基樁孔內攝像檢測技術應用研究

邱 斌，彭文柏，趙寶生，刀 杰，錢雪鑫

（1.云南省建筑結構與新材料企業重點實驗室，云南 昆明 650223；2.昆明市建筑工程結構安全和新技術重點實驗室，云南 昆明 650223；3.云南省建筑科學研究院，云南 昆明 650223）

0 引言

廣義基樁孔內攝像檢測技術是借助聲波或者超聲波、光、電、磁等介質和核磁共振等技術對鉆孔周邊物質進行原位掃描成像，采集的數據結果通常采用直觀可視的圖像顯示方式進行表達的檢測技術［1］。

本技術最先應用于石油測井技術中，國外開展鉆孔成像技術研究于 20 世紀 60 年代，歐美發達國家最早作為一種測井技術引入到油氣鉆孔的勘探，1969 年美孚（Mobil）公司的 Zemanek 等人采用超聲波技術研究出第一代井中電視（Borehole Televiewer），后來歐美國家的測井公司以此作為主要的測井服務手段應用于油氣測井工作中［2］。

我國井孔照相檢測技術開始出現于 20 世紀 60 年代，并于 20 世紀 70～80 年代研制出黑白井下光學電視成像系統和彩色井孔光學電視成像系統［3］。

國內用于工程檢測領域的基樁孔內攝像檢測則始于 20 世紀 90 年代中期，時間上滯后 10 年左右，但隨著電視成像技術的發展，鉆孔電視在工程檢測領域的應用越來越為廣泛［4］，特別是在工程樁基礎的基樁施工質量或樁身完整性檢測中的應用越來越廣泛。

基礎是工程結構重要的組成部分，樁基礎中基樁的完整性是確保其承載力發揮的必要條件，是確保工程結構安全可靠的先決條件。目前可采用聲波透射法、低應變法或（和）鉆芯法等間接方法進行樁身完整性檢測，但上述方法因其種種不便或缺點，往往不能直觀檢測樁身缺陷，而基樁孔內攝像檢測技術是彌補上述不便或缺點的有效方法。本文主要針對基樁孔內攝像檢測的基本原理、優缺點及應用技術要點進行詳細介紹，并通過二則案例進行驗證、說明。

1 基樁孔內攝像技術的基本原理

根據文獻［5］和文獻［6］可知，基樁孔內攝像檢測是一種將攝像頭和鏡頭裝進防水承壓艙內組裝成為檢測探頭，然后將該探頭沿空心樁或樁身孔道勻速下放或提拉，通過攝像技術有效識別樁身缺陷及其位置、形式、程度，并將全景圖像傳回主機顯示器的基樁樁身完整性檢測方法。

經過多年發展，孔內攝像技術取得了更大的進展，根據文獻［7］可知，目前該技術的檢測原理是采用高清全景攝像頭在干孔和（或）清水孔條件下勻速沿空心樁樁孔或樁身孔道對孔壁進行連續高清拍攝，進而采集環狀井壁圖，經過系統處理將采集到的一系列環狀井壁圖按順序拼接得到孔壁彩色圖像。

該技術可對接頭質量及樁身破碎、斷裂、裂隙等缺陷的長度、寬度及其傾向等參數進行定量分析，為處理基樁事故提供可靠、直觀的技術依據。

常用基樁孔內攝像設備由圖 1 所示的鉆孔攝像頭、傳輸電纜、主機及顯示屏、絞車等部件組成。

圖1 鉆孔電視示意圖

基樁孔內攝像檢測技術作為一種新型的檢測方法，可以對經如低應變、聲波透射法等間接檢測方法難以定性的基樁進行復核，一定程度上彌補了現有樁身完整性檢測方法的不足，使檢測結果更直觀、準確。

