樁機鉆深監測系統研究

陳華

基金項目：湖南鐵路科技職業技術學院2019年度院級科研課題（課題編號：HNTKY-KT2019-4）

摘要：為確保樁機成樁深度符合設計要求，本文設計了一套樁機鉆深監測系統，避免所成樁體的深度小于設計深度，從而影響地基的承載性能。

關鍵詞：鉆深;承載;監測

中圖分類號：TE922文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0060-02

通過對樁機現場實際施工工況的統計分析，發現樁機由于缺乏一套完善的鉆深監控體系，在成樁過程中鉆具最終鉆入深度的大小缺乏合理的監控手段，最終鉆停位置幾乎由駕駛員獨立判斷決定，這就導致經常會因為駕駛員個人原因使最后所成樁體的深度不符合設計深度，從而影響地基的承載性能。為解決上述問題，本文設計了如下樁機鉆深監測系統。

1鉆深監測方案選取

根據現有樁機鉆深監測方案并結合樁機的結構特點，本文一共歸納出以下三類較為行之有效的鉆深監測方案，分別為卷揚筒式監測、滑輪式監測以及立柱導軌式監測[1]。其中立柱導軌式監測還分為有線監測裝置和無線監測裝置兩種。

1.1卷揚筒式監測方案。

如圖1所示，卷揚筒式監測方案通過在卷揚滾筒的從動軸上安裝旋轉編碼器，當卷揚馬達接收來自液壓系統的動力后會驅動卷揚滾筒轉動從而收放鋼絲繩。由于處于滾筒從動軸上的旋轉編碼器與滾筒的轉動是同步的，因此旋轉編碼器可以很好的記錄滾筒的轉動角度。在此基礎上，結合滾筒的直徑就可以計算出鋼絲繩收放的長度，從而推算出鉆具的鉆深。此監測方案中鉆深計算公式如下：

式中：A——卷揚滾筒的直徑（m）;

θ1——旋轉編碼器記錄的轉動角度（°）。

此監測裝置的優點為：旋轉編碼器安裝過程簡單，且安裝在處于地面高度的卷揚滾筒上，整個過程方便快捷;旋轉編碼器直接于卷揚滾筒相連接，可以直接測得滾筒旋轉角度并直接計算出鋼絲繩收放長度，整個過程除了鋼絲繩的拉伸變形外幾乎不存在其他的測量誤差，具有較高的測試精度[2]。

缺點為：只適合卷有單層鋼絲繩的卷揚筒，當卷揚筒上卷有兩層以上的鋼絲繩時，鋼絲繩的直徑將發生變化，如果依舊按照滾筒公稱直徑來計算鉆深將不可避免的造成測量誤差，而且鋼絲繩層數越大，誤差越大。

1.2滑輪式監測方案。

如圖2所示，滑輪式監測方案通過在樁機頂部滑輪的滑輪軸上安裝旋轉編碼器，當鉆具進行旋進或者提升運動時，鋼絲繩會通過摩擦力代替滑輪同步轉動，此時旋轉編碼器就可以實時記錄下滑輪轉動的角度，然后結合滑輪的直徑就可以計算出滑輪輪緣上經過的鋼絲繩長度，從而推算鉆深。此監測方案中鉆深計算公式如下：

式中：B——滑輪的直徑（m）;

θ2——旋轉編碼器記錄的轉動角度（°）。

此監測裝置的優點為：在滑輪軸上安裝旋轉編碼器的過程方便，結構簡單;旋轉編碼器與滑輪軸直接相連，兩者同步轉動，旋轉編碼器可以無損的記錄下滑輪轉動的角度。

缺點為：旋轉編碼器安裝位置處于高位置的樁機頂部，不便于維修與調整;由于鋼絲繩收放時依靠摩擦力帶動滑輪轉動的，所以當摩擦力不足時，這二者之間容易發生打滑現象。

1.3立柱導軌式監測方案。

立柱導軌式監測裝置分為有線和無線兩種方案，如圖3所示。有線監測裝置如圖3（a）所示，通過在導軌頂部安裝一拉線位移傳感器，并將此傳感器的拉線端固定與動力頭上，這樣當動力頭驅動鉆具運動時就會同步帶動傳感器的拉線收放，從而測出鉆具的鉆孔深度。同理，如圖3（b）所示，分別在導軌頂部以及動力頭上分別安裝無線測距傳感器的信號發射端與接收端，只要動力頭與鉆具同步旋進就可以通過測量信號發射端與接收端之間的距離來估算鉆具的鉆孔深度。

導軌監測方案的優點為：監測裝置結構簡單、安裝方便;傳感器直接監測動力頭的移動，基于動力頭的運動與鉆具的移動是同步的，所以傳感器相當于直接測量鉆具的鉆深，無其他中間過程引入誤差，具有較高的測量精度。

無線導軌監測方案的缺點為：戶外施工時，無線設備的運轉容易受雨水天氣影響;振動不僅影響無線設備信號的傳輸，還會影響測量結果;無線設備的可靠性遠遠不如有線設備。

有線導軌監測方案的缺點為：拉線位移傳感器在量程較大時精度得不到保證;現場工作環境復雜，拉線位移傳感器的測量容易受其他因素干擾。

綜合對比以上幾種樁機鉆深測量方案，首先卷揚筒式監測裝置使用受限，只適合單層卷繩狀況下使用，不能測量較大深度的樁孔，予以排除;其次滑輪式監測裝置由于打滑的現象的偶然性以及不可避免性，最后監測結果的準確性無法保證，也加以排除。最后剩下的導軌式監測裝置，由于有線裝置與無線裝置相比，具有環境適應性好、測量可靠性高以及系統成本低等優點，所以最后選取有線導軌監測裝置對樁機鉆孔深度進行測量。

2鉆深監測系統設計

基于施工地點地面高低不平，使用拉線位移傳感器測量鉆深，必須每次在監測系統開啟之后設定鉆深零點位置[3]。監測系統原理如圖4所示：鉆具旋進時帶動拉線位移傳感器的拉繩伸出，傳感器開始記錄數據，當鉆頭觸地時按下零點按鈕將當前位置設定為鉆深為零點，隨后進入PLC中的數據將會以此零點數據為基準進行相應處理，最后將處理好的數據輸入顯示器中顯示鉆深。

參考文獻：

[1]旋挖鉆機幾種鉆孔深度測量裝置原理及特點[J].董梅，賀振斌.工程機械與維修.2014（10）

[2]幾種旋挖鉆機測深裝置的比較[J].米樹剛，劉媛媛.工程機械與維修.2009（07）

[3]旋挖鉆機鉆孔深度的檢測與計算[J].劉玉濤，高晶，周鑫.建筑機械化.2006（11）