長螺旋鉆孔成孔質量監測系統開發

郭義先　張召冉　馮紅超　矯偉剛　韓鵬飛　張　揚

(1.北京市勘察設計研究院有限責任公司，北京　100038；　2.北方工業大學土木工程學院，北京　100141)

0　引言

隨著城市化步伐的加快，大力開發和使用大型地下空間已經成為一種必然。深大基坑往往需要更深更負責的支護體系作為安全保障。鉆孔灌注樁是常用的支護手段，其施工質量，尤其是垂直度的要求會更高，為此開發設計針對長螺旋鉆機成孔垂直度的控制，實現成孔質量的實時監測。

1　長螺旋鉆機成孔質量監測系統關鍵設備及系統構成

該系統由傳感器、無線發射裝置、無線接收裝置、系統數據處理軟件、計算機等構成，系統工作時傳感器測得的數據經無線發射和接收裝置輸入到計算機當中，經數據處理軟件實現鉆孔傾斜度數值，包括角度和偏移距離。關鍵設備主要包括垂直傳感器、水平傳感器、電流傳感器，無線發射和接收器。

經過反復調研比選，選取了BWM826型作為主要的傳感器。它是一款小體積低成本數字型雙軸傾角傳感器，輸出方式RS232,RS485或TTL電平接口標準可選。體積小、功耗低、一致性和穩定性很高，由于是數字型傾角傳感器，線性度更容易得到修正。無線傳輸協議，現在普遍采用ZigBee。ZigBee1182數據傳輸終端是一種物聯網無線數據終端，利用ZigBee網絡為用戶提供無線數據傳輸功能。

該傳輸系統主要由傾角傳感器(5個)、無線發射裝置(5個)、無線接收裝置(1個構成)。具體如圖1所示。

2　監測軟件開發及測試

測試軟件主要采用LabVIEW進行開發。具體開發過程如下。

2.1　系統開發架構

根據前面所述，系統工作原理，設計了系統開發的架構。主要包括以下內容：

1)系統中關鍵數據的讀取，收集到的X,Y數據等信息。

2)數據的解析發送，接收到的16位進制數據進行解析，重新解析出設備號、收集到坐標軸及其數據。

3)系統界面的構成。主要由系統各個監測點的按鈕、系統數據串口命令的設置、系統數據的波形顯示等內容構成。

2.2　系統開發主要模塊

2.2.1集成模塊開發

在Labview環境下，開發相關硬件驅動程序，關鍵設備如傳感器、無線接收模塊。整體驅動硬件主要分為串口數據接收部分、數據接收處理、數據顯示部分、錯誤顯示情況。

2.2.2數據讀取模塊

后臺數據讀取全部為16進制數據，因此需要數據讀取模塊轉換為10進制。數據讀取模塊的關鍵作用就是對原始數據進行抓取，通過公式演算解析成角度用波形圖表(Chart)展示。

1)把緩沖區接收到的字符串原始數據用截取字符段控件，通過字段長度的方式截取出傳感器的設備號、端口值、數據值。

2)通過條件函數(Case Structure)篩選設備號和端口值確定發送設備后對數據進行處理——通過采集值轉電流和電流轉角度公式演算出及時角度。

3)通過捆綁簇(Bundle)結合兩個輸入控件作為預警線將數據傳至波形圖表(Chart)展現及時角度的變化。

4)對While循環上的移位寄存器增加元素并創建顯示控件，可實現同步迭代更新最近三個角度數據值方便觀測記錄。

5)定時等待(ms)設置500 ms使波形減緩便于觀測。

通過以上過程，分別開發了樁架水平數據監測子系統、樁架垂直數據監測子系統、鉆桿垂直數據監測子系統、平臺水平數據監測子系統、電機電流監測子系統、鉆桿偏移距離監測子系統等7個界面的集成監測系統。

該系統界面的優勢：

1)施工時隨時可以監控各測點的數據情況，根據打樁深度預先設計的預警值，當超過預警線時自動報警，提示鉆機操作人員和管理人員需要注意鉆機狀態，并及時采取一定的措施進行糾偏。

2)該系統界面美觀，容易操作，系統運行正常情況下，只需要設計預警值，同時點擊關注的傳感器數據，就可以輕松得到其相關數據。

2.3　系統測試

為了測試整個系統工作的可靠性，進行了實驗室試驗。長螺旋鉆機的實驗室模型如圖2所示。實驗室試驗中，將傳感器和無線發射裝置安裝如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平臺頂部。為了驗證測試角度的準確性，在頂部平臺安裝有角度測量工具，指針的角度隨著鉆桿擺動。

另外，設計了系統警戒值，當測試數據超過警戒值時(圖3中虛線)，系統會自動報警，彈出報警信息，提示管理人員，需要對樁

機鉆孔施工采取措施，保障鉆孔的施工質量。監測數據界面如圖3所示。

3　結語

根據長螺旋鉆機的實施監測的原理特點，進行了系統構建，開發了監測系統，主要包括樁架水平數據監測子系統、樁架垂直數據監測子系統等七大子系統。通過實驗室試驗檢驗得到，監測系統設計及軟件具有高可靠性，監測系統中測點的數量可根據需要進行具體增減。

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