2 基樁孔內攝像檢測技術特點

2.1 基樁孔內攝像檢測技術優點

CECS 253∶2009《基樁孔內攝像檢測技術規程》在其 1.0.1 條文說明中介紹了如下可視化檢測技術的優點［8］：

1）可直觀、精確地檢測缺陷位置；

2）可檢測多重缺陷；

3）可檢測豎向缺陷；

4）可定量分析缺陷；

5）可檢測采用快速機械螺紋接頭施工的管樁缺陷；

6）可有效檢測超長樁的缺陷；

7）可用于復核檢測灌注樁鉆孔處的缺陷；

8）可對低應變和聲波透射法進行復核檢測，也可單獨進行基樁檢測。

隨著多年的技術發展，可視化檢測除上述優點外，尚具有如下工程需求及相應優點：

1）可檢測預應力管樁連接部位的施工質量；

2）既有工程抗浮失效鑒定時，可結合鉆芯法檢測樁與承臺間破損；

3）既有工程抗浮失效鑒定時，可結合局部破損法檢測抗浮構件與上部結構連接部位的破損；

4）可對灌注樁鉆芯孔中的樁身施工質量進行復核檢測；

5）可檢測樁底沉渣厚度；

6）可對樁底持力巖層性狀（如厚度、裂縫等）進行檢測；

7）可結合局部破損法對混凝土結構構件的內部缺陷進行定量檢測。

2.2 基樁孔內攝像檢測技術缺點

雖然孔內攝像檢測技術有上述種種優點，但仍存在以下種種不便及缺點：

1）需要鉆孔提供檢測通道，并且要求干孔或孔內清水狀態；

2）圖像成果由拼圖所得，拼圖質量與孔徑大小直接相關，所以應準確測量其孔徑；

3）缺陷寬度、傾斜度等缺陷幾何尺寸的準確度與標定精確度有關，故缺陷幾何尺寸需預先進行標定；

4）圖像清晰度與探頭提升速度直接相關；

5）缺陷豎向位置與線纜長度準確度相關；

6）與鉆芯法相同，無法預先知道缺陷的具體位置，直接影響檢測結果的準確性和精確性。

3 檢測技術要點分析

3.1 鉆孔選位

鉆孔位置應結合工程施工過程中的資料、工程巖土條件、施工工藝等參數，對可能出現成樁質量問題的區域進行預判，并根據預判結果選擇合適的區域進行成孔。

可預先通過低應變法檢測樁身可能出現的缺陷部位，然后通過鉆芯提供孔內攝像檢測條件更準確地檢測樁身缺陷。

3.2 孔徑

孔徑應與可視化檢測儀器的探頭直徑相匹配，并且檢測數據采集時應準確測量并填寫孔徑大小。

孔內攝像檢測技術所得的圖像成果是通過拼圖拼接所得，孔徑大小的設置直接影響圖片拼接效果，若設置值大于實際值，拍攝拼接會掉圖；若設置值小于實際值，拍攝拼接會重復圖像；故務必準確測量孔徑大小。孔徑沿孔深方向的變化無法有效測量，需要在成孔時嚴格控制成孔質量。

孔徑測量應沿兩相互垂直方向用游標卡尺進行孔徑測量，當兩垂直方向孔徑實測值相差不超過 1 mm 時，取兩方向實測值的均值為孔徑實際值填入軟件中；若差值超過 1 mm 時，應再增加另外兩個相互垂直方向進行孔徑測量，并與前次測量結果進行平均值作為孔徑實際值填入軟件中。孔徑測量可沿圖 2 所示的兩個垂直直線方向進行測量，需增加測量點時可選另兩個垂直直線方向。

