CN101392529B - 钻孔成桩控制方法、控制系统及使用该控制系统的钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钻孔成桩控制方法，用于CFG工法，包括钻进流程及提钻浇筑流程，其中，钻进流程包括：实时获取钻杆当前钻进深度；判断钻杆当前钻进深度是否大于或等于预设钻进深度，若是，发出停钻控制信号，控制钻机执行机构停止工作；提钻浇筑流程包括：实时获取钻机主卷扬拉力；根据主卷扬拉力，获取钻杆底部泥浆压力；将钻杆底部泥浆压力与钻杆底部泥浆目标压力比较，获取钻杆底部泥浆压力偏差；以钻杆底部泥浆压力偏差为控制对象，控制钻机执行机构以相应速度提升钻杆。通过高效控制钻杆钻进及回提，可减少施工人员数量，降低劳动强度和施工成本，提高施工效率和成桩质量。本发明同时公开一种钻孔成桩控制系统及使用该控制系统的钻机。

Description

钻孔成桩控制方法、控制系统及使用该控制系统的钻机 

技术领域

本发明涉及具有执行或改善钻孔作业机能而无需人员操作的自动控制领域，具体涉及一种钻孔成桩控制方法、控制系统及使用该控制系统的钻机，尤其适于在CFG工法中使用。 

背景技术

随着建筑施工技术的发展，CFG桩的应用越来越广泛。所谓CFG桩，就是指水泥、粉煤灰、碎石混凝土桩(cement flyash gravel pile)；所谓CFG工法，就是指长螺旋钻孔中心压灌施工方法，其具体施工过程是，先把钻杆钻进地下规定的标高，然后再往上回提钻杆；在回提的过程中，同时用混凝土泵车将混凝土注入钻杆中心孔中，混凝土随着钻杆的回提落入已完成的钻孔中，从而形成密实的桩体。 

请参考图1，该图是一现有CFG钻机的结构示意图。其包括底盘1、主卷扬2、操作室3、锚架4、钻杆5、灌浆系统输送管道6等部分，其中：钻杆5的钻进及回提操作通过主卷扬2钢丝绳的收放实现；钻杆5为空心，与灌浆系统输送管道6连通，以便在提钻过程中同时进行浇筑；此外，灌浆系统输送管道6上设置混凝土压力传感器7，通过测定灌浆系统压力，来控制提钻及浇筑速度，保证浇筑质量。 

上述CFG钻机施工时，主要基于人的操作。从钻机就位钻孔，到钻孔至预定桩深，继而开始注浆，再到提钻，无一不需要大量人力协助操作。施工过程中，操作者需时刻关注钻机的运行情况，其运行过程既费时又费力，效率低下、劳动强度高。 

而且，该钻机的注浆压力采集方式也不尽合理。如图1所示，混凝土压力传感器7测定的是灌浆系统输送管道内的压力，没有考虑钻进系统及混凝土自重等因素，这使得钻杆5底部泥浆压力测量结果不准确，容易造成混凝土的浪 费及桩深空穴的产生，从而降低桩的质量。 

特别地，在灌浆系统输送管道6内混凝土压力过大时，钻杆5内腔易发生如图2所示的堵钻A；或者，在灌浆系统输送管道6内混凝土压力过小时，钻杆5内腔易发生如图3所示的空穴B。“堵钻”现象或“空穴”现象的发生，都会使测量结果产生较大偏差，从而影响施工质量，但现有CFG钻机却无法进行有效提示。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种钻孔成桩控制方法，可以提高施工效率，降低劳动强度，提高成桩质量；在此基础上，本发明同时提供一种钻孔成桩控制方法还提供一种使用该钻孔成桩控制系统的钻机。 

