CN108593051B - 基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统及控制方法，该系统包括测量装置和泥浆循环装置；泥浆循环装置包括储浆罐和泵；测量装置包括用于与钻孔的护筒连接的连接翼板，连接翼板的内外两侧分别设有一个套筒，每个套筒上部设有激光测距仪，每个套筒内滑动配合有一块激光反射板，每个激光反射板经一根硬质浮杆连接有一个浮球，每根浮杆滑动配合在套筒底板的中心孔内；泥浆循环装置还包括第一三通电磁阀和第二三通电磁阀；该方法的关键在于主控制器根据孔内外的水位面的高度差切换补浆和抽浆状态。该系统及方法安装方便、测量过程方便、节省人力、测量结果精确。

Description

基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统及控制方法
技术领域
本发明涉及桩基施工中的钻孔灌注桩领域，具体讲是一种基于钻孔内泥浆液面与孔外水位面的高度差测量仪的泥浆平衡系统及控制方法。
背景技术
大直径的钻孔灌注桩在大型桥梁、铁路、液化天然气及超高层建筑等基础工程中应用广泛。而在成孔施工的过程中，是依靠泥浆来保持钻孔内外的压力平衡的。泥浆循环时，利用泥浆与地下水或孔外的海面、河面之间的压力差，使泥浆在孔壁形成泥皮，实现孔壁加固防止坍塌，同时稳定钻孔内水位。而孔内外的压力差则通过孔内泥浆液面与孔外水位面的高度差来实现的，所以泥浆循环时，一般是要求孔内泥浆液面稳定在比孔外水位面高出1.5m～2m左右，以实现钻孔内外的压力平衡。因此，在反循环钻孔的过程中，需要定期观测孔内泥浆液面和孔外水位面的高度，以实时监测孔内外液面的高度差。如果两者高度差过小，则压差不足，故向钻孔内补充入泥浆，而一旦两者高度差过大，则说明孔内泥浆过多，为避免浪费，从孔内将泥浆抽走。
而现有技术的泥浆平衡系统由测量装置和泥浆循环装置构成。以下分两部分分别阐述测量装置和泥浆循环装置的缺陷。
传统的测量装置就是用钢丝或尼龙绳作为测量绳系住漂浮物，其测量方法是下放至孔内泥浆液面和孔外水面，读出测量绳上的刻度，相减从而获得高度差。但上述原始的测量方式会由于测量绳的弯折、不顺直而极易产生误差；而且，下放测量的过程步骤繁琐，费时费力，而成孔过程中测量频率高，需要多次反复测量，这就加大了工人的劳动强度，人力耗费大；此外，测量绳容易损坏，其刻度也容易磨损，难以长期循环使用。
当然，针对传统测量装置的弊端，行业内也提出过改进的方案，如CN205120208的申请，就提出设置两个超声波探头，并在已知固定距离设置一反射物，用一号探头通过已知距离及声波往返时间来获取现场实际声速，再用二号探头利用实际声速乘以声波往返时间来获得液面的实际距离。但上述方式仍然存在不足：主要是该方式对工作现场环境要求高，而钻孔灌注桩工作环境恶劣，反循环过程中回流泥浆冲击泥浆液面，导致空中产生大量泥浆颗粒和杂质，对超声波传播造成干扰，降低了测量精确性。还有CN207019744U的申请，提出在搅拌缸外壁设置传力装置和检测装置，通过传力装置将压力信号传递，并由检测装置将其转换成液面高度信息，该方案的不足之处在于：泥浆护筒内很难找到安装传力装置和检测装置的空间，而且护筒内外均是泥浆，不断与传力装置及检测装置发生摩擦，极易使其损坏，况且将压力信息转换为液面信息需要整套相应程序及信息处理设备，使得整个装置复杂，不便拼装。
而现有技术的泥浆循环装置一般包括一个储浆罐，一根入浆管和一根回浆管，入浆管和回浆管分别设有泵，以实现补浆或抽浆功能。该循环系统的缺陷在于：自动化程度偏低，每次调节都需要工人根据测量结果去人工手动操控两个泵，以实现补浆或抽浆，而为确保压力平衡，调节的频率大次数多，人力耗费大；而且，该系统需要两个泵来才能实现调节，增加了造价和成本。
最后，在论述本申请技术方案之前，先铺陈护筒的概念，即在钻孔灌注桩施工过程中，钻头在穿越软土地层时，由于孔壁稳定性差，再加上钻头的扰动，即便用泥浆护壁，也难以维持孔壁的稳定性，所以在钻头穿越软土地层前，先通过外力如振动锤将钢制的护筒穿越软土地层，然后钻头在钢护筒内钻进，以达到顺利穿越软土地层的目的。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是，提供一种安装方便、测量过程方便、节省人力、测量结果精确、不易损毁、可循环利用、自动化程度高、且仅依靠一个泵实现补浆和抽浆两种功能的基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统。
