CN107542404A - 旋喷钻机及其钻进深度检测系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋喷钻机及其钻进深度检测系统、方法，其中，检测方法包括检测动力头(4)中吊卡(2)和夹持器(3)的工作状态；检测动力头(4)在作业过程中的位移；将动力头(4)在吊卡(2)夹紧钻杆(1)且夹持器(3)松开钻杆(1)状态下的位移确定为有效位移，以累计获得动力头(4)的作业深度位置。此种检测方法能够使操作者实时精确地获得动力头的实际作业深度，以掌握当前旋喷施工的进度，而且可以提高对旋喷桩成桩长度监控的准确性和效率，以便在施工过程中出现异常时可及时采取调整措施，保证施工质量，适合于对工程质量要求严格的防渗类工程等。

Description

旋喷钻机及其钻进深度检测系统、方法

技术领域

本发明涉及高压旋喷技术领域，尤其涉及一种旋喷钻机及其钻进深度检测系统、方法。

背景技术

高压旋喷桩已经广泛应用于各种地基工程，如建筑地基、基坑围护、盾构进、出洞口加固、堤坝防渗、既有建筑物地基加固、边坡加固、隧道超前支护等等。

旋喷钻机是高压旋喷桩的关键施工设备，利用高压喷射注浆技术进行堤坝防渗、地基加固、基坑围护，与高压泥浆泵、高压水泵或空压机配合完成高压旋喷注浆施工。高压喷射注浆技术是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液、水或空气成为20～50MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度旋转并逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体，即旋喷桩，可以起到加固地基或止水防渗的作用。

由于旋喷桩属于隐蔽工程，质量验收存在较大难度，故施工过程中的成桩参数监测、记录尤为重要。目前，对工程质量要求较严格的防渗类工程，如水利水电工程涉及的高压旋喷桩施工，例如堤坝、港口、航道堤岸加固防渗等，均要求旋喷钻机配备参数监测系统，保证在施工过程中实时监测各项作业参数。因而，在旋喷施工工程中，旋喷参数监测系统也越来越受到用户的重视。

在旋喷施工过程中，钻进深度是关键参数之一。钻进深度最大值决定了旋喷桩最后成桩长度；目前，国内绝大多数旋喷钻机深度检测均为记录当前添加的钻杆数量，结合每个钻杆长度，人工计算出注浆管喷嘴钻入到地下的深度。

但是方法过于简单，人工测量准确度较差，无法使操作者实时掌握施工进度，且测量过程繁琐，而且此方法要求操作者在操作钻机的过程中手动记录添加钻杆的数量，容易造成差错，造成测量结果出现偏差。

发明内容

本发明的目的是提出一种旋喷钻机及其钻进深度检测系统、方法，能够更加准确地检测旋喷钻机的作业深度。

根据本发明的一方面，提出一种旋喷钻机钻进深度检测方法，包括：

检测动力头中吊卡和夹持器的工作状态；

检测动力头在作业过程中的位移；

将动力头在吊卡夹紧钻杆且夹持器松开钻杆状态下的位移确定为有效位移，以累计获得动力头的作业深度位置。

进一步地，作业过程中包括多个运动循环，检测方法还包括：

在吊卡由夹紧状态转换为松开状态，或者夹持器由松开状态转换为夹紧状态的情况下，判断出动力头到达单个运动循环的行程极限位置。

进一步地，作业过程中包括多个运动循环，在钻进工况下，单个运动循环包括动力头从桅杆上端推进至行程最低处，再提升至桅杆上端；或者

在提升工况下，单个运动循环包括动力头从桅杆下端提升至行程最高处，再下降至桅杆下端。

进一步地，动力头从桅杆上端推进至行程最低处之后，再提升至桅杆上端的步骤具体包括：

在无需加杆时，使动力头空载提升至桅杆上端；

在需要加杆时，使吊卡夹紧新增的钻杆提升至桅杆上端。

进一步地，动力头从桅杆下端提升至行程最高处，再下降至桅杆下端的步骤具体包括：

在无需卸杆时，使动力头空载下降至桅杆下端；

在需要卸杆时，使吊卡夹紧卸杆后剩余的钻杆下降至桅杆下端。

进一步地，作业过程中包括多个运动循环，在每个运动循环中，从吊卡夹紧且夹持器松开的状态开始重新检测当前运动循环中的有效位移。

进一步地，检测方法还包括：

在旋喷钻机初始作业时，使钻杆的头部贴至作业面；

将钻杆的头部贴至作业面的位置初始化为深度零位。

进一步地，在钻进工况下，将当前各个运动循环中动力头的有效位移之和作为动力头的钻进深度位置；或者

在提升工况下，将动力头的钻进总深度减去当前各个运动循环中动力头有效位移之和的绝对值作为动力头的提升深度位置。

进一步地，检测方法还包括：

在钻进工况下，判断动力头的钻进深度位置是否到达目标钻进深度，如果是则使动力头提升，否则动力头继续推进；或者

在提升工况下，判断动力头是否到达深度零位，如果是则停止计算，否则使动力头继续提升。

进一步地，在钻进工况下，判断出动力头到达单个运动循环的行程最低处后，检测方法还包括：

根据目标钻进深度和当前钻杆长度判断是否需要加杆，如果是则使夹持器夹紧原有钻杆，再在原有钻杆和动力头之间装入新的钻杆，使夹持器松开，以进入下一个运动循环；否则使夹持器夹紧钻杆，吊卡松开钻杆，使动力头空载运动至桅杆上端后，再使吊卡夹紧钻杆，夹持器松开钻杆，以进入下一个运动循环。