为解决以上技术问题，本发明的钻孔成桩控制方法，用于CFG工法，包括钻进流程及提钻浇筑流程，其中， 

所述钻进流程，包括： 

实时获取钻杆的当前钻进深度； 

判断所述钻杆当前钻进深度是否大于或等于预设钻进深度，若是，发出停钻控制信号，控制钻机执行机构停止工作； 

所述提钻浇筑流程，包括： 

实时获取钻机主卷扬的拉力； 

根据所述主卷扬拉力，获取钻杆底部的泥浆压力； 

将所述钻杆底部泥浆压力与钻杆底部泥浆目标压力比较，获取钻杆底部泥浆压力偏差； 

以所述钻杆底部泥浆压力偏差为控制对象，控制钻机执行机构以相应速度提升钻杆； 

所述提钻浇筑流程还包括： 

实时获取灌浆系统的压力； 

根据所述灌浆系统压力、钻杆底部泥浆压力，获取钻杆内外泥浆压差； 

判断所述钻杆内外泥浆压差是否大于或等于预设堵钻压力阀值，若是，发出堵钻提示信号； 

判断所述钻杆内外泥浆压差是否小于或等于预设空穴阀值，若是，发出空穴提示信号。 

优选地，所述钻进流程还包括： 

在判断到所述当前钻进深度大于或等于预设钻进深度时，发出提钻浇筑提示信号。 

优选地，所述钻进流程还包括： 

在钻机执行机构停止工作后，发出提钻控制信号，控制钻杆回提一预设回提高度。 

优选地，采用模糊PID调节方式控制钻机执行机构提升钻杆。 

本发明提供的钻孔成桩控制系统，用于CFG工法，包括： 

测深装置，用于实时检测并输出钻杆的当前钻进深度信号； 

测力装置，用于实时检测并输出主卷扬的拉力信号； 

混凝土压力传感器，用于实时检测并输出灌浆系统的压力信号； 

控制器，用于接收所述各种检测信号，根据预定的控制策略，实时进行数据解算，并输出有关控制信号；所述控制器还存储有各种与控制有关的参数； 

钻机执行机构，用于根据所述控制信号，驱动钻杆钻进或回提； 

系统启动后，所述控制器按以下策略进行控制：在钻进过程中，不断获取钻杆当前钻进深度信号；在判断到所述钻杆当前钻进深度大于或等于预设钻进深度时，发出停钻控制信号，控制钻机执行机构停止工作；并且，在提钻浇筑过程中，不断获取检测钻机主卷扬的拉力；根据所述主卷扬拉力，获取钻杆底部的泥浆压力；将所述钻杆底部泥浆压力与钻杆底部泥浆目标压力比较，获取钻杆底部泥浆压力偏差；以所述钻杆底部泥浆压力偏差为控制对象，控制钻机执行机构以相应速度提升钻杆； 

所述控制器在提钻浇筑过程中，还根据所述灌浆系统压力、钻杆底部泥浆压力，获取钻杆内外泥浆压差；判断所述钻杆内外泥浆压差是否大于或等于预 设堵钻压力阀值，若是，发出堵钻提示信号；并且，判断所述钻杆内外泥浆压差是否小于或等于预设空穴阀值，若是，发出空穴提示信号。 

优选地，所述控制器在钻进过程中，还判断所述钻杆当前钻进深度是否大于或等于预设钻进深度，若是，发出提钻浇筑提示信号。 

优选地，所述控制器在钻进过程中，还在钻机执行机构停止工作后，发出提钻控制信号，控制钻杆回提一预设回提高度。 

优选地，所述控制器输出PWM信号，用于控制钻机执行机构的比例阀动作。 

优选地，所述控制器为模糊PID控制器。 

优选地，所述测深装置通过检测提升钻杆的主卷扬钢丝绳收放长度，间接获取钻杆的当前钻进深度。 

优选地，所述测深装置通过皮带、齿轮、或链条机构连接钻机顶部吊锚架滑轮，该滑轮上绕有主卷扬钢丝绳；所述测深装置包括旋转编码器，用于通过检测旋转编码器光栅盘的输出脉冲，获取主卷扬钢丝绳收放长度。 

优选地，还包括显示器，与所述控制器连接，用于进行各种操作以及显示各种提示信号。 

优选地，所述显示器与所述控制器通过CAN总线连接。 

优选地，所述显示器与所述控制器通过CAN总线连接。 

本发明提供的钻机，使用上述任一项的钻孔成桩控制系统。 

与现有技术相比，本发明通过高效、自动控制钻杆的钻进及回提，可以减少施工人员数量，提高施工效率，并降低劳动强度，降低施工成本。通过检测主卷扬拉力，计算得到钻杆底部泥浆压力，较好地放映了钻杆底部的受力情况；由于钻杆底部泥浆压力测量结果准确度较高，便于控制钻杆以期望速度回提，有利于钻杆底部混凝土出口处保持合适、稳定的压力，从而有利于提高成桩质量。 

