高 輝，吳曉雪

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 國家水運工程檢測設(shè)備計量站，天津 300456)

在交通工程領(lǐng)域，鉆孔灌注樁已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并作為上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)可將水工建筑結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深層穩(wěn)定土層或巖石層上，減少上部建筑結(jié)構(gòu)的不均勻沉降。如果在施工過程中的成孔質(zhì)量包括孔深、孔徑、垂直度或底部沉渣過厚等出現(xiàn)問題，后期補救和處理難度極大且費用較高，給社會造成經(jīng)濟損失。因此，在工程建設(shè)初期，機械成孔檢測儀是保證其成孔質(zhì)量必不可少的檢測儀器，區(qū)別于吊錘、鋼筋籠探測等傳統(tǒng)的人工孔徑檢驗方法，其具有穩(wěn)定性強，測量精度高，不受成孔內(nèi)泥漿比重、含砂量、氣泡、孔壁的波阻抗差異性等影響的優(yōu)點，可以定量給出成孔質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)，為跨海橋梁、港口工程、高樁碼頭等工程建設(shè)的樁基檢測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

目前，成孔質(zhì)量檢測已經(jīng)成為水運工程乃至我國幾乎所有基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，因此機械成孔檢測儀的性能優(yōu)劣和量值準(zhǔn)確與否都會直接影響著工程質(zhì)量的評判。經(jīng)過對機械成孔檢測儀的相關(guān)檢測技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、檢測方法和原理進(jìn)行分析研究，制定了機械成孔檢測儀計量校準(zhǔn)方法，以保障儀器的量值準(zhǔn)確和溯源性，也為正在編制中的交通運輸行業(yè)機械成孔檢測儀的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與部門計量檢定規(guī)程提供技術(shù)支撐，對該儀器在行業(yè)內(nèi)的規(guī)范生產(chǎn)和使用、彌補計量技術(shù)空白、完善交通檢測儀器設(shè)備量值溯源體系具有重要作用。

1 國內(nèi)計量技術(shù)規(guī)范及檢測標(biāo)準(zhǔn)概述

機械成孔檢測儀又名井徑儀，原國家地礦部在1991年發(fā)布的DZ 0025-91《井徑儀通用技術(shù)條件》，對井徑儀的技術(shù)要求、試驗方法等標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定。井徑儀計量技術(shù)規(guī)范最早是由國家石油和化學(xué)工業(yè)局發(fā)布的部門計量檢定規(guī)程JJG(石油)06-1999，而后被國家發(fā)改委發(fā)布的SY/T 6740-2008《井徑儀校準(zhǔn)方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所替代[2]，上述關(guān)于井徑儀的標(biāo)準(zhǔn)適用范圍均為地質(zhì)與石油領(lǐng)域?qū)Ｓ糜嬃科骶?，用于地質(zhì)勘探和石油鉆井檢測的井徑儀，儀器外觀雖極其相似，但并不適用于當(dāng)前交通領(lǐng)域灌注樁樁孔檢測，二者雖有相同的技術(shù)方法和原理，但因井下儀器的結(jié)構(gòu)根據(jù)使用要求作了改進(jìn)，適用范圍已經(jīng)徹底改變。隨著成孔測試技術(shù)的不斷發(fā)展，樁基施工這一隱蔽工程的樁孔質(zhì)量越來越受到國家和行業(yè)的重視，行業(yè)管理力度不斷加大，各項監(jiān)管制度逐步完善，隨著新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等技術(shù)文件的制定發(fā)布，使得灌注樁成孔質(zhì)量測試有章可循。目前，該儀器除了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和計量技術(shù)規(guī)范尚不完善以外，與使用相關(guān)的儀器性能和參數(shù)均已在發(fā)布的相關(guān)工程質(zhì)量檢測規(guī)范中作出了明確的規(guī)定[3]，相關(guān)規(guī)范見表1。

表1 機械成孔檢測儀現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范Tab.1 Current related technical specification of machine hole-forming detector

交通運輸部發(fā)布的《公路水運工程試驗檢測機構(gòu)等級標(biāo)準(zhǔn)》中，公路工程綜合甲級資質(zhì)中明確規(guī)定了檢測機構(gòu)應(yīng)具備成孔質(zhì)量(孔徑、孔深、垂直度等)的可選性檢測能力，水運工程結(jié)構(gòu)(地基)甲級資質(zhì)中也明確規(guī)定檢測機構(gòu)應(yīng)具備鉆孔灌注樁成孔質(zhì)量、地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量的可選性檢測能力。由此可見，在公路水運工程的試驗檢測中對成孔檢測具有一定需求，機械成孔檢測儀在一定條件下也是比較經(jīng)濟快捷的選擇，為了滿足機械成孔檢測儀的使用要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與部門計量檢定規(guī)程的編制也是十分必要的。