进一步地，在提升工况下，判断出动力头到达单个运动循环的行程最高处之后，检测方法还包括：

根据目标提升高度和当前钻杆长度判断是否需要卸杆，如果是则使夹持器夹紧钻杆，再卸下部分钻杆之后使夹持器松开，以进入下一个运动循环；否则使夹持器夹紧钻杆，吊卡松开钻杆，使动力头空载运动至桅杆下端后，再使吊卡夹紧钻杆，夹持器松开钻杆，以进入下一个运动循环。

根据本发明的另一方面，提出一种旋喷钻机钻进深度检测系统，包括：检测部件，用于检测动力头中吊卡和夹持器的工作状态，以及动力头在作业过程中的位移；

控制部件，用于将吊卡夹紧且夹持器松开状态下的位移确定为有效位移，以累计获得动力头的作业深度位置。

进一步地，作业过程中包括多个运动循环，控制部件能够在吊卡由夹紧状态转换为松开状态，或者夹持器由松开状态转换为夹紧状态的情况下，判断出动力头到达单个运动循环的行程极限位置。

进一步地，作业过程中包括多个运动循环，在钻进工况下，单个运动循环包括动力头从桅杆上端推进至行程最低处，再提升至桅杆上端；或者

在提升工况下，单个运动循环包括动力头从桅杆下端提升至行程最高处，再下降至桅杆下端。

进一步地，作业过程中包括多个运动循环，在每个运动循环中，控制部件能够从吊卡夹紧且夹持器松开的状态开始重新计算当前运动循环中的有效位移。

进一步地，控制部件中包括初始化模块，用于在旋喷钻机初始作业时，将钻杆的头部贴至作业面的位置初始化为深度零位。

进一步地，在钻进工况下，控制部件能够将当前各个运动循环中动力头的有效位移之和作为动力头的钻进深度位置；或者

在提升工况下，控制部件能够将动力头的钻进总深度减去当前各个运动循环中动力头有效位移之和的绝对值作为动力头的提升深度位置。

进一步地，检测部件包括动力头位移检测部件，用于检测动力头相对于桅杆的运动位移。

进一步地，动力头位移检测部件包括编码器、链轮和链条，链条绕过链轮后带动动力头运动，链轮用于将动力头的直线运动转化为旋转运动，编码器与链轮连接，用于检测链轮的转动圈数，以间接获得动力头的位移；或者

动力头位移检测部件包括超声波位移传感器、拉线位移传感器或磁致伸缩位移传感器。

进一步地，检测部件包括：

吊卡动作检测传感器，用于检测动力头处于夹紧或松开钻杆的状态；和/或

夹持器动作检测传感器，用于检测夹持器处于夹紧或松开钻杆的状态。

进一步地，夹持器包括上夹持器和下夹持器，上夹持器和下夹持器均对应设有夹持器动作检测传感器。

进一步地，吊卡动作检测传感器和夹持器动作检测传感器中的至少一个采用超声波传感器。

根据本发明的再一方面，提出一种旋喷钻机，包括上述实施例的旋喷钻机钻进深度检测系统。

基于上述技术方案，本发明实施例的旋喷钻机钻进深度检测方法，能够检测动力头中吊卡和夹持器的工作状态和动力头的位移，并将动力头在吊卡夹紧且夹持器松开状态下的位移确定为有效位移，以便在旋喷钻机作业过程中累计获得动力头的实际作业深度位置。此种检测方法能够使操作者实时精确地获得动力头的实际作业深度，以掌握当前旋喷施工的进度，而且可以提高对旋喷桩成桩长度监控的准确性和效率，以便在施工过程中出现异常时可及时采取调整措施，保证施工质量，适合于对工程质量要求严格的防渗类工程等。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明旋喷钻机钻进深度检测系统的一个实施例深度初始化原理示意图；