特别地，根据钻杆底部泥浆压力、灌浆系体压力，获的钻杆内外泥浆压差，可以判断钻杆是否发生“堵钻”及产生“空穴”，从而及时进行提示，以便采 取措施，保证施工质量。 

附图说明

图1是一现有CFG钻机的结构示意图； 

图2是钻杆发生堵钻时的示意图； 

图3是钻杆发生空穴时的示意图； 

图4是本发明测力原理图； 

图5是本发明控制方法的总流程图； 

图6是图5中钻进流程的一较优实施例流程图； 

图7是图5中提钻浇筑流程的一较优实施例流程图； 

图8是图7所示提钻浇筑流程中判断钻杆“堵钻”或“空穴”的流程图； 

图9是图7所示提钻浇筑流程中获取控制参数的流程图； 

图10是本发明控制系统一较优实施例的结构框图； 

图11是图10中模糊PID控制器的结构框图； 

图12是本发明钻机的外部结构示意图。 

具体实施方式

本发明的基本构思是，自动控制钻杆的钻进及回提；通过检测主卷扬拉力获得可靠的钻杆底部泥浆压力，获得钻杆底部泥浆压力偏差并以其为控制对象进行控制，实现钻杆以期望速度回提，保持钻杆底部混凝土出口处有合适、稳定的压力。 

为便于对本发明进行描述，先对有关术语解释如下： 

PID控制，即比例、积分、微分控制，又称PID调节。其中，P表示比例增益，比例调节设定大，系统出现偏差时，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例增益，会造成系统不稳定；I表示积分时间，积分时间越小，积分作用就越强，反之I越大则积分作用弱；D表示微分时间，微分调节有超前的控制作用，合适的微分时间能改善系统的动态性能。因此，在进行PID运行参数设置时，P、I、D的参数设定尤其重要，其设定的好坏直接关系控制性能的好坏。

模糊PID控制，利用当前的控制偏差和偏差变化率，结合被控过程动态特性的变化，以及针对具体过程的实际经验，根据一定的控制要求或目标函数，通过模糊规则推理，对PID控制器的三个参数进行在线调整。 

旋转编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，这是目前应用最多的传感器。主要包括光栅盘和光电检测装置：光栅盘与光电检测装置的输入端同轴，输入轴旋转时，光栅盘同速旋转；光源发出的光线经过一定光路后，光电检测装置输出若干脉冲信号；通过计算每秒输出脉冲的个数，可计算出当前驱动输入轴的被测设备的转速，并进而获得其它所需的物理量。 

为对本发明深入描述，以下对本发明的测力原理进行说明。 

如图4所示，要做到钻杆5回提的同时自动进行混凝土浇筑，必须保证钻杆5底部混凝土出口处有合适、稳定的泥浆压力P。泥浆压力P过大，造成混凝土的浪费；泥浆压力P偏小，则可能造成桩身空穴的形成；因此，P控制是混凝土浇筑的关键所在。 

现有检测方法是，在灌浆系统输送管道6上设置处用混凝土压力传感器7进行测量，获得灌浆系统压力Pj，并代替钻杆底部泥浆压力P。但是，由于没有考虑到钻进系统及混凝土自身的重力情况，当发生如图2所示“堵钻”及图3所示“空穴”情况时，测量结果将产生较大偏差，从而对整个浇筑过程产生不利影响。可见，直接测量灌浆系统压力Pj，所得到的钻杆底部泥浆压力P准确度不高；为此，本发明采用间接方式检测钻杆底部泥浆压力P，以下结合图4具体说明： 

近似认为钻杆5为活塞运动，则：钻杆5底部泥浆反作用力F1使钻杆5向上运动，而这个反作用力等于钻杆底部泥浆压力P与孔的(位于钻杆5内腔圆柱内)横截面积之积。在钻杆5向上的过程中，对其进行受力分析可得出： 

