質(zhì)量問題，及時(shí)采取井控措施。

2.1.2 鉆孔井徑實(shí)時(shí)測(cè)量

目前的檢測(cè)手段是：完成鉆井后，鉆機(jī)移開井位，下放電纜式超聲波井徑探測(cè)儀，提升掃描測(cè)量樁基孔X-Y方向井徑值。

本文使用多個(gè)非接觸式超聲波井眼直徑測(cè)量探測(cè)器，安裝固定在鉆頭上。在樁基孔鉆孔的過程中實(shí)時(shí)探測(cè)井眼幾何尺寸。設(shè)計(jì)專用探測(cè)器滿足在泥漿密度≤1.3g/cm3等鉆井條件的井徑測(cè)量。累計(jì)全井筒井徑測(cè)量值，繪制樁基孔孔形包絡(luò)圖（圖4），真實(shí)反映鉆孔工程尺寸。

圖4 井徑包絡(luò)圖

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，其測(cè)量精度由于X-Y雙向井徑測(cè)量；井周掃描檢測(cè)獲得較為完整的真實(shí)井周幾何尺寸輪廓；多探頭設(shè)計(jì)補(bǔ)償井下受泥漿影響等因素。

上述各種探測(cè)器集中安裝在密封、承壓的不銹鋼金屬殼體內(nèi)，滿足樁基孔鉆孔作業(yè)的耐壓指標(biāo)、抗震動(dòng)、抗沖擊、耐腐蝕等工程安全技術(shù)指標(biāo)。

2.1.3 鉆孔深度自動(dòng)測(cè)量

鉆孔深度自動(dòng)測(cè)量主要通過重錘結(jié)繩測(cè)量法、間歇式人工測(cè)量井深等方法。系統(tǒng)解決方案是：實(shí)時(shí)記錄鉆機(jī)升降部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)位移，輔助鉆機(jī)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)，剔除鉆機(jī)無效升降行程，累加統(tǒng)計(jì)獲得連續(xù)的實(shí)際鉆井深度。

2.1.4 井下震動(dòng)、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

本文研究井下儀器模塊樣機(jī)設(shè)置加速度傳感器、角速度傳感器，測(cè)量井下鉆具的震動(dòng)、沖擊參數(shù)和實(shí)際轉(zhuǎn)速等。

2.2 樁基孔井周地質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)

通常樁基孔設(shè)計(jì)及施工目的在于鉆遇堅(jiān)硬地層，以獲得灌注樁穩(wěn)定地與基礎(chǔ)地層（巖石）可靠錨定。盡管樁基鉆孔布井設(shè)計(jì)都事先做過地質(zhì)調(diào)查和探測(cè)，但是，灌注樁鉆孔一般深度有限（一般不大于200m 深度），屬于淺表地層鉆井并且孔徑較大，淺表地層構(gòu)造復(fù)雜（例如：覆蓋層、泥沙層、松散礫石等），常常鉆遇地下溶洞、暗河、沙漏層等非均質(zhì)地質(zhì)構(gòu)造，增加了樁孔鉆井地層構(gòu)造的不確定性。

為及時(shí)辨識(shí)鉆遇地層地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)堅(jiān)硬地層（巖石），提高樁基孔鉆孔作業(yè)應(yīng)對(duì)地質(zhì)條件突變帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)，保證鉆井質(zhì)量、提高鉆井功效。

在井下測(cè)量?jī)x器模塊內(nèi)，設(shè)計(jì)并安裝了“自然伽馬”探測(cè)器。由于泥巖、砂巖、硬質(zhì)巖石等具有不同的自然伽馬API值。井下自然伽馬探測(cè)，在鉆井過程中，掃描探測(cè)實(shí)時(shí)鉆遇地質(zhì)環(huán)境，判斷樁基孔井周地層及巖石分布，從而識(shí)別均質(zhì)地層、沉積沙層、礫石堆積層、地下溶洞、暗河等地質(zhì)特征，為樁基孔鉆孔施工以及后續(xù)作業(yè)提供井周地質(zhì)信息。

2.3 井下/地面雙向無線通訊技術(shù)