图2为本发明旋喷钻机钻进深度检测系统的一个实施例的模块组成示意图；

图3为本发明旋喷钻机钻进深度检测系统的一个实施例在动力头中的安装示意图；

图4为本发明旋喷钻机钻进深度检测方法的一个实施例的流程示意图；

图5为本发明旋喷钻机钻进深度检测方法的另一个实施例的流程示意图；

图6为本发明旋喷钻机钻进深度检测方法的一个具体实施例的流程示意图；

图7为本发明旋喷钻机钻进深度计算的一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

为了能够获知动力头在钻进和提升作业过程中的进度，并获得旋喷桩最后成桩高度，参考图1至图7所示，本发明第一方面提供了一种旋喷钻机钻进深度检测方法，在一个示意性的实施例中，如图4所示的流程示意图，该检测方法包括：

步骤101、检测动力头4中吊卡2和夹持器3的工作状态；

如图2所示，通过吊卡动作检测传感器21检测动力头4中吊卡2夹紧或松开钻杆1的状态，吊卡2是动力头4夹紧钻杆1的装置，与动力头4安装在一起。通过夹持器动作检测传感器检测夹持器3夹紧或松开钻杆1的状态。步骤101可在作业过程中实时执行。

步骤102、检测动力头4在作业过程中的位移；

如图2所示，通过动力头位移检测传感器41检测动力头4在作业过程相对于桅杆8上下运动的位移。步骤102可在作业过程中实时执行。

步骤103、将动力头4在吊卡2夹紧钻杆1且夹持器3松开钻杆1状态下的位移确定为有效位移，以累计获得动力头4的作业深度位置。

当吊卡动作检测传感器21检测到吊卡2夹紧钻杆1，且夹持器动作检测传感器检测到夹持器3松开钻杆1时，控制部件5将该状态下的位移确定为有效位移；当吊卡动作检测传感器21检测到吊卡2松开钻杆1、夹持器动作检测传感器检测到夹持器3夹紧钻杆1、或者吊卡2及夹持器3都夹紧钻杆1时，控制部件5将这些状态下的位移确定为无效位移，从动力头4的作业深度位置计算程序中剔除。

优选地，夹持器3包括上夹持器31和下夹持器32，上夹持器31对应设有上夹持器动作检测传感器33，下夹持器32对应设有下夹持器动作检测传感器34，只有在上夹持器31和下夹持器32同时松开的状态才确定为有效位移，只要有一个处于夹紧的状态就确定为无效位移。

本发明该实施例的旋喷钻机钻进深度检测方法，减少了人工频繁记录钻杆数量所带来的额外工作量，能够实时精确地计算钻进设备的钻进或提升高度，以掌握当前旋喷施工的进度，而且可以提高对旋喷桩成桩长度监控的准确性和效率，以便在施工过程中出现异常时可及时采取调整措施，保证施工质量，适合于对工程质量要求严格的防渗类工程等，并提高旋喷钻机的智能化程度和竞争力。在注浆过程有暂停的旋喷工况中，实时掌握钻进深度能够帮助操作者精确掌握复喷段的长度，保证施工质量。

此种检测方法尤其适用于需要频繁加杆或卸杆的钻进设备，避免将加杆或卸杆过程中动力头的位移计入有效位移中，以提高作业深度检测的准确性。

由于动力头4相对于桅杆8的运行行程有限，为了实现整个钻进深度，可以将整个作业过程通过多个运动循环来实现，本发明的检测方法还包括：

在吊卡2由夹紧状态转换为松开状态，或者夹持器3由松开状态转换为夹紧状态的情况下，控制部件5判断出动力头4到达单个运动循环的行程极限位置，例如在钻进工况下动力头4到达单个运动循环的行程最低处，在提升工况下动力头4到达单个运动循环的行程最高处。在单个运动循环开始将吊卡2夹紧钻杆1且夹持器3松开钻杆1的状态定义为有效行程起点，将动力头4到达单个运动循环的行程极限位置定义为有效行程终点，将有效行程终点处的位移减去有效行程起点处的位移即为单个运动循环内的有效位移。

下面对单个运动循环的概念进行具体定义。

在钻进工况下，单个运动循环包括动力头4从桅杆8上端推进至行程最低处(此过程中吊卡2夹紧钻杆1，夹持器3松开钻杆1)之后，再提升至桅杆8上端。当动力头推进至行程最低处时，如果无需加杆，动力头4空载提升至桅杆8上端；如果需要加杆，动力头4中的吊卡2夹紧新增的钻杆1提升至桅杆8上端。

进一步地，在判断出动力头4从桅杆8上端推进至行程最低处之后，还可包括如下步骤：

根据目标钻进深度和当前钻杆1长度判断是否需要加杆，假如当前钻杆1长度能够满足目标钻进深度则无需加杆，不满足目标钻进深度则需要加杆。下面对这两种情况分别进行说明。

如果需要加杆，则使夹持器3夹紧原有钻杆1，由于此时吊卡2与钻杆1处于夹紧状态，通过反向旋拧动力头4并使其向上运动以使吊卡2松开钻杆1，再在原有钻杆1和吊卡2之间装入新的钻杆1，夹持器3松开钻杆1，以进入下一个运动循环。在此过程中动力头的推进或提升的位移定义为无效位移，不计入钻进深度。