F1＝F2-G1-G2-g 

其中：F2为主卷扬拉力，可通过高精度拉力传感器测出；G1为钻进系统重力，为固定值；G2为钻土重力，可根据钻进深度计算；g为钻杆5内混凝 土所受重力，可根据混凝土流量计算得出。 

由此可见，在F1得出、孔的横截面积已知情况下，即可得出钻杆底部泥浆压力P。因此，要保证钻杆底部泥浆压力P连续、稳定，就必须保证主卷扬拉力F2基本不变；而要使主卷扬拉力F2基本不变，则要求钻杆5以一定的合理回提速度V向上提钻。 

为此，通过检测主卷扬拉力F2，并计算出钻杆底部泥浆压力P后，就可以钻杆底泥浆压力P与泥浆目标压力Pm的偏差为控制对象进行控制，驱动钻机执行机构以相应回提速度V提升钻杆5。 

同时，将灌浆系统压力Pj与钻杆底部泥浆压力P进行分析，得出钻杆内外泥浆压差，从而进一步分析钻杆是否发生“堵钻”及“空穴”，在发生“堵钻”或“空穴”时，及时进行报警提示。 

以下结合实施例与附图详细说明。 

请参考图5，该图为本发明控制方法的总流程图。包括以下步骤： 

S501、钻机就位。 

包括锚架架设，有关部件安装、调试、检查等等；准备工作完毕，即可开始钻孔作业。 

S502、设定有关控制参数。 

所述控制参数包括预设钻进深度、钻杆底部泥浆目标压力、预设测深时间间隔、测力时间间隔、预设堵钻压力阀值、预设空穴压力阀值等参数。 

S503、钻进流程。 

执行钻进流程，直至达到预定钻进深度为止。 

S504、提钻浇筑流程。 

在钻杆回提的过程中，同时进行混凝土浇筑，形成CFG桩。 

S505、判断是否达到浇筑要求， 

若是，进入S506步骤； 

若否，进入S504步骤。 

S506、停止作业。

在达到浇筑要求情况下，就可以停止此次作业。 

在上述总流程图中，包括钻进流程、提钻浇筑流程两个主要步骤，以下分别说明。 

请参见图6，该图是图5中钻进流程的一较优实施例流程图。具体包括以下步骤： 

S601、发出钻进指令。 

在钻机就位并已预设控制参数的前提下，根据工况需要，就可以发出钻进指令，控制钻机执行机构钻孔。 

S602、钻机执行机构驱动钻杆钻进。 

根据钻进指令，钻进执行机构(液压马达、减速机、主卷扬)驱动钻杆钻孔，直至达到预定钻进深度为止。 

S603、实时获取钻杆的当前钻进深度。 

通过测深装置实时检测当前钻进深度，以便控制最终钻进深度，其中，测深装置的数据采集时间间隔可以控制精度要求设定，在此不再赘述。 

S604、判断钻杆当前钻进深度是否大于或等于预设钻进深度， 

若是，进入S605步骤； 

若否，返回S602步骤。 

在当前钻进深度达到预设钻进深度时，需停止钻进，以准备混凝土浇筑；否则，继续钻进直至钻进深度达到要求。 

S605、发出停钻控制信号，控制钻机执行机构停止工作。 

发出停钻控制信号后，钻机执行机构立即停止工作，以便进行提钻浇筑操作。 

S606、发出提钻浇筑提示信号。 

发出提钻/浇筑提示信号，表示当前钻进深度已达到预设钻进深度，从而提醒操作者可以开始提钻/浇筑。其中，所述提钻/浇筑提示信号可为声、光、电、振动信号之一或其任意组合。 