該技術(shù)在樁基孔鉆孔雙向無線通訊做到了突破性研究和應(yīng)用經(jīng)理論計(jì)算與分析，選用低頻和甚低頻電磁波傳輸通訊。

無線通訊方案采用了偶極天線方式（圖5）。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，選用適當(dāng)發(fā)射/接收頻率，提高了穿透地層和水層的能力，獲得良好的井下與地面的雙向無線通訊成果。

圖5 無線通訊原理

地面系統(tǒng)軟件、信號(hào)與數(shù)據(jù)處理、樁基孔鉆孔施工實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)等依托井下實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合地面計(jì)算與處理構(gòu)成良好的人機(jī)界面。

3 鉆孔智能矯正技術(shù)及裝備

1）從動(dòng)式井下矯正器 根據(jù)井斜測(cè)量值，地面發(fā)出矯正指令，某個(gè)方位的井壁支撐板與樁孔井壁貼緊，對(duì)矯正器施加作用力，使樁孔鉆具與井壁支撐板相反方向偏移，在鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)的同時(shí)，進(jìn)行樁孔井眼軌跡矯正。井下實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋、補(bǔ)償井眼軌跡校正量。

2）主動(dòng)式井下矯正器 根據(jù)井斜測(cè)量值，地面發(fā)出矯正指令，扶正器與井壁固定，某個(gè)方位的矯正止推板對(duì)鉆具施加作用力，引導(dǎo)鉆具偏移進(jìn)行樁孔井眼軌跡矯正（圖6、圖7）。井下實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋、補(bǔ)償井眼軌跡校正量。

圖6 從動(dòng)式井下矯正器

圖7 主動(dòng)式井下矯正器

樁基孔鉆孔實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)及裝備與樁基孔鉆孔智能矯正技術(shù)及裝備的組合，實(shí)現(xiàn)了樁基孔鉆孔裝備“人工智能”化。將成為行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵與核心，補(bǔ)齊橋梁建設(shè)施工產(chǎn)業(yè)鏈的最后也是最關(guān)鍵的技術(shù)及裝備短板。

4 鉆孔可視化智能專家系統(tǒng)及裝備

大型橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是流動(dòng)性很強(qiáng)的工程作業(yè)，工地分散。面對(duì)技術(shù)管理、工程管理、設(shè)備管理以及專家會(huì)診現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)難題時(shí)，有著客觀的困難和解決方案實(shí)施的滯后。這樣，帶來了功效低、成本高、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管控不利等因素。

在實(shí)現(xiàn)樁基孔鉆孔實(shí)時(shí)檢測(cè)、樁基孔井眼缺陷智能矯正的基礎(chǔ)上，借助4G/5G 公共通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以及施工現(xiàn)場(chǎng)可視化設(shè)備，搭建樁基孔鉆孔施工可視化平臺(tái)。

建立樁基孔鉆孔實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)收集、管理數(shù)據(jù)庫，結(jié)合行業(yè)設(shè)備專家、工程施工專家、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全監(jiān)督、橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)專家、橋梁地質(zhì)評(píng)價(jià)專家等高端人才智庫，構(gòu)成跨學(xué)科、綜合性的集成設(shè)備、技術(shù)、管理、安全等多維度的智能專家系統(tǒng)（圖8）。做到指揮中心全流程監(jiān)控、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，及時(shí)分析診斷現(xiàn)場(chǎng)各種問題，及時(shí)制定科學(xué)有效的施工方案等。

圖8 可視化遠(yuǎn)程智能專家系統(tǒng)

5 結(jié)語

目前樁基孔鉆孔實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)及裝備已在廣州市南沙區(qū)萬頃沙新墾鎮(zhèn)南中高速通道項(xiàng)目洪奇門大橋18 號(hào)墩工地現(xiàn)場(chǎng)得到了初步的驗(yàn)證。該系統(tǒng)研究是灌注樁樁基孔鉆孔行業(yè)先導(dǎo)性、原創(chuàng)性理論及技術(shù)研究與探索。其階段性成果應(yīng)用，充分發(fā)揮綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)樁基孔鉆孔施工作業(yè)、大型橋梁基礎(chǔ)作業(yè)等起到非常重要的作用。該研究成果順應(yīng)制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)、智能制造2025 等國家發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)于行業(yè)新技術(shù)應(yīng)用，補(bǔ)齊橋梁建設(shè)中基礎(chǔ)施工技術(shù)落后的短板有著十分重要的意義。