在一种具体的实现方式中，吊卡2通过连接结构与钻杆1连接，其中，钻杆1穿设在连接结构中并通过螺纹连接。如果需要加杆，则使夹持器3夹紧原有钻杆1，通过反向旋拧动力头4并使其向上运动以使连接结构和钻杆1之间脱离螺纹连接，再在原有钻杆1和连接结构之间装入新的钻杆1，夹持器3松开钻杆1，以进入下一个运动循环。

如果无需加杆，使夹持器3夹紧钻杆1，吊卡2松开钻杆1，使动力头4空载运动至桅杆8上端后，再使吊卡2夹紧钻杆1，夹持器3松开钻杆1，以进入下一个运动循环。

在提升工况下，单个运动循环包括动力头4从桅杆8下端提升至行程最高处(此过程中吊卡2夹紧钻杆1，夹持器3松开钻杆1)之后，再下降至桅杆8下端。当动力头提升至行程最高处时，如果无需卸杆，动力头4空载下降至桅杆8下端；如果需要卸杆，动力头4中的吊卡2夹紧钻杆1完成卸杆后，动力头4携带剩余的钻杆1下降至桅杆8下端使钻杆1与下夹持器32夹住的钻杆1完成连接。

进一步地，在判断出动力头4从桅杆8下端提升至行程最高处之后，还可包括如下步骤：

根据目标钻进深度和当前钻杆1长度判断是否需要卸杆，下面对这两种情况分别进行说明。

如果需要卸杆，使下夹持器32夹紧钻杆1(下钻杆1)，上夹持器31夹紧另一根钻杆1(中钻杆1)，吊卡2夹紧第三根钻杆1(上钻杆1)，再通过反向旋拧动力头4使上钻杆1与中钻杆1分离，卸下中钻杆1，松开上夹持器31，并将动力头4向下推进，使动力头4带着上钻杆1运动至桅杆8下端，正向旋转动力头4使上钻杆1与下钻杆1完成连接，下夹持器32松开下钻杆1，以进入下一个运动循环。

如果无需卸杆，使夹持器3夹紧钻杆1，吊卡2松开钻杆1，使动力头4空载运动至桅杆8下端后，再使吊卡2夹紧钻杆1，夹持器3松开钻杆1，以进入下一个运动循环。

在每个运动循环中，从吊卡2夹紧且夹持器3松开的状态开始重新检测当前运动循环中的有效位移，因为动力头4相对于桅杆8的运行行程有限，因而需要获得当前各个运动循环中的有效位移，再进行累加得到动力头4实际的作业深度。

进一步地，如图5所示的流程示意图，同时结合图1，本发明的检测方法还可包括如下步骤：

步骤100A、在旋喷钻机初始作业时，使钻杆1的头部贴至作业面；作业面可以是水平、凸起或凹陷的地面。

步骤100B、将钻杆1的头部贴至作业面的位置初始化为深度零位。

该实施例增加了钻进深度初始化步骤，在每次钻进作业前，若旋喷钻机处于带有钻具的状态，就可以将钻杆1的头部调整到贴近作业面；若钻机处于无钻具状态，则人工添加钻具后再控制动力头4运动使钻杆1头部贴至地面。当判断钻杆1头部位置符合桩顶标高0高度标准后，手动触发检测系统的深度初始化指令，此时控制部件将当前深度设置为0。此过程过滤掉了钻进前动力头4的一系列无效动作，简化了计算环节；而且能够使后续计算的动力头作业深度位置更加精确，避免引入误差。

在步骤103中，累计获得动力头4的作业深度位置的步骤具体包括：

在钻进工况下，将当前各个运动循环中动力头4的有效位移之和作为动力头4的钻进深度位置；或者

在提升工况下，将动力头4的钻进总深度减去当前各个运动循环中动力头4有效位移之和的绝对值作为动力头4的提升深度位置。

进一步地，在作业过程中，本发明的检测方法还可包括：

在钻进工况下，判断动力头4的钻进深度位置是否到达目标钻进深度，如果是则使动力头4提升，否则动力头4继续推进；或者

在提升工况下，判断动力头4是否到达深度零位，如果是则停止计算，否则使动力头4继续提升。

进一步地，在作业过程中，本发明的检测方法还可包括如下步骤：将动力头4的作业深度位置进行显示。该实施例能够使操作时掌握当前旋喷施工的进度，还能直观地对旋喷桩成桩长度进行监控，以保证旋喷作业质量。

下面参考图6所示的具体实施例来阐述本发明检测方法，将整个作业阶段分为初始化阶段、钻进阶段和提升阶段，下面依次进行说明。

(1)系统初始化阶段：

旋喷钻机开始作业前，若钻机处于有钻具状态，则操作钻头贴至地面；若钻机处于无钻具状态，则人工添加钻具后再操作钻头贴近地面，当判断钻头位置符合桩顶标高0高度标准后，手动触发检测系统的深度初始化指令，此时检测系统内部认为当前深度L＝0，将钻杆1向下运动定义为正方向。

