大直徑鉆孔樁智能鉆孔系統(tǒng)研究

鄢盛華，李國平，佟 丹，劉 策，李舸爭

（1.中鐵大橋局集團有限公司機械化施工分公司，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、風電等基礎工程主要的組成部分，施工過程中經常會發(fā)生縮徑、擴孔和垂直度超標等現(xiàn)象。此外，由于鉆孔位置的地層地質構造的復雜性，也會鉆遇地下暗河、溶洞等特殊地質結構，因此樁基孔檢測至關重要。傳統(tǒng)的樁基孔檢測是在鉆孔完成，利用檢測儀器對成孔進行掃描，取得樁基孔的幾何數(shù)據(jù)。這種“事后檢測”雖然能獲得成孔的幾何形狀和幾何尺寸，但無法提供實時在線檢測的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，進一步地喪失了實時矯正鉆孔缺陷的機會和可能性。當檢測結果顯示成孔質量不符合設計要求，需要重新安裝鉆機設備，對成孔進行返工矯正，施工成本增大，拖延施工工期，情況嚴重甚至廢棄已經完工的樁基孔。現(xiàn)有技術裝備不具備鉆井實時探測樁基孔工程質量以及實時評價井周地質構造的功能。鉆機及井下鉆孔設備不具有對缺陷樁孔進行智能矯正的能力。

為保證灌注樁鉆孔質量，特別是大直徑鉆機，急需配套一種技術先進、可靠性好的成孔質量在線監(jiān)測裝備。對樁基孔鉆孔質量進行實時監(jiān)測，及時掌握樁基孔鉆孔施工的工程質量。進一步為樁基孔的幾何形狀和幾何尺寸進行矯正提供依據(jù)，保障成孔質量。

2 鉆孔實時檢測技術及裝備

鉆孔實時檢測技術主要包括樁基孔幾何參數(shù)實時測量、樁基孔井周地質參數(shù)實時探測、井下/地面雙向無線通訊技術及裝備（圖1）、地面系統(tǒng)軟件（圖2）、信號與數(shù)據(jù)處理、樁基孔鉆孔施工實時評價技術等。

圖1 井下探測儀器

2.1 樁基孔鉆孔幾何參數(shù)實時測量

圖2 系統(tǒng)界面

主要包括井下垂直度實時檢測、鉆孔井徑實時測量、鉆孔深度自動測量、井下震動、轉速實時監(jiān)測等。

2.1.1 井下垂直度檢測

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

本文應用三軸重力加速度計構成垂直度探測單元，安裝在靠近鉆頭部位。實時測量比對三維地球重力場，獲得鉆頭與重力場Z軸垂直線的夾角（圖3），隨著樁基孔鉆孔深度的增加，累計測量值繪制實際井眼垂直度變化曲線，評價樁基孔鉆井施工的垂直度。

圖3 垂直度測量

該方案有別于鉛錘法測量垂直度的方法，先進性在于：①實時測量數(shù)據(jù)，獲取地球重力場Z軸絕對值，保證測量數(shù)據(jù)的真實性；②測量并比對樁基孔母線地球重力場偏角；③便于施工作業(yè)過程中及時發(fā)現(xiàn)鉆孔質量問題，及時采取井控措施。

2.1.2 鉆孔井徑實時測量

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

本文使用多個非接觸式超聲波井眼直徑測量探測器，安裝固定在鉆頭上。在樁基孔鉆孔的過程中實時探測井眼幾何尺寸。設計專用探測器滿足在泥漿密度≤1.3g/cm3等鉆井條件的井徑測量。累計全井筒井徑測量值，繪制樁基孔孔形包絡圖（圖4），真實反映鉆孔工程尺寸。

圖4 井徑包絡圖

相對于現(xiàn)有技術而言，其測量精度由于X-Y雙向井徑測量；井周掃描檢測獲得較為完整的真實井周幾何尺寸輪廓；多探頭設計補償井下受泥漿影響等因素。

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

2.1.3 鉆孔深度自動測量

鉆孔深度自動測量主要通過重錘結繩測量法、間歇式人工測量井深等方法。系統(tǒng)解決方案是：實時記錄鉆機升降部件的往復運動位移，輔助鉆機狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測，剔除鉆機無效升降行程，累加統(tǒng)計獲得連續(xù)的實際鉆井深度。

2.1.4 井下震動、轉速實時監(jiān)測

本文研究井下儀器模塊樣機設置加速度傳感器、角速度傳感器，測量井下鉆具的震動、沖擊參數(shù)和實際轉速等。

2.2 樁基孔井周地質參數(shù)實時探測

通常樁基孔設計及施工目的在于鉆遇堅硬地層，以獲得灌注樁穩(wěn)定地與基礎地層（巖石）可靠錨定。盡管樁基鉆孔布井設計都事先做過地質調查和探測，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，淺表地層構造復雜（例如：覆蓋層、泥沙層、松散礫石等），常常鉆遇地下溶洞、暗河、沙漏層等非均質地質構造，增加了樁孔鉆井地層構造的不確定性。