2 儀器檢測原理

2.1 儀器組成

機械成孔檢測儀主要由井下探頭、電動升降裝置和主機控制器組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1～圖3所示。測斜探頭和沉渣測量儀作為井下探頭的選配更換裝置。

圖1 井下探頭 圖2 電動升降裝置 圖3 主機控制器Fig.1 Downhole sensor Fig.2 Motor lifter Fig.3 Controller

2.2 孔徑、孔斜檢測

電動升降裝置在檢測過程中承受來自于成孔內(nèi)井下探頭和線纜的重量，因此在檢測開始前必須放置在孔口的固定支架上，防止傾翻。井下探頭一般有四個機械測量臂，它們始終受到內(nèi)部四個壓力彈簧的作用而趨于向外張開，因此在不檢測的時候是由底部圓盤固定的，以防向外彈出。在檢測開始前，首先取下固定圓盤并轉(zhuǎn)動一個角度，將井下探頭連同線纜經(jīng)電動升降裝置以一定速度降入孔中，四個測量臂由主機內(nèi)的程序控制自由彈出并與成孔的孔壁相貼，通過壓力彈簧的作用，測量臂的張開角度隨著孔徑的大小而變化。如圖4所示，測臂頂端b點繞著圓心O點進(jìn)行相似圓周運動，帶動a點在滑動桿上下運動，井下探頭通過以滑動電位器為核心組成的電子電路，將孔徑變化位移量轉(zhuǎn)化成可采集的模擬電信號，并通過電纜將信號傳輸?shù)降孛嫔系闹鳈C控制器中，主機控制器通過接收采集到的數(shù)據(jù)計算或直接繪制出孔徑變化示意圖在測量臂上裝有測斜探頭，在整個檢測過程中，被采集的成孔垂直度數(shù)據(jù)將連同孔徑數(shù)據(jù)同時上傳主機控制器并繪制垂直度變化曲線。

圖4 檢測原理示意圖Fig.4 Sketch of measuring principle

2.3 沉渣厚度測量

沉渣厚度的測量需要在測井探頭上更換沉渣測量傳感器，在測井探頭下降至孔底時，底部的圓盤將緊貼在沉渣層的上表面，在主機程序控制下從圓盤中心的圓孔中伸出機械探針并穿過沉渣層，通過測量不同介質(zhì)的電阻值變化判斷沉渣厚度，最終繪制出沉渣電阻率曲線?？咨顒t根據(jù)電動升降裝置上的光電編碼器，通過測量下降線纜的長度用以判斷成孔的深度[4]。

3 計量校準(zhǔn)方法

3.1 計量特性

機械成孔檢測儀相關(guān)國家計量技術(shù)規(guī)范的缺失，為諸多檢測機構(gòu)對儀器的計量性能評價帶來了困擾，儀器本身長期在泥漿浸泡環(huán)境中工作，且工作與搬運過程中也不可避免的受到碰撞和磨損，都將會影響到設(shè)備的正常使用。機械成孔檢測儀的計量校準(zhǔn)是保障儀器性能參數(shù)的量值準(zhǔn)確一致，實現(xiàn)服務(wù)工程建設(shè)中測量溯源性和檢測過程質(zhì)量受控，確保儀器始終處于良好的技術(shù)合格狀態(tài)，具備隨時準(zhǔn)確執(zhí)行成孔質(zhì)量檢測的任務(wù)能力而進(jìn)行的技術(shù)活動。本文在研究機械成孔檢測儀儀器原理和工程實際使用的基礎(chǔ)上，參照上述檢測規(guī)范中涉及儀器本身的技術(shù)參數(shù)要求，結(jié)合國內(nèi)主要法定計量檢定機構(gòu)編制的自校文件和國內(nèi)生產(chǎn)廠商的出廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)，提出了關(guān)于機械成孔檢測儀的計量特性和校準(zhǔn)方法，為檢測單位進(jìn)行能力比對和試驗方法驗證，同時也為計量機構(gòu)進(jìn)行儀器校準(zhǔn)、計量檢定規(guī)程和相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范的制定提供支撐。按照J(rèn)JF1094《測量儀器特征評定》[5]和JJF1033《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》[6]對校準(zhǔn)工作提出的要求與基本原則，確定其計量特性與要求見表2。