(2)钻进阶段：

动力头4在桅杆8上的有效行程内上下滑动，抱紧钻杆执行钻进动作，累加深度为d_x。此阶段中，将吊卡2夹紧钻杆1且夹持器3松开状态下的动力头4位移确定为有效位移，其它状态均确定为无效位移。

在此过程中，判断动力头4是否到达行程最低处，如果动力头4已经到达行程最低处则进一步判断是否需要加杆，如果需要加杆则按照前面给出的步骤增加钻杆1，增加钻杆1后使动力头4上升至桅杆8上端，并使吊卡2夹紧且夹持器3松开，以进入下一个推进循环，动力头4继续推进；如果无需加杆则使动力头4空载上升至桅杆8上端，并使吊卡2夹紧且夹持器3松开，以进入下一个推进循环，动力头4继续推进。如果动力头4未到达行程最低处，则判断当前钻进深度位置是否到达目标钻进深度，如果已到达则动力头4开始提升，否则动力头4继续推进。

在单个推进循环过程中，以动力头4在吊卡2夹紧且夹持器3松开的状态(即有效位移的判断条件，此时动力头4位于桅杆8上端)为钻进起点(即流程图中t₂和t′₂时刻)，此时动力头4位移为l₁；以动力头4在吊卡2由夹紧转换为松开的时刻或者夹持器3由松开转换为夹紧的时刻(此时动力头4位于桅杆8下端)为钻进终点(即流程图中t₁和t′₁时刻)，此时动力头位移为l₂。因而在单个推进循环内，有效钻进长度为：

d_x＝l₂-l₁

则动力头4的钻进总深度为

L＝L+d_x

由于此阶段中，l₂的数值大于l₁的数值，所以d_x为正值，L为递增的数值。

在公式d_x＝l₂-l₁中，d_x为在单个推进循环中，钻杆1从钻进起点至钻进终点的位移，计算出了单个推进循环中的总有效位移，将各个推进循环中的总有效位移累加，就得出了动力头4的钻进总深度。如果要实时获得动力头4的作业深度位置，在当前推进循环中，l₂就应当表示动力头4的实时位移，再将当前推进循环中得到的d_x与之前的有效位移进行累加。

(3)提升阶段：

动力头4在桅杆8上的有效行程内上下滑动，抱紧动力头执行提升动作，每次提升后，空载推进一次(或者卸载钻杆后带负载推进一次)，以此为一个提升循环。此过程是钻进阶段的反过程，对有效位移、无效位移的判断标准与钻进阶段一致。

在此过程中，判断动力头4是否到达行程最高处，如果动力头4已经到达行程最高处则进一步判断是否需要卸杆，如果需要卸杆则按照前面给出的步骤卸除一段钻杆1，卸杆后使动力头4下降至桅杆8下端，并使吊卡2夹紧且夹持器3松开，以进入下一个提升循环，动力头4继续提升；如果无需卸杆，则使动力头4空载下降至桅杆8下端，并使吊卡2夹紧且夹持器3松开，以进入下一个推进循环，动力头4继续提升。如果动力头4未到达行程最高处，则判断当前提升深度位置是否到达深度零位，如果已达到则停止深度计算，否则动力头4继续提升。

在单个循环过程中，以动力头4在吊卡2夹紧和夹持器3松开的状态(上夹持器31和下夹持器32全部松开，此时动力头4位于桅杆8下端)为提升起点(即流程图中t₄和t′₄时刻)，此时动力头4位移为l₃；以动力头4在吊卡2由夹紧转换为松开或者夹持器3由松开转换为夹紧状态的时刻(此时动力头4位于桅杆8上端)为提升终点(即流程图中t₃和t′₃时刻)，此时动力头4位移为l₄，所以，单个提升循环内，有效提升长度为：

d_x＝l₄-l₃

则动力头4的总提升深度位置为：

L＝L+d_x

l₄数值小于l₃的数值，所以d_x为负值，L为递减的数值。

在深度检测过程中，l₄、l₂为相同状态——单次运动末状态，可仅用l₂表示；l₃、l₁为相同状态——单次运动初状态，可仅用l₁表示。

在公式d_x＝l₄-l₃中，d_x为在单个提升循环中，钻杆1从提升起点至提升终点的位移，计算出了单个提升循环中的总有效位移，将各个提升循环中的总有效位移累加，就得出了动力头4的提升总深度。如果要实时获得动力头4的作业深度位置，在当前提升循环中，l₄就应当表示动力头4的实时位移，再将当前提升循环中得到的d_x与之前的有效位移进行累加。