本发明的一种技术解决方案是，提供一种基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统，它包括测量装置和泥浆循环装置；泥浆循环装置包括储浆罐和泵；
测量装置包括用于与钻孔的护筒连接的连接翼板，连接翼板的内外两侧分别设有一个套筒，每个套筒上部设有激光测距仪，每个套筒内滑动配合有一块激光反射板，每个激光反射板经一根硬质浮杆连接有一个浮球，每根浮杆滑动配合在套筒底板的中心孔内；
泥浆循环装置还包括第一三通电磁阀和第二三通电磁阀，第一三通电磁阀的第一口与储浆罐连通，第二口与泵入口连通，第三口与钻孔连通；第二三通电磁阀的第一口与泵出口连通，第二口与钻孔连通，第三口与储浆罐连通。
该测量装置的原理为：浮球随着孔内外水位面升降，进而经浮杆带动激光反射板升降，而激光测距仪发射的激光经反射板反射后重新被捕捉，两个测距仪将反射时间与光速相乘就可以获得孔内测距仪与反射板的距离d1和孔外测距仪与反射板的距离d2，将两个距离相减就能获得了孔内外的水位面的高度差。
上述泥浆循环系统的工作原理为：当第一三通电磁阀的第一阀口和第二阀口连通，且将第二三通电磁阀的第一阀口和第二阀口连通后，泥浆就会从储浆罐经过第一三通电磁阀的第一阀口和第二阀口，再经过泵，然后经第二三通电磁阀的第一阀口和第二阀口，最后到达钻孔，即向钻孔内补浆；
而当第一三通电磁阀的第三阀口和第二阀口连通，且将第二三通电磁阀的第一阀口和第三阀口连通时，泥浆就会从钻孔经过第一三通电磁阀的第三阀口和第二阀口，再经过泵，然后经第二三通电磁阀的第一阀口和第三阀口，最后回到储浆罐，即从钻孔内抽浆。
本发明基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统与现有技术相比，具有以下优点。
首先，本发明的测量装置采用硬质的浮杆，这就解决了传统测量时测量绳发生弯折及不顺直导致测量结果不准的缺陷，很大程度的提高了测量的精确性；而且，激光的发射及反射都发生在套筒内，套筒是封闭式的，泥浆很难从浮杆与底板中心孔的间隙进入套筒内，这就有效避免了空中泥浆颗粒及杂质的干扰，进一步提高了测量的精确性；再次，本测量装置的安装方便，只需将连接翼板固定在护筒侧壁顶部，就完成了孔内孔外两套装置的安装；况且，本装置测量操作过程简单，由于该仪器始终固定在钻孔顶部，人们只需要操作位于钻孔口也就是地面正常高度的激光测距仪即可，这就极大减少了操作人员的工作量，节省人力，便于高频率、多次数的监测孔内外压力差；并且，本测量装置使用时不易损耗，可循环使用率高，经济环保。还由于本申请是两套测量仪同时发射激光，确保同步获得两个相对高度，进而迅速、实时获取孔内外的压力差。
而本发明的泥浆循环装置的优点在于：仅仅依靠一个泵就实现了补浆和抽浆两个步骤的切换，且切换过程自动化程度高，只需要操作两个三通电磁阀即可，节省人力。
作为改进，每个套筒的底板上设有用于使浮杆保持竖直的导向套；这样，对于漂浮器来说，实际上构成了双重导向，即上层套筒对激光反射板的导向和下层导向套对浮杆的导向，确保浮杆升降过程中始终保持竖直，这就提高了测量结果的精确性。
作为再改进，浮球上设有连接套，浮杆下端插接固定在连接套内；连接翼板下部设有用于与护筒侧壁卡接的卡槽；连接翼板上部设有吊环；这样，浮球及浮杆的可拆式连接使得更换过程快捷方便，万一发生意外损毁，只需针对性更换损坏部件，使保养更方便；而且，连接翼板只需要卡接到护筒侧壁即可，安装过程方便，且安装时，还可以利用吊机钩挂住吊环，进一步便捷安装过程。
作为进一步优选，套筒顶板贯通有定位孔，激光测距仪壳体下凸有定位柱，定位柱插接在定位孔中，激光测距仪的激光灯安装在定位柱下端；这样，首先可以快速方便的将激光测距仪安装在套筒顶部，其次，定位孔及定位柱的配合，能确保激光竖直下射，进而使得激光发射方向、反射板、浮杆、浮球的中心均位于同一条直线上，更进一步确保测量结果的精准。
作为还进一步改进，套筒顶部铰接有用于遮盖定位孔的盖板；这样，当激光测距仪不使用时，可以封闭住定位孔，避免杂质落入到套管内，影响后续测量结果的精确性。
作为优选，该平衡系统还包括主控制器，主控制器分别与孔内套筒的激光测距仪、孔外套筒的激光测距仪、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀和泵信号连接；这样，孔内外两个激光测距仪可以每隔一段时间就分别检测到与孔内激光反射板的距离d1和与孔外激光反射板的距离d2，并将两个距离自动输送给主控制器，并由主控制器将两个距离相减以获得了孔内外的水位面的高度差；然后由主控制器根据当前的高度差进行判断，进而控制两个三通阀的通断，从而实现补浆或抽浆两个状态的合理切换，始终保持钻孔内外的压力平衡，而且上述过程完全无需人工操作，自动化程度高。