表2 機械成孔檢測儀計量特性要求Tab.2 Metrology index of machine hole-forming detector

3.2 孔徑校準(zhǔn)

比較原則是長度計量中的重要原則，要求測量軸線與標(biāo)準(zhǔn)器軸線應(yīng)串聯(lián)在同一條直線上，才能盡可能地獲取準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果。孔徑的計量特性要求為±0.5%,一般采用專用標(biāo)尺和鋼卷尺相結(jié)合的比較傳遞法，專用標(biāo)尺用來固定機械成孔檢測儀至單位長度，校準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)選用一級鋼卷尺，示值誤差Δ=±(0.1 mm+10-4L)。而用于大孔徑測試的機械成孔檢測儀量程通常不超過5 m，因此這種方法的測量范圍和準(zhǔn)確度滿足校準(zhǔn)需求。但其缺點是至少需兩人對測量臂進(jìn)行人工定位并改變間距，通過人工測量、記錄、運算得出校準(zhǔn)結(jié)果，校準(zhǔn)過程較為繁瑣，人工測量和讀數(shù)引入的不確定度較大[7]。經(jīng)過改進(jìn)，可選取配有示值誤差不大于0.2 mm的光柵尺十字校準(zhǔn)裝置，將機械成孔檢測儀放置在十字滑臺上，由伺服電機驅(qū)動滑臺以等間隔位移量滑動， 一般以500 mm作為第一個校準(zhǔn)點，然后以每100 mm進(jìn)行遞增，直至儀器最大測量范圍，依次移動并分別記錄機械成孔檢測儀孔徑和移動滑臺上光柵尺的示值，求出示值誤差，這樣既節(jié)省了人力，也提高了校準(zhǔn)效率。

3.3 垂直度校準(zhǔn)

垂直度的校準(zhǔn)一般選取分度值不低于1′的光學(xué)分度頭作為計量標(biāo)準(zhǔn)器具[8]。方法是將測斜傳感器與光學(xué)分度頭固定靜置并同時清零，在0°～5°測量范圍內(nèi)，每1°設(shè)置一個測量點，大于5°時每2°設(shè)置一個測量點，直至最大量程，將機械成孔檢測儀按照分布的測量點，依次移動并分別記錄各測量點機械成孔檢測儀垂直度和光學(xué)分度頭的示值，求出示值誤差。此方法雖然在校準(zhǔn)準(zhǔn)確度上滿足要求，但在操作中還存在很多問題需要解決，主要是沒有適宜的固定夾具會為大傾斜角度測量點的校準(zhǔn)增加很多困難，同時光學(xué)分度頭機械構(gòu)件也存在易被損壞的風(fēng)險。研究分析其原因有兩點，首先光學(xué)分度頭與測斜傳感器固定所需的專用夾具不適用于國內(nèi)所有廠家生產(chǎn)的機械成孔檢測儀，需要進(jìn)行徹底改造才能使用，而這種改造的成本會比較高；另外，部分測斜傳感器自重較大，在與光學(xué)分度頭接觸時會產(chǎn)生接觸變形，當(dāng)變形過大時很容易損壞光學(xué)分度頭機械構(gòu)件或帶來較大誤差。因此，經(jīng)進(jìn)一步研究改進(jìn)后可選取示值誤差不大于20″的吸附式數(shù)顯傾角計，配合孔徑專用標(biāo)尺固定進(jìn)行同步測量，雖然測量過程基本相同，但卻很好地避免了每次校準(zhǔn)時因?qū)Ｓ脢A具安裝固定所引入的不確定度分量，提高了校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。

3.4 孔深校準(zhǔn)

在孔深的校準(zhǔn)試驗前先在電纜線上做一個起始標(biāo)記，從機械成孔檢測儀升降裝置緩慢拉出線纜，使用鋼卷尺測量線纜長度，從起始標(biāo)記開始設(shè)定每5 m為一個單位長度并在線纜上做好標(biāo)記，測量20個單位長度，共100 m。將線纜收回并重新緩慢拉出，在起始標(biāo)記點處清除主機當(dāng)前孔深讀數(shù)，在每個標(biāo)記點記錄主機當(dāng)前顯示深度和電纜拉出的標(biāo)準(zhǔn)長度，直至測量完所有標(biāo)記點。計算各測量點相對誤差，選取絕對值最大的相對誤差作為校準(zhǔn)結(jié)果。