如图7所示的钻进深度计算流程中，吊卡动作检测传感器21和夹持器动作检测传感器采用接近开关。首先，进入钻进状态准备阶段，在判断出吊卡接近开关闭合且夹持器接近开关打开的状态下，进行钻进深度初始化。接着，在钻进阶段，判断吊卡接近开关和夹持器接近开关的状态，如果检测到夹持器接近开关处于打开状态，且吊卡接近开关处于闭合状态，记录此时位移传感器的检测深度l₁，为单个推进循环的有效位移起点，后续如果检测到夹持器接近开关转换为闭合状态，则记录此时的位移传感器的检测深度l₂，为单个运动循环的有效位移终点，再得出在单个运动循环内的有效位移d_x＝l₂-l₁，然后将各个推进循环内的有效位移进行叠加L＝L+d_x，最后在判断出动力头4的总深度位置满足目标钻进深度时停止计算。

其次，本发明还提供了一种旋喷钻机钻进深度检测系统，在一个示意性的实施例中，如图2所示，包括：

检测部件，用于检测动力头4中吊卡2和夹持器3的工作状态，以及动力头4在作业过程中的位移；

控制部件5，用于将吊卡2夹紧且夹持器3松开状态下的位移确定为有效位移，以累计获得动力头4的作业深度位置。

优选地，在钻进工况下，控制部件5能够将当前各个运动循环中动力头4的有效位移之和作为动力头4的钻进深度位置；或者在提升工况下，控制部件5能够将动力头4的钻进总深度减去当前各个运动循环中动力头4有效位移之和的绝对值作为动力头4的提升深度位置。

该实施例能够动力头4钻进和提升过程中，通过检测吊卡2和夹持器3的工作状态自动去除无效位移，以使控制部件5能够将有效位移进行累加以通过程序获得动力头4的作业深度位置，能够提高深度检测的准确性和效率。

进一步地，本发明的检测系统还可包括显示器6，用于将控制部件5计算得到的动力头4的作业深度位置以数字形式显示给操作者，以使操作者直观地掌握作业进度，并监控旋喷桩的成桩长度。另外，检测系统还可包括操作面板7，用于将用户指令和深度初始化操作输入到控制部件5中。

进一步地，作业过程中包括多个运动循环，控制部件5能够在吊卡2由夹紧状态转换为松开状态，或者夹持器3由松开状态转换为夹紧状态的情况下，判断出动力头4到达单个运动循环的行程极限位置，以确定出单个运动循环中有效位移的终点，并在此时判断是否需要加杆或卸杆。

在钻进工况下，单个运动循环包括动力头4从桅杆8上端推进至行程最低处，再提升至桅杆8上端；或者在提升工况下，单个运动循环包括动力头4从桅杆8下端提升至行程最高处，再下降至桅杆8下端。对于在需要或不需要加杆的情况下如何使动力头4提升至桅杆8上端，以及在需要或不需要卸杆的情况下如何使动力头4下降至桅杆8下端，已经在检测方法的主题中详细阐述，此处不再赘述。

优选地，在每个运动循环中，控制部件5能够从吊卡2夹紧且夹持器3松开的状态开始重新计算当前运动循环中的有效位移。因为动力头4相对于桅杆8的运行行程有限，因而需要获得当前各个运动循环中的有效位移，再进行累加得到动力头4实际的作业深度。

进一步地，控制部件5中包括初始化模块，用于在旋喷钻机初始作业时，将钻杆1的头部贴至作业面的位置初始化为深度零位。初始化过程过滤掉了钻进前动力头4的一系列无效动作，简化了计算环节；而且能够使后续计算的动力头作业深度位置更加精确，避免引入误差。

在上述各实施例中，检测部件还包括动力头位移检测部件41，用于检测动力头4相对于桅杆8的运动位移。

在一种实现方式中，动力头位移检测部件41包括编码器、链轮组和链条，链条的一端与桅杆内的驱动部件(例如伸缩油缸)连接，另一端绕过链轮组后与动力头4的支架连接，驱动部件能够通过链条带动动力头4的支架在桅杆滑道上运动，链轮组中的固定链轮将动力头4的直线运动转化为旋转运动，编码器通过联轴器与固定链轮连接，或者也可以直接连接，用于检测固定链轮的转动圈数，以间接获得动力头4的位移。编码器和联轴器总成安装在桅杆8上的动力头行程上端，编码器与固定链轮以相同角速度旋转，由于链轮旋转一周的长度是已知的定值，编码器旋转一周就代表动力头4推进或后退了一个链轮周长的距离，在一次有效位移过程中，编码器计算链轮旋转圈数即可换算出动力头的位移。

在另一种实现方式中，动力头位移检测部件41包括超声波位移传感器、拉线位移传感器或磁致伸缩位移传感器。

进一步地，检测部件还可包括吊卡动作检测传感器21和夹持器动作检测传感器。其中，吊卡动作检测传感器21用于检测动力头4处于夹紧或松开钻杆1的状态。夹持器动作检测传感器用于检测夹持器3处于夹紧或松开钻杆1的状态。