本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种判断结果精准、自动化程度高的基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统。
本发明的一种技术解决方案是，提供一种根据本发明的基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统的控制方法，其步骤包括：
a、随着孔内泥浆液面及孔外水位面的变化，升降内外两个浮球，进而带动内外两激光反射板升降，孔内外两个激光测距仪每隔一段时间就分别检测到与孔内激光反射板的距离d1和与孔外激光反射板的距离d2，并将两个距离输送给主控制器，并由主控制器将两个距离相减以获得了孔内外的水位面的高度差；
b、主控制器进行判断，
当高度差小于Hmin值，则启动泵，并将第一三通电磁阀的第一阀口和第二阀口连通，且将第二三通电磁阀的第一阀口和第二阀口连通，以向钻孔内补浆；
当高度差大于Hmax值，则启动泵，并将第一三通电磁阀的第三阀口和第二阀口连通，且将第二三通电磁阀的第一阀口和第三阀口连通，以从钻孔内抽浆。
该控制方法的优点在于：该控制方法能精确获得孔内外的高度差，并以此为依据，全自动的促发两个三通电磁阀工作，以切换补浆或抽浆模式，稳定持久的保证钻孔内外的压力平衡。且该方式完全无需人工，节省人力，且能高频率、多次数的测量，并根据结果及时调整，精确性高、稳定性强。
附图说明
图1是本发明基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统的测量装置的正视结构示意图。
图2是本发明基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统的测量装置去掉浮球、浮杆和激光测距仪后的结构示意图。
图3是本发明基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统的测量装置的激光测距仪的结构示意图。
图4是本发明基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统的泥浆循环装置的结构示意图。
图中所示1、护筒，2、连接翼板，2.1、卡槽，2.2、吊环，3、套筒，3.1、定位孔，3.2、盖板，4、激光测距仪，4.1、定位柱，4.2、激光灯，4.3、操作按键，4.4、显示屏，5、激光反射板，6、浮杆，7、浮球，7.1、连接套，8、导向套，9、储浆罐，10、泵，11、第一三通电磁阀，12、第二三通电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统，它包括测量装置和泥浆循环装置。
测量装置包括用于与钻孔的护筒1连接的连接翼板2，连接翼板2下部设有用于与护筒1侧壁卡接的卡槽2.1；连接翼板2上部设有吊环2.2。
连接翼板2的内侧焊接有用于测量钻孔内泥浆液面高度的套筒3，连接翼板2的外侧焊接有用于测量钻孔外水位面高度的套筒3。
每个套筒3上部设有一个激光测距仪4，具体的说，每个套筒3顶板贯通有一个定位孔3.1，每个激光测距仪4的壳体下凸有一根定位柱4.1，该定位柱4.1插接在对应套筒3的定位孔3.1中，激光测距仪4的激光灯4.2安装在定位柱4.1下端。激光测距仪4的壳体上还设有操作按键4.3和用于显示测量结果的显示屏4.4。
套筒3顶部经铰链铰接有用于遮盖定位孔3.1的盖板3.2。当激光测距仪4拆掉后，盖板3.2遮住套筒3顶板的定位孔3.1，防止杂质掉落。
每个套筒3内滑动配合有一块激光反射板5，该激光反射板5的外径与套筒3的内径基本一致，两者的间隔不超过1mm。每个激光反射板5经一根硬质浮杆6连接有一个浮球7，具体的说，浮球7上设有连接套7.1，浮杆6下端插接固定在连接套7.1内。激光反射板5和浮杆6为木质，轻且硬，既保证随着液面顺利上浮又能避免折弯、不顺直的状况。
每根浮杆6滑动配合在套筒3底板的中心孔内。具体的说，每个套筒3的底板上设有用于使浮杆6保持竖直的导向套8。导向套8的孔径与套筒3底板的中心孔的孔径相等。导向套8的孔径与浮杆6的外径基本一致，两者间隔不超过1mm。