圖2 孔徑測量示意圖

3.3 探頭提升速度

孔內攝像檢測技術所得圖像成果的清晰程度與探頭在孔內的提拉速度直接相關，進入實時采集程序后，應勻速下放/上拉探頭。

檢測過程中可根據孔壁反光特性選擇暫停退回調試頁面對光照進行調整，使探頭光強適中。

當缺陷位置比較復雜或預判對承載力影響較顯著時，應放慢行進速度以重點拍攝。

3.4 線纜長度校準

應在檢測前對線纜測試長度進行現場校準以確保檢測深度計量的準確，出現下列情況之一時，應對可視化測試儀的線纜長度進行校準：

1）每個項目檢測開展前應進行校準；

2）運送途中出現拉扯線纜等影響線纜長度時；

3）運送和（或）測試時線纜工作溫度超出儀器使用溫度范圍時；

4）線纜出現打結、彎曲等有明顯變形現象時；

5）超出有效校準期時；

6）對測試深度數據有懷疑時；

7）出現其他可能影響線纜長度的情況時。

線纜長度校準時宜符合下列要求：

1）校準用基準設備應采用外校合格的鋼尺、卷尺、測距儀等測量設備，精度應≥ 0.5 mm；

2）校準的環境溫度應接近檢測時線纜的工作溫度，溫度偏差限值應≤±5℃；

3）校準所用的拉緊設備可采用測試儀自帶的探頭或拉力計，校準時所用的拉緊力應與探頭重力相同，誤差不應超過±0.5 kN；

4）每次校準應針對不少于 3 個長度段進行校準，宜針對 5 個長度段進行校準。當針對 3 個長度段進行校準時，應分別選取L/3、2L/3 和L長度段進行校準；當針對 5 個長度段進行校準時，應分別選取L/5、2L/5、3L/5、4L/5 和L長度段進行校準；L為被測孔深，單位為 m。

3.5 缺陷尺寸標定

檢測開展前，應采用標準樁模型對缺陷尺寸進行標定，當出現下列情況之一時，宜用標準樁模型對缺陷寬度與傾斜角進行標定：

1）每個項目檢測開展前；

2）運送途中出現影響缺陷尺寸精度的因素時；

3）運送和（或）測試時工作溫度超出儀器使用溫度范圍時；

4）超出有效校準期時；

5）對缺陷測試數據有懷疑時；

6）出現其他可能影響線纜長度的情況時。

采用標準模型樁進行缺陷尺寸標定時，宜符合下列要求：

1）標準樁模型中的缺陷尺寸測量精度應精確至 0.1 mm，角度測量精度應精確至 1′；

2）標定的環境溫度應接近檢測時線纜的工作溫度，溫度偏差限值應不大于±5 ℃；

3）標定時的孔徑宜與現場測試所用孔徑一致，若現場測試所用孔徑為非常規孔徑時，應進行多孔徑標定，確保現場測試孔徑在被標定孔徑范圍內，從而建立孔徑缺陷測試尺寸與缺陷實際尺寸的近似關系；

4）條件允許時，應建立常用孔徑缺陷測試尺寸與缺陷實際尺寸的關系，當可視化測試儀長期不用時，所建立的關系應定期進行校準、確認，周期不應少于 1 次/3 月。

3.6 調試、校準

每次檢測工作開展前后均應對孔內攝像檢測設備進行調試、校準，檢測前進行調試校準是為了確保檢測結果的準確性、可靠性，檢測后進行調試校準是為了確保檢測設備在檢測過程中未出現影響檢測準確性、可靠性的因素，以致檢測結果出現不可知的結果。

4 基樁孔內攝像檢測技術應用實例分析

4.1 基樁完整性檢測

某發電有限公司二期 2×1 000 MW 工程設計采用直徑 800 mm 的鉆孔灌注樁基礎。為確保樁基施工質量，要求樁基施工完成后應進行樁身承載力及樁身完整性檢測。

其中 1# 樁進行承載力檢測時，加載至 4 000 kN 時，樁身沉降出現陡降現象，沉降量達到了 22.55 mm，累計沉降量達到 31.55 mm，在經歷長達 900 min 的荷載維持后最終達到了單級荷載穩定，隨后兩級 4 500 kN 及 5 000 kN 的加載，單級沉降分別僅為 2.60 mm、1.69 mm。通過單樁豎向抗壓靜載試驗分析，發現在加載至最終加載量的 60 %～70 % 時，樁身出現陡降。