优选地，如图2和图3，夹持器3包括沿钻杆1的长度方向间隔设置的上夹持器31和下夹持器32，上夹持器31和下夹持器32均对应设有夹持器动作检测传感器。上夹持器31对应设有上夹持器动作检测传感器33，下夹持器32对应设有下夹持器动作检测传感器34，只有在上夹持器31和下夹持器32同时松开的状态才确定为有效位移，只要有一个处于夹紧的状态就确定为无效位移。

优选地，吊卡动作检测传感器21和夹持器动作检测传感器中的至少一个采用超声波传感器。超声波传感器弥补了接近原理和光电原理检测的不足，比电感式或电容式传感器有更大的检测距离，便于选择安装位置，比光电传感器更耐脏，能够适应于旋喷钻机污染较重的工作环境。

通过吊卡动作检测传感器21和夹持器动作检测传感器能够判断出吊卡2和夹持器3的工作状态，据此确定出有效位移和无效位移。下面三种检测情况军备判定为无效位移：吊卡接近传感器21打开(表示吊卡2未夹紧钻杆1)；夹持器接近传感器闭合(至少有一个闭合，表示夹持器3夹紧钻杆1)；吊卡接近传感器闭合(表示吊卡2夹紧上部钻杆1)且夹持器接近传感器闭合(至少有一个闭合，夹持器3夹紧下部钻杆1)。

在单个运动循环中，以吊卡2夹紧钻杆1且夹持器3松开钻杆1的状态确定为动力头4的有效位移起点，以后一时刻吊卡2由夹紧转换为松开或者夹持器3由松开转换为夹紧的状态确定为动力头4的有效位移终点，每各运动循环中的有效位移终点减去有效位移的起点即为本次动力头4的有效位移，从钻进深度初始化时刻开始，多次有效位移累加即为旋喷钻机的实际钻进深度。

最后，本发明还提供了一种旋喷钻机，优选地为高压旋喷钻机。此种旋喷钻机能够在施工过程中实时监控动力头的作业深度位置，能够使操作者准确掌握当前旋喷施工的进度，并实时获得旋喷桩的成桩长度，能够保证施工质量，也可用于对旋喷桩进行质量验收。

以上对本发明所提供的一种旋喷钻机及其钻进深度检测系统、方法进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (23)

1.一种旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，包括：

检测动力头(4)中吊卡(2)和夹持器(3)的工作状态；

检测所述动力头(4)在作业过程中的位移；

将所述动力头(4)在吊卡(2)夹紧钻杆(1)且夹持器(3)松开钻杆(1)状态下的位移确定为有效位移，以累计获得所述动力头(4)的作业深度位置。

2.根据权利要求1所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，作业过程中包括多个运动循环，所述检测方法还包括：

在所述吊卡(2)由夹紧状态转换为松开状态，或者所述夹持器(3)由松开状态转换为夹紧状态的情况下，判断出所述动力头(4)到达单个运动循环的行程极限位置。

3.根据权利要求1所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，作业过程中包括多个运动循环，在钻进工况下，单个所述运动循环包括所述动力头(4)从桅杆(8)上端推进至行程最低处，再提升至桅杆(8)上端；或者

在提升工况下，单个所述运动循环包括所述动力头(4)从桅杆(8)下端提升至行程最高处，再下降至桅杆(8)下端。

4.根据权利要求3所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，所述动力头(4)从桅杆(8)上端推进至行程最低处之后，再提升至桅杆(8)上端的步骤具体包括：

在无需加杆时，使所述动力头(4)空载提升至桅杆(8)上端；

在需要加杆时，使所述吊卡(2)夹紧新增的钻杆(1)提升至桅杆(8)上端。

5.根据权利要求3所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，所述动力头(4)从桅杆(8)下端提升至行程最高处，再下降至桅杆(8)下端的步骤具体包括：

在无需卸杆时，使所述动力头(4)空载下降至桅杆(8)下端；

在需要卸杆时，使所述吊卡(2)夹紧卸杆后剩余的钻杆(1)下降至桅杆(8)下端。

6.根据权利要求1所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，作业过程中包括多个运动循环，在每个所述运动循环中，从所述吊卡(2)夹紧且夹持器(3)松开的状态开始重新检测当前所述运动循环中的有效位移。

7.根据权利要求1所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，还包括：

在所述旋喷钻机初始作业时，使钻杆(1)的头部贴至作业面；

将所述钻杆(1)的头部贴至作业面的位置初始化为深度零位。

8.根据权利要求1所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，在钻进工况下，将当前各个所述运动循环中所述动力头(4)的有效位移之和作为所述动力头(4)的钻进深度位置；或者

在提升工况下，将所述动力头(4)的钻进总深度减去当前各个所述运动循环中所述动力头(4)有效位移之和的绝对值作为动力头(4)的提升深度位置。

9.根据权利要求1所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，还包括：

在钻进工况下，判断所述动力头(4)的钻进深度位置是否到达目标钻进深度，如果是则使所述动力头(4)提升，否则所述动力头(4)继续推进；或者

在提升工况下，判断所述动力头(4)是否到达深度零位，如果是则停止计算，否则使所述动力头(4)继续提升。

10.根据权利要求3所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，在钻进工况下，判断出所述动力头(4)到达单个运动循环的行程最低处后，还包括：