S607、发出提钻控制信号，控制钻杆回提一预设回提高度。

并且，发出提钻控制信号，将钻杆回提一预设回提高度如10cm，从而方便浇筑。此外，还对主卷扬拉力F2进行记录，以进入提钻浇筑流程。 

请参见图7，该图是图5中提钻浇筑流程的一较优实施例流程图。具体包括以下步骤： 

S701、发出提钻浇筑指令。 

完成钻进流程后，发出提钻浇筑指令，开始提钻浇筑。 

S702、钻机执行机构以一预设速度提升钻杆。 

根据一合适的预设回提速度，控制钻机执行机构提升钻杆，以便进一步进行控制。 

S703、实时获取钻机主卷扬的拉力。 

获取钻机主卷扬拉力之目的，为进一步获得准确的钻杆底部泥浆压力数据。而钻杆底部泥浆压力测量值的准确，有利于控制钻杆的回提速度。 

S704、根据所述主卷扬拉力，获取钻杆底部的泥浆压力。 

获取钻机主卷扬拉力后，即可根据前述测力原理计算钻杆底部的泥浆压力，在此不再赘述。 

S705、判断钻杆“堵钻”或“空穴”流程。 

该流程的目的在于发生钻杆“堵钻”或“空穴”时，及时进行提示，以保证施工质量。当然，该流程也可放入提钻浇筑流程中的其它合适位置，在此不再赘述。 

S706、将所述钻杆底部泥浆压力与钻杆底部泥浆目标压力比较，获取钻杆底部泥浆压力偏差。 

此步骤为获得闭环控制的输入量即钻杆底部泥浆压力偏差E，以便对钻杆回提速度进行控制。 

S707、以所述钻杆底部泥浆压力偏差为控制对象，控制钻机执行机构以相应速度提升钻杆。 

此步骤为一闭环控制过程，通过控制钻杆回提速度，可使钻杆底部泥浆压力稳定在钻杆底部泥浆目标压力附近，从而提高施工质量。关于闭环控制系统 的具体设计，可参考有关文献资料，在此不再赘述。 

需说明的是，本发明在提钻浇筑流程中进一步判断钻杆“堵钻”或“空穴”，简述如下： 

请参见图8，该图为图7所示提钻浇筑流程中判断钻杆“堵钻”或“空穴”的流程图。具体包括以下步骤： 

S801、实时获取灌浆系统的压力。 

获取灌浆系统的压力，为避免灌浆系统压力过大或过小，以保证施工质量。 

S802、根据所述灌浆系统压力、钻杆底部泥浆压力，获取钻杆内外泥浆压差。 

钻杆内外泥浆压差可用以判断是否发生堵钻或空穴现象，从而及时进行提示，以便操作者采取措施。 

S803、判断钻杆内外泥浆压差是否大于等于预设堵钻压力阀值， 

若是，进入S806步骤； 

若否，进入S804步骤。 

S804、判断钻杆内外泥浆压差是否小于或等于预设空穴压力阀值， 

若是，进入S807步骤， 

若否，进入S805步骤。 

当然，S803、S804的步骤也可进行互换，在此不再赘述。 

S805、执行后续操作。 

若未发生堵钻或空穴现象，则可以按正常控制程序进行控制，使得钻杆以相应速度回提。 

S806、发出堵钻提示信号。 

S807、发出空穴提示信号。 

S808、暂停。 

发生堵钻或空穴现象时，不仅发出相应提示信号，还暂停回提浇筑作业，待排除故障后再恢复作业。

需说明的是，上述提钻浇筑流程中判断钻杆“堵钻”或“空穴”的流程并不限于图7所示步骤顺序，也完全可以采用并行方式，在此不再赘述。 

优选地，本发明采用模糊PID调节方式控制钻机执行机构提升钻杆，其中，有关控制参数可按以下方式获取。 

请参考图9，该图是图7所示提钻浇筑流程中获取控制参数的流程图。 

具体如下： 

S901、开始。 

S902、获取钻杆底部泥浆压力当前值P(k)。 

S903、获取钻杆底部泥浆目标压力当前值Pm(k)。 

S904、根据钻杆底部泥浆压力当前值P(k)、钻杆底部泥浆目标压力当前值Pm(k)，计算钻杆底部泥浆压力偏差当前值E(k)，即E(k)＝Pm(k)-P(k) 

S905、根据钻杆底部泥浆压力偏差当前值E(k)、钻杆底部泥浆压力偏差前一历史值E(k-1)，计算钻杆底部泥浆压力偏差变化率当前值Ec(k)，即Ec(k)＝E(k)-E(k-1)。 

