基坑淺孔鉆孔成孔質量監測系統設計

郭義先 張召冉 馮紅超 韓鵬飛 張 揚 矯偉剛

(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)

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 長螺旋鉆機工作原理及其特點

長螺旋鉆機構成中，如圖1所示。樁架是長螺旋鉆機的結構的主體，主要作用是懸掛鉆進系統和提升鉆桿，當一個孔完成之后，樁架通過行走機構實現工位的移動，再完成下一個工位。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。中盤由機身、液壓回轉機構、起柱架等組成，下盤主要是行走機構。樁架的核心部分是立桿，在鉆進過程中起到支撐和導向的作用，主要承受動力頭的扭矩和提鉆時鋼絲繩的壓力。鉆桿上裝有活葉鉆頭，鉆機的鉆進工作主要依靠鉆桿完成。平臺的回轉機構起到樁架位置及機身穩定的作用。

2 測斜系統設計及工作原理

對于長螺旋鉆孔施工來講，鉆孔施工時，成孔質量主要取決于以下幾個主要方面：

1)鉆機本身的水平控制，其主要由鉆機底盤決定。底盤的穩定性是決定整個鉆機水平與否的關鍵。鉆機依靠履帶進行行走，鉆孔時在支腿的輔助作用下，保持機體的整體穩定性。穩定性越高，鉆孔質量越容易保障。

2)鉆機立桿的垂直度。鉆機立桿的垂直度也是影響鉆孔質量的關鍵之一，當立桿垂直度欠佳時，因為鉆桿是在立桿的基礎上進行行進鉆土作業，因此，其垂直度會影響到鉆桿的行進軌跡，因此在控制中要注意鉆機立桿的控制，保證其垂直度的要求。

3)鉆桿上動力頭的水平控制、垂直控制。當鉆桿發生傾斜時，鉆機動力裝置必然受到鉆桿的影響，會發生一定的偏移或變形，因此，也注意對動力頭的水平或垂直度的監測。其主要作用是為鉆桿的控制提供一定的參考。

4)鉆桿在鉆進過程中的傾斜角度。鉆桿的鉆進狀態直接影響到鉆孔的質量，鉆桿的垂直度是關鍵，由于鉆桿屬于長桿件系統，在鉆進過程中會產生一定的彎曲，導致僅僅采用上述幾個控制點并不能準確表征鉆桿端頭的行進軌跡，因此，在鉆桿底部安裝控制裝置，實時掌握其運行軌跡，對控制成孔質量，達到設計標準至關重要。

5)鉆機鉆進狀態的實時監測與調整。成孔質量的關鍵還取決于施工人員對鉆機的了解程度，往往在施工時忽視對于機械參數各種數據的及時查看，造成成孔質量差的難題，因此管理人員需對鉆機狀態進行實時監控，有利于保證成孔質量，并進行調整。

針對以上分析，為做到在施工中對鉆機狀態的良好控制，需要在鉆機施工準備階段就開始控制，即事前控制，主要控制鉆機底盤的平整度，鉆機立桿的垂直度，鉆桿的垂直度等，使其在施工前就達到設計的要求。施工中的動態監測，通過相關的傳感器及其發射和接收裝置，通過高靈敏度的傳感器動態記錄各個測點垂直度和水平度的情況，及時糾偏并采取針對性的措施。

系統的設計主要由鉆機、高精度傳感器、無線發射裝置和無線接收裝置構成。高精度傳感器通過內部重力系統感知與水平面偏移度，通過角度將角度轉化電流信號，通過無線發射裝置發射，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 測斜系統設計

3.1 測斜系統測點布置及工作

由于目前國內測角度的傳感器只能測試正交條件下設備的傾斜角度，而實際過程中，立桿等設備傾斜角度并不一定與傳感器正交，為更準確測定鉆桿的傾斜程度，在立桿等關鍵設備上設計兩個傳感器，如圖3所示。

主要原因為，監測施工過程中立桿的傾斜α，在實測過程中，測定值為β和γ，所以需要進行修正，以準確測量相關角度。

鉆孔偏斜角度實時監測：鉆孔成孔傾斜角度Α=鉆機底盤傾角α1+立桿傾角α2+動力頭的傾角α3+系統誤差δ。

電機電流傳感器布置主要為了監測電機在施工過程中的電流情況，進而監測施工中土層的變化情況，調整鉆機鉆進速度，保護裝備安全。

平臺水平傳感器的主要作用為保證在行進過程中鉆機平臺的水平度，即使做不到完全水平，也為鉆機及立桿的調解提供有用參考依據。

電機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，是否鉆頭發生明顯偏移。

為了保證基坑鉆孔時測斜質量，進而保證長螺旋鉆機的成孔質量，結合系統工作原理，設計在平臺處設計水平傳感器，立桿處的傳感器，電機電流傳感器，還有鉆頭處的傳感器，測點布置如圖4所示。

3.2 測斜系統測點工作過程

測斜系統每組測點中，都包含傳感器、無線發射模塊、無線接收模塊三部分組成。無線發射模塊通過對傳感器數據進行讀取后，接收模塊接收，通過編制相關軟件系統對數據進行分析，在電腦中輸出角度信號，根據相關的三角函數進而轉化為偏移距離信號。

4 結語

根據淺孔施工中關鍵機械長螺旋鉆機的構成及施工特點，設計了成孔質量監測系統。通過分析得到了鉆機本身的水平控制、鉆機立桿的垂直度、鉆桿上動力頭的水平及垂直控制、鉆桿在鉆進過程中的傾斜角度、鉆機鉆進狀態的實時監測與調整等五個方面是關鍵。在此基礎上，設計了監測系統測點及測點內設備構成。此監測系統原理及測試系統工作原理圖將為系統運行奠定基礎。

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