為及時辨識鉆遇地層地質構造，發(fā)現(xiàn)堅硬地層（巖石），提高樁基孔鉆孔作業(yè)應對地質條件突變帶來的施工風險，保證鉆井質量、提高鉆井功效。

在井下測量儀器模塊內，設計并安裝了“自然伽馬”探測器。由于泥巖、砂巖、硬質巖石等具有不同的自然伽馬API值。井下自然伽馬探測，在鉆井過程中，掃描探測實時鉆遇地質環(huán)境，判斷樁基孔井周地層及巖石分布，從而識別均質地層、沉積沙層、礫石堆積層、地下溶洞、暗河等地質特征，為樁基孔鉆孔施工以及后續(xù)作業(yè)提供井周地質信息。

2.3 井下/地面雙向無線通訊技術

該技術在樁基孔鉆孔雙向無線通訊做到了突破性研究和應用經理論計算與分析，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)場實驗證明，選用適當發(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、信號與數(shù)據(jù)處理、樁基孔鉆孔施工實時評價技術等依托井下實時采集數(shù)據(jù)，結合地面計算與處理構成良好的人機界面。

3 鉆孔智能矯正技術及裝備

1）從動式井下矯正器 根據(jù)井斜測量值，地面發(fā)出矯正指令，某個方位的井壁支撐板與樁孔井壁貼緊，對矯正器施加作用力，使樁孔鉆具與井壁支撐板相反方向偏移，在鉆機繼續(xù)鉆進的同時，進行樁孔井眼軌跡矯正。井下實時檢測數(shù)據(jù)實時反饋、補償井眼軌跡校正量。

2）主動式井下矯正器 根據(jù)井斜測量值，地面發(fā)出矯正指令，扶正器與井壁固定，某個方位的矯正止推板對鉆具施加作用力，引導鉆具偏移進行樁孔井眼軌跡矯正（圖6、圖7）。井下實時檢測數(shù)據(jù)實時反饋、補償井眼軌跡校正量。

圖6 從動式井下矯正器

圖7 主動式井下矯正器

樁基孔鉆孔實時檢測技術及裝備與樁基孔鉆孔智能矯正技術及裝備的組合，實現(xiàn)了樁基孔鉆孔裝備“人工智能”化。將成為行業(yè)技術創(chuàng)新發(fā)展的關鍵與核心，補齊橋梁建設施工產業(yè)鏈的最后也是最關鍵的技術及裝備短板。

4 鉆孔可視化智能專家系統(tǒng)及裝備

大型橋梁等基礎設施建設是流動性很強的工程作業(yè)，工地分散。面對技術管理、工程管理、設備管理以及專家會診現(xiàn)場技術難題時，有著客觀的困難和解決方案實施的滯后。這樣，帶來了功效低、成本高、技術風險管控不利等因素。

在實現(xiàn)樁基孔鉆孔實時檢測、樁基孔井眼缺陷智能矯正的基礎上，借助4G/5G 公共通訊網絡平臺以及施工現(xiàn)場可視化設備，搭建樁基孔鉆孔施工可視化平臺。

建立樁基孔鉆孔實時檢測數(shù)據(jù)收集、管理數(shù)據(jù)庫，結合行業(yè)設備專家、工程施工專家、現(xiàn)場作業(yè)安全監(jiān)督、橋梁基礎設計專家、橋梁地質評價專家等高端人才智庫，構成跨學科、綜合性的集成設備、技術、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、指導現(xiàn)場作業(yè)，及時分析診斷現(xiàn)場各種問題，及時制定科學有效的施工方案等。

圖8 可視化遠程智能專家系統(tǒng)

5 結語

目前樁基孔鉆孔實時檢測技術及裝備已在廣州市南沙區(qū)萬頃沙新墾鎮(zhèn)南中高速通道項目洪奇門大橋18 號墩工地現(xiàn)場得到了初步的驗證。該系統(tǒng)研究是灌注樁樁基孔鉆孔行業(yè)先導性、原創(chuàng)性理論及技術研究與探索。其階段性成果應用，充分發(fā)揮綜合技術優(yōu)勢，對樁基孔鉆孔施工作業(yè)、大型橋梁基礎作業(yè)等起到非常重要的作用。該研究成果順應制造產業(yè)升級、智能制造2025 等國家發(fā)展戰(zhàn)略，對于行業(yè)新技術應用，補齊橋梁建設中基礎施工技術落后的短板有著十分重要的意義。