S906、将钻杆底部泥浆压力偏差前一历史值E(k-1)用钻杆底部泥浆压力偏差当前值E(k)替换，即E(k-1)＝E(k)。 

S907、将钻杆底部泥浆压力偏差当前值E(k)、钻杆底部泥浆压力偏差变化率当前值Ec(k)、比例参数Kp、微分参数Ki、积分参数Kd模糊化。 

S908、根据钻杆底部泥浆压力偏差当前值E(k)、钻杆底部泥浆压力偏差变化率当前值Ec(k)，查比例参数Kp、微分参数Ki、积分参数Kd的控制表，得到比例参数Kp、微分参数Ki、积分参数Kd。 

S909、修正比例参数Kp、微分参数Ki、积分参数Kd。 

S910、PID函数计算输出值。 

S911、返回。 

上述控制方法，可高效、自动控制钻杆的钻进及回提，减少施工人员数量，提高施工效率，并降低劳动强度，降低施工成本。具体而言：通过检测主卷扬 拉力，计算得到钻杆底部泥浆压力，较好地放映了钻杆底部的受力情况；由于钻杆底部泥浆压力测量结果准确度较高，便于控制钻杆以期望速度回提，有利于钻杆底部混凝土出口处保持合适、稳定的压力，从而有利于提高成桩质量。特别地，根据钻杆底部泥浆压力、灌浆系体压力，获的钻杆内外泥浆压差，可以判断钻杆是否发生“堵钻”及产生“空穴”，从而及时进行提示，以便采取措施，保证施工质量。 

以上对本发明的控制方法进行了详细描述，依据该方法的基本原理，以下对本发明的控制系统进行说明。 

请参考图10，该图为本发明控制系统一优选实施例的结构框图。具体包括测深装置101、测力装置102、控制器103、钻机执行机构104等，其中： 

所述测深装置101，用于实时检测并输出钻杆5的当前钻进深度信号。其中，测深装置101一般通过获得主卷扬2钢丝绳收放长度，间接获得钻杆5的当前钻进深度。优选地，所述测深装置101通过皮带、齿轮、或链条机构连接钻机顶部锚架4的滑轮，该滑轮上绕有主卷扬2的钢丝绳；所述测深装置101包括旋转编码器，通过脉冲端口与控制器103连接。通过检测旋转编码器光栅盘的输出脉冲，获取主卷扬2的钢丝绳收放长度，进而获取钻杆5的当前钻进深度。 

所述测力装置102，用于实时检测并输出主卷扬2的拉力信号；优选地，为高精度拉力传感器，通过模拟量采集端口与控制器103相连；通过检测主卷扬2的拉力，可以计算得到钻杆5底部的泥浆压力。 

所述控制器103，为核心部件，用于接收各种检测信号，根据预定的控制策略，实时进行数据解算，并输出有关控制信号U；控制器103存储有各种与控制有关的参数，如预设钻进深度、钻杆底部泥浆目标压力、预设测深时间间隔、测力时间间隔、预设堵钻压力阀值、预设空穴压力阀值等。由此，控制器103将采集到的信号进行分析运算，输出PWM(脉冲宽度调制)信号，控制钻机执行机构104的比例阀进行合理工作。 

所述钻机执行机构104(包括液压马达8、减速机9、主卷扬2)，通过 PWM端口与控制器103连接，用于根据控制器103输出的控制信号U，调整钻机执行机构104的比例阀开度，驱动钻杆5钻进或回提。 

系统启动后，控制器103按以下策略进行控制：在钻进过程中，不断获取钻杆当前钻进深度信号；在判断到钻杆当前钻进深度大于或等于预设钻进深度时，发出停钻控制信号，控制钻机执行机构104停止工作；并且，在提钻浇筑过程中，不断获取检测钻机主卷扬2的拉力F2；根据主卷扬拉力F2，获取钻杆底部的泥浆压力P；将钻杆底部泥浆压力P与钻杆底部泥浆目标压力Pm比较，获取钻杆底部泥浆压力偏差E；以钻杆底部泥浆压力偏差E为控制对象，控制钻机执行机构104以相应速度提升钻杆5。 

特别地，控制器103在钻进过程中，还判断钻杆当前钻进深度是否大于或等于预设钻进深度，若是，发出提钻浇筑提示信号；以及在钻机执行机构104停止工作后，发出提钻控制信号，控制钻杆5回提一预设回提高度如10cm，以便充分做好浇筑准备。 