結合巖土工程地質勘察報告與接近于曲線陡降前所對應的荷載值初步判 1# 樁樁身在 14～16 m 出現基樁不完整的現象，查看現場基樁施工記錄得知，1# 樁樁長 25 m，在深度 14～16 m 之間存在混凝土供應不連續的現象。

通過低應變檢測發現受檢樁分別在 11 m 或 14 m 左右的位置出現了與首脈沖同向的反射現象，懷疑在施工過程中該處出現不完整及夾泥、夾渣現象。

為進一步確認受檢樁的樁身完整性，經建設單位、監理單位、設計單位和施工單位及相關方開會論證后，采用基樁取芯及孔內攝像檢測技術進行檢測，借助多功能智能鉆孔電視測試儀直觀發現，14.5 m 和 15.5 m 上下各 0.25 m 處分別出現了顯著的孔洞、澆筑不密實現象。圖 3 為現場取芯情況，圖 4 為 14.5 m 和 15.5 m 上下各 0.25 m 的鉆孔電視測樁圖。

圖3 鉆孔取芯現場示意圖

圖4 缺陷處孔內攝像圖

通過本例可得到如下主要結論：

1）孔內攝像檢測技術可直觀、清晰地檢測出基樁孔內、澆筑不密實的部位；

2）孔內攝像檢測技術與低應變檢測技術配合可高效地對基樁樁身不密實區域進行檢測。

4.2 抗浮樁破損檢測

某工程包括地下室（地下 2 層）、兩棟寫字樓（地上 25 層、地下 2 層）及兩棟附樓（地上 4 層、地下 2 層），地下室基礎采用旋挖鉆孔灌注樁+樁基承臺+防水板，旋挖樁樁徑 800 mm，均為嵌巖樁，有效樁長≥6.0 m。在地下室、寫字樓及附樓主體結構施工完畢后，附樓之間地下室出現上浮，且地下室防水板、框架柱、剪力墻、樓板等已經出現結構性損傷。

根據沉降觀測結果可知，地下室負二層底板相鄰柱基的沉降差大于國家現行規范規定的工業與民用建筑相鄰柱基的沉降差允許值（0.002L，L為相鄰柱基的中心距離，mm），不考慮施工誤差的情況下，地下室負二層底板上浮點數占總點數的 73 %，最大上浮量為 68.88 mm。

為判斷上浮位置處的樁與承臺連接處是否有破損、斷裂，現場在承臺與柱交接處附近鉆至承臺底形成觀察孔，查看鋼筋錨固、樁頭和承臺的連接情況。

現場在位于受損混凝土柱旁共鉆取 28 個鉆孔，其中 13 個鉆孔鉆到承臺與樁的交接處，在鉆孔位置通過基樁孔內攝像檢測設備可清晰地發現樁與承臺處出現不同程度的破損、開裂，部分現場檢測照片如圖 5 所示。

圖5 承臺與樁連接處裂縫、缺陷

通過本項目可知，基樁孔內攝像檢測技術也可有效應用于直觀判斷抗浮樁與承臺連接處連接質量、破損狀況等方面的檢測。

5 結論

本文對基樁孔內檢測技術應用原理、技術要點進行了詳細的介紹，并介紹了兩項工程應用案例，可得以下主要結論：

1）孔內攝像檢測技術可直觀、清晰地檢測出基樁孔內澆筑不密實的部位；

2）孔內攝像檢測技術與低應變檢測技術配合可高效地對基樁樁身不密實區域進行檢測；

3）基樁孔內攝像檢測技術也可有效應用于直觀判斷抗浮樁與承臺連接處連接質量、破損狀況等領域；

4）基樁樁身完整性檢測時，應盡量收集施工資料，當出現信號異常時，可借助施工資料進行有效分析，做出準確判斷，確保檢測質量。Q