泥浆循环装置包括储浆罐9、泵10、第一三通电磁阀11和第二三通电磁阀12。第一三通电磁阀11的第一口经管路与储浆罐9连通，第二口经管路与泵10入口连通，第三口经管路与钻孔连通。第二三通电磁阀12的第一口经管路与泵10出口连通，第二口经管路与钻孔连通，第三口经管路与储浆罐9连通。
该泥浆平衡系统还包括主控制器，主控制器分别与孔内套筒3的激光测距仪4、孔外套筒3的激光测距仪4、第一三通电磁阀11、第二三通电磁阀12和泵10信号连接。
如图1、图2、图3、图4所示，根据本发明的基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统的控制方法，其步骤包括。
a、随着孔内泥浆液面及孔外水位面的变化，升降内外两个浮球7，进而带动内外两激光反射板5升降，孔内外两个激光测距仪4每隔一段时间就分别检测到与孔内激光反射板5的距离d1和与孔外激光反射板5的距离d2，并将两个距离输送给主控制器，并由主控制器将两个距离相减以获得了孔内外的水位面的高度差。
b、主控制器进行判断。
当高度差小于Hmin值，则启动泵10，并将第一三通电磁阀11的第一阀口和第二阀口连通，且将第二三通电磁阀12的第一阀口和第二阀口连通，以向钻孔内补浆。
Hmin值优选1.5m，也就是说，当孔内外高度差小于1.5m，则自动补浆，并回到步骤a，重新实时监控孔内外的高度差。
当高度差大于Hmax值，则启动泵10，并将第一三通电磁阀11的第三阀口和第二阀口连通，且将第二三通电磁阀12的第一阀口和第三阀口连通，以从钻孔内抽浆。
Hmax值优选2米，也就是说，当高度差超过2米，就自动抽浆，并回到步骤a，重新实时监控孔内外的高度差。
如果高度差位于1.5m～2m之间，则不补浆也不抽浆，而是直接回到步骤a，重新进行实时的监控。

Claims (1)

1.一种基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统的控制方法，其特征在于：
准备步骤：搭设基于钻孔内外高度差测量仪的泥浆平衡系统；
它包括测量装置和泥浆循环装置；泥浆循环装置包括储浆罐(9)和泵(10)；
测量装置包括用于与钻孔的护筒(1)连接的连接翼板(2)，连接翼板(2)的内外两侧分别设有一个套筒(3)，每个套筒(3)上部设有激光测距仪(4)，每个套筒(3)内滑动配合有一块激光反射板(5)，每个激光反射板(5)经一根硬质浮杆(6)连接有一个浮球(7)，每根浮杆(6)滑动配合在套筒(3)底板的中心孔内；
泥浆循环装置还包括第一三通电磁阀(11)和第二三通电磁阀(12)，第一三通电磁阀(11)的第一口与储浆罐(9)连通，第二口与泵(10)入口连通，第三口与钻孔连通；第二三通电磁阀(12)的第一口与泵(10)出口连通，第二口与钻孔连通，第三口与储浆罐(9)连通；
每个套筒(3)的底板上设有用于使浮杆(6)保持竖直的导向套(8)；
浮球(7)上设有连接套(7.1)，浮杆(6)下端插接固定在连接套(7.1)内；
连接翼板(2)下部设有用于与护筒(1)侧壁卡接的卡槽(2.1)；连接翼板(2)上部设有吊环(2.2)；
套筒(3)顶板贯通有定位孔(3.1)，激光测距仪(4)壳体下凸有定位柱(4.1)，定位柱(4.1)插接在定位孔(3.1)中，激光测距仪(4)的激光灯(4.2)安装在定位柱(4.1)下端；
套筒(3)顶部铰接有用于遮盖定位孔(3.1)的盖板(3.2)；
该平衡系统还包括主控制器，主控制器分别与孔内套筒(3)的激光测距仪(4)、孔外套筒(3)的激光测距仪(4)、第一三通电磁阀(11)、第二三通电磁阀(12)和泵(10)信号连接；
操作步骤为：
a、随着孔内泥浆液面及孔外水位面的变化，升降内外两个浮球(7)，进而带动内外两激光反射板(5)升降，孔内外两个激光测距仪(4)每隔一段时间就分别检测到与孔内激光反射板(5)的距离d1和与孔外激光反射板(5)的距离d2，并将两个距离输送给主控制器，并由主控制器将两个距离相减以获得了孔内外的水位面的高度差；
b、主控制器进行判断，
当高度差小于Hmin值，则启动泵(10)，并将第一三通电磁阀(11)的第一阀口和第二阀口连通，且将第二三通电磁阀(12)的第一阀口和第二阀口连通，以向钻孔内补浆；
当高度差大于Hmax值，则启动泵(10)，并将第一三通电磁阀(11)的第三阀口和第二阀口连通，且将第二三通电磁阀(12)的第一阀口和第三阀口连通，以从钻孔内抽浆。
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