由此，通过高效控制钻杆5的钻进及回提，可以减少施工人员数量，提高施工效率，并降低劳动强度，降低施工成本；并且，可使钻杆5底部混凝土出口处保持合适、稳定的压力，有利于提高成桩质量。 

如图10所示的控制系统，还包括混凝土压力传感器7以及显示器105，其中： 

所述混凝土压力传感器7，用于实时检测并输出灌浆系统的压力信号。由此，控制器103在提钻浇筑过程中还可进行钻杆5是否发生“堵钻”或“空穴”的判断，具体是：根据灌浆系统压力Pj、钻杆底部泥浆压力P，获取钻杆内外泥浆压差；判断钻杆内外泥浆压差是否大于或等于预设堵钻压力阀值，若是，发出堵钻提示信号；并且，判断钻杆内外泥浆压差是否小于或等于预设空穴阀值，若是，发出空穴提示信号。通过判断钻杆5是否发生“堵钻”及产生“空穴”，可及时进行提示，以便采取暂停作业等应对措施，保证施工质量。 

所述显示器105，与控制器103连接，优选地与控制器103通过CAN总线连接，用于进行各种操作以及显示各种提示信号。一般地，显示器105上设 有若干功能按键，作业时：按下显示器105上的“自动钻进”按键，系统自动进行钻进；当钻杆钻进深度达到预设钻进深度后，显示器105发出“声光”报警，提示用户准备混凝土浇筑；当用户按下“自动提钻/浇筑”按键后，系统自动进行提钻，同时在混凝土输送泵的配合下进行混凝土浇筑；当混凝土浇筑达到预定要求后，系统自动停止工作；当钻杆“堵钻”，或钻杆内腔产生“空穴”，系统自动进行报警，显示器105显示有关报警信息。 

优选地，本发明中的控制器103为模糊PID控制器，以下简述其工作原理。 

请参考图11，该图为图10中模糊PID控制器的结构框图。包括模糊化接口103-1、推理机103-2、清晰化接口103-3、PID模块103-4、经验库103-5等。工作时，通过检测主卷扬拉力F2，进而计算出钻杆底部泥浆压力P；将钻杆底部泥浆压力P与钻杆底部泥浆目标压力Pm(经验值)进行比较，其信号偏差E及偏差率Ec输入到模糊化接口103-1，推理机103-2根据经验库103-5中的数据进行解算，进而通过清晰化接口103-3得到比例参数Kp、微分参数Ki、积分参数Kd，由PID模块103-4计算输出控制信号U(为PWM信号)，进而完成对钻机执行机构104的比例阀控制；由此，在自动提钻的过程中完成对桩的浇筑，使系统运行在高效节能的最佳状态。 

使用上述钻孔成桩控制系统的钻机，可以提高施工效率，降低劳动强度，提高成桩质量，其不会额外成本，应用前景较好。此外，控制系统各部件也容易根据整机形式布置。如图12所示钻机的外观结构示意图，控制器103、显示器105置于操作室3内；测深装置101、测力装置102分别通过皮带机构10与锚架4的滑轮10连接，具有结构紧凑、布局合理的特点。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种钻孔成桩控制方法，用于CFG工法，其特征在于，包括钻进流程及提钻浇筑流程，其中，