根据目标钻进深度和当前钻杆(1)长度判断是否需要加杆，如果是则使所述夹持器(3)夹紧原有钻杆(1)，再在原有钻杆(1)和所述动力头(4)之间装入新的钻杆(1)，使所述夹持器(3)松开，以进入下一个运动循环；否则使所述夹持器(3)夹紧钻杆(1)，吊卡(2)松开钻杆(1)，使动力头(4)空载运动至桅杆(8)上端后，再使所述吊卡(2)夹紧钻杆(1)，夹持器(3)松开钻杆(1)，以进入下一个运动循环。

11.根据权利要求3所述的旋喷钻机钻进深度检测方法，其特征在于，在提升工况下，判断出所述动力头(4)到达单个运动循环的行程最高处之后，还包括：

根据目标提升高度和当前钻杆(1)长度判断是否需要卸杆，如果是则使所述夹持器(3)夹紧钻杆(1)，再卸下部分钻杆(1)之后使所述夹持器(3)松开，以进入下一个运动循环；否则使所述夹持器(3)夹紧钻杆(1)，吊卡(2)松开钻杆(1)，使动力头(4)空载运动至桅杆(8)下端后，再使所述吊卡(2)夹紧钻杆(1)，夹持器(3)松开钻杆(1)，以进入下一个运动循环。

12.一种旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，包括：

检测部件，用于检测动力头(4)中吊卡(2)和夹持器(3)的工作状态，以及所述动力头(4)在作业过程中的位移；

控制部件(5)，用于将所述吊卡(2)夹紧且夹持器(3)松开状态下的位移确定为有效位移，以累计获得所述动力头(4)的作业深度位置。

13.根据权利要求12所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，作业过程中包括多个运动循环，所述控制部件(5)能够在所述吊卡(2)由夹紧状态转换为松开状态，或者所述夹持器(3)由松开状态转换为夹紧状态的情况下，判断出所述动力头(4)到达单个运动循环的行程极限位置。

14.根据权利要求12所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，作业过程中包括多个运动循环，在钻进工况下，单个所述运动循环包括所述动力头(4)从桅杆(8)上端推进至行程最低处，再提升至桅杆(8)上端；或者

在提升工况下，单个所述运动循环包括所述动力头(4)从桅杆(8)下端提升至行程最高处，再下降至桅杆(8)下端。

15.根据权利要求12所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，作业过程中包括多个运动循环，在每个所述运动循环中，所述控制部件(5)能够从吊卡(2)夹紧且夹持器(3)松开的状态开始重新计算当前所述运动循环中的有效位移。

16.根据权利要求12所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，所述控制部件(5)中包括初始化模块，用于在所述旋喷钻机初始作业时，将钻杆(1)的头部贴至作业面的位置初始化为深度零位。

17.根据权利要求12所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，在钻进工况下，所述控制部件(5)能够将当前各个所述运动循环中所述动力头(4)的有效位移之和作为动力头(4)的钻进深度位置；或者

在提升工况下，所述控制部件(5)能够将所述动力头(4)的钻进总深度减去当前各个所述运动循环中所述动力头(4)有效位移之和的绝对值作为动力头(4)的提升深度位置。

18.根据权利要求12所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，所述检测部件包括动力头位移检测部件(41)，用于检测所述动力头(4)相对于桅杆(8)的运动位移。

19.根据权利要求18所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，所述动力头位移检测部件(41)包括编码器、链轮和链条，所述链条绕过链轮后带动所述动力头(4)运动，链轮用于将所述动力头(4)的直线运动转化为旋转运动，所述编码器与所述链轮连接，用于检测所述链轮的转动圈数，以间接获得所述动力头(4)的位移；或者

所述动力头位移检测部件(41)包括超声波位移传感器、拉线位移传感器或磁致伸缩位移传感器。

20.根据权利要求12所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，所述检测部件包括：

吊卡动作检测传感器(21)，用于检测所述动力头(4)处于夹紧或松开钻杆(1)的状态；和/或

夹持器动作检测传感器，用于检测夹持器(3)处于夹紧或松开钻杆(1)的状态。

21.根据权利要求20所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，所述夹持器(3)包括上夹持器(31)和下夹持器(32)，所述上夹持器(3)和下夹持器(3)均对应设有所述夹持器动作检测传感器。

22.根据权利要求20所述的旋喷钻机钻进深度检测系统，其特征在于，所述吊卡动作检测传感器(21)和夹持器动作检测传感器中的至少一个采用超声波传感器。

23.一种旋喷钻机，其特征在于，包括权利要求12～22任一所述的旋喷钻机钻进深度检测系统。