3.5 沉渣厚度校準(zhǔn)

目前在工程檢測領(lǐng)域，包括測錘法、聲波法等其他原理的沉渣檢測方法與電參數(shù)法一樣，存在各自的優(yōu)缺點。沉渣的檢測原理仍以電參數(shù)法為主這一原則并未完全得到行業(yè)的認(rèn)可，機械成孔檢測儀中沉渣測定儀大多采用機械探針式結(jié)構(gòu)依然存在爭議。無論采用什么方法，由于各自的計量特性相同，其校準(zhǔn)方法均可統(tǒng)一為長度量值比較法，即為將沉渣校準(zhǔn)方法拆分成基礎(chǔ)長度量值，選取通用卡尺或其他測長類設(shè)備與機械探針測量長度比較的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 計量校準(zhǔn)應(yīng)用

機械成孔檢測儀校準(zhǔn)方法的提出為校準(zhǔn)裝置的研制提供了可借鑒的成熟經(jīng)驗。目前，已研制成功的井徑儀校準(zhǔn)裝置是一種自動化程度較高的機械校準(zhǔn)裝置[9]，它吸收了傳統(tǒng)意義上的長度計量測試原理，用電動絲杠滑臺替代了簡易的固定孔位標(biāo)定支架，用伺服電機驅(qū)動滑臺輔以高精度標(biāo)尺進(jìn)行孔徑的定量自動校準(zhǔn)。該裝置不僅節(jié)省了人力物力，提高了工作效率，免去了人為移動測量臂至校準(zhǔn)點的繁瑣過程，同時還提高了測量準(zhǔn)確度，減少了人工測量的不確定度引入。

我國關(guān)于平面靜態(tài)角度計量校準(zhǔn)裝置發(fā)展水平較高，精度準(zhǔn)確，但是缺少專門用于工程現(xiàn)場的計量校準(zhǔn)裝置。機械成孔檢測儀常用于水運工程施工現(xiàn)場的檢測儀器，設(shè)備本身體積較大，配套裝置較多，重量較重，并且需要跟隨工程現(xiàn)場的遷移和全國不同地質(zhì)情況而定期更換使用場景。常規(guī)用于機械成孔檢測儀垂直度的校準(zhǔn)裝置對環(huán)境要求較高，因此需要檢測單位將機械成孔檢測儀整個系統(tǒng)運送至計量機構(gòu)實驗室，無法在工程現(xiàn)場及時保障設(shè)備的量值準(zhǔn)確；因為自重較重，傳感器本身傘狀的特殊性。導(dǎo)致其與常規(guī)角度校準(zhǔn)裝置的連接、固定和安裝成為校準(zhǔn)難題。國家水運工程檢測設(shè)備計量站根據(jù)水運工程需求，研發(fā)出一種可移動、可調(diào)平衡的大載重量的機械成孔檢測儀垂直度校準(zhǔn)裝置(圖5)。使用該裝置對型號JJC-1EG的機械成孔檢測儀開展垂直度測試，數(shù)據(jù)如表3所示。

圖5 垂直度校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.5 Sketch of verticality calibration device

表3 垂直度測試數(shù)據(jù)Tab.3 Verticality test data of machine hole-forming detector (°)

5 結(jié)語

隨著計算機與人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，計量科學(xué)研究也是一項長期性的活動，必須持續(xù)不斷地進(jìn)行深入研究和提升。由于機械成孔檢測儀的四個主要參數(shù)最終都是以幾何量信息的形式進(jìn)行定量描述的，因此其校準(zhǔn)方法均屬于幾何量計量學(xué)范疇，這就完全可以用長度和角度作為基本量進(jìn)行量值傳遞。上述關(guān)于評價機械成孔檢測儀提出的計量特性和校準(zhǔn)方法僅可作為初步探討，并不能完全作為機構(gòu)的最佳測量能力的輸出。因此，在今后的計量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)研究工作以及計量技術(shù)規(guī)范的編制過程中，應(yīng)對該儀器每一個校準(zhǔn)項目所采用的方法、使用的計量標(biāo)準(zhǔn)器具、環(huán)境條件以及人員操作水平等因素對其校準(zhǔn)不確定度進(jìn)行精準(zhǔn)定量評定，進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確度，以尋找了最佳校準(zhǔn)效果的平衡點。