所述钻进流程，包括：

实时获取钻杆的当前钻进深度；

判断所述钻杆当前钻进深度是否大于或等于预设钻进深度，若是，发出停钻控制信号，控制钻机执行机构停止工作；

所述提钻浇筑流程，包括：

实时获取钻机主卷扬的拉力；

根据所述主卷扬拉力，获取钻杆底部的泥浆压力；

将所述钻杆底部泥浆压力与钻杆底部泥浆目标压力比较，获取钻杆底部泥浆压力偏差；

以所述钻杆底部泥浆压力偏差为控制对象，控制钻机执行机构以相应速度提升钻杆；

所述提钻浇筑流程还包括：

实时获取灌浆系统的压力；

根据所述灌浆系统压力、钻杆底部泥浆压力，获取钻杆内外泥浆压差；

判断所述钻杆内外泥浆压差是否大于或等于预设堵钻压力阀值，若是，发出堵钻提示信号；

判断所述钻杆内外泥浆压差是否小于或等于预设空穴阀值，若是，发出空穴提示信号。

2.如权利要求1所述的钻孔成桩控制方法，其特征在于，所述钻进流程还包括：

在判断到所述当前钻进深度大于或等于预设钻进深度时，发出提钻浇筑提示信号。

3.如权利要求1所述的钻孔成桩控制方法，其特征在于，所述钻进流程还包括： 

在钻机执行机构停止工作后，发出提钻控制信号，控制钻杆回提一预设回提高度。

4.如权利要求1-3任一项所述的钻孔成桩控制方法，其特征在于，采用模糊PID调节方式控制钻机执行机构提升钻杆。

5.一种钻孔成桩控制系统，用于CFG工法，其特征在于，包括：

测深装置，用于实时检测并输出钻杆的当前钻进深度信号；

测力装置，用于实时检测并输出主卷扬的拉力信号；

混凝土压力传感器，用于实时检测并输出灌浆系统的压力信号；

控制器，用于接收所述各种检测信号，根据预定的控制策略，实时进行数据解算，并输出有关控制信号；所述控制器还存储有各种与控制有关的参数；

钻机执行机构，用于根据所述控制信号，驱动钻杆钻进或回提；

系统启动后，所述控制器按以下策略进行控制：在钻进过程中，不断获取钻杆当前钻进深度信号；在判断到所述钻杆当前钻进深度大于或等于预设钻进深度时，发出停钻控制信号，控制钻机执行机构停止工作；并且，在提钻浇筑过程中，不断获取检测钻机主卷扬的拉力；根据所述主卷扬拉力，获取钻杆底部的泥浆压力；将所述钻杆底部泥浆压力与钻杆底部泥浆目标压力比较，获取钻杆底部泥浆压力偏差；以所述钻杆底部泥浆压力偏差为控制对象，控制钻机执行机构以相应速度提升钻杆；

所述控制器在提钻浇筑过程中，还根据所述灌浆系统压力、钻杆底部泥浆压力，获取钻杆内外泥浆压差；判断所述钻杆内外泥浆压差是否大于或等于预设堵钻压力阀值，若是，发出堵钻提示信号；并且，判断所述钻杆内外泥浆压差是否小于或等于预设空穴阀值，若是，发出空穴提示信号。

6.如权利要求5所述的钻孔成桩控制系统，其特征在于，所述控制器在钻进过程中，还判断所述钻杆当前钻进深度是否大于或等于预设钻进深度，若是，发出提钻浇筑提示信号。

7.如权利要求5所述的钻孔成桩控制系统，其特征在于，所述控制器在 钻进过程中，还在钻机执行机构停止工作后，发出提钻控制信号，控制钻杆回提一预设回提高度。

8.如权利要求5所述的钻孔成桩控制系统，其特征在于，所述控制器输出PWM信号，用于控制钻机执行机构的比例阀动作。

9.如权利要求5所述的钻孔成桩控制系统，其特征在于，所述控制器为模糊PID控制器。

10.如权利要求5所述的钻孔成桩控制系统，其特征在于，所述测深装置通过检测提升钻杆的主卷扬钢丝绳收放长度，间接获取钻杆的当前钻进深度。

11.如权利要求10所述的钻孔成桩控制系统，其特征在于，所述测深装置通过皮带、齿轮、或链条机构连接钻机顶部吊锚架滑轮，该滑轮上绕有主卷扬钢丝绳；所述测深装置包括旋转编码器，用于通过检测旋转编码器光栅盘的输出脉冲，获取主卷扬钢丝绳收放长度。

12.如权利要求5-11任一项所述的钻孔成桩控制系统，其特征在于，还包括显示器，与所述控制器连接，用于进行各种操作以及显示各种提示信号。

13.如权利要求12所述的钻孔成桩控制系统，其特征在于，所述显示器与所述控制器通过CAN总线连接。

14.使用如权利要求5-11任一项所述钻孔成桩控制系统的钻机，其特征在于，还包括显示器，与所述控制器连接，用于进行各种操作以及显示各种提示信号。

15.如权利要求14所述的钻机，其特征在于，所述显示器与所述控制器通过CAN总线连接。 

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