CN112228038B - 一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，包括：地面系统、通讯系统、钻机钻具组合及桩孔井下测量系统。本发明在桩孔钻孔施工中，钻机钻具组合完成桩孔钻孔作业的同时，通过桩孔井下测量系统在线实时监测多种工程数据和地质数据，并经通讯系统传至地面系统，实现了在钻机钻具组合进行桩孔钻进施工时，同步获取桩孔孔形或质量的实时信息，构成大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测技术及应用；在线检测数据的真实性和时效性为智能化桩孔钻进施工提供了可靠的依据，成为智能化桩孔钻井作业的基础。
Description
技术领域
本发明涉及桩基钻孔工程技术领域，特别涉及一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，适用于但不局限于路桥施工桩基孔钻孔工程，应用领域还包括：风力发电机基座桩孔、高层建筑桩基钻孔、重点建设工程桩基钻孔等，以及所有各种大口径(孔径≥0.6M)、浅层(钻孔深度≤500M)钻孔工程作业。
背景技术
目前，我国基础建设事业高速发展，全国范围内大量兴建各种桥梁、房屋建筑及其它工业设施，这些项目都需要进行基础工程施工，其中混凝土灌注桩(以下简称工程桩)是基础工程施工主要的组成部分。工程钻机广泛应用于工程桩的成孔施工，成孔直径一般在1.0～6.0m、深度一般≤300m。成孔后需在孔内安装钢筋笼和灌注混凝土，一般对孔型和垂直度有较高要求。
各施工区域地质构造复杂，岩性变化大，工程钻机在施工过程中经常会发生缩径、扩孔和垂直度超标等现象，对后续钢筋笼安装和混凝土灌注造成困难，并且对成桩质量也会造成一定影响。
现有技术在桩孔钻井施工过程中，几乎没有有效的检测手段。完成桩孔钻井后，用超声波仪器进行探测。通过连续探测，计算井眼直径，根据井眼直径的变化计算井筒的垂直度。这种“事后”检测方式无法满足日益提高的钻孔技术要求和钻孔效率。
随着基础工程施工技术的进一步发展，为保证工程桩成孔质量，工程钻机急需配备一种技术成熟、方便可靠的成孔质量在线检测系统，在施工过程中对成孔质量进行及时监测，以便及时对孔型和垂直度进行纠正，确保最终成孔质量。
由于桩孔钻井的特殊性，目前没有发现应用于钻井条件下的桩孔实时在线检测系统解决方案。
本发明公开了一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，提供了一种在桩孔钻进条件下，实时检测钻孔参数，并具备纠正井筒偏移的大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统的解决方案。
本发明无意涉及创新一种新的桩孔钻井设备。任何一种被本发明实施案例选用的大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统结构和原理，均作为揭示本发明技术的应用对象。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，包括：
地面系统、通讯系统、钻机钻具组合及桩孔井下测量系统；
所述地面系统用于采集、处理经由所述通讯系统传输的所述桩孔井下测量系统检测到的桩孔钻井参数，并实时显示桩孔钻进状态和质量；
所述桩孔井下测量系统安装在所述钻机钻具组合的末端，以实现在线检测桩孔钻井过程中的孔形参数、工程参数、地质参数等的多项参数探测；
所述通讯系统为双向通讯系统，其采用载波通讯模式并基于桩孔钻井泥浆介质环境，载波通讯模式采用泥浆压力波传输、声学传输及电磁学传输中一种或多种组合应用，从而实现井下实时测量数据无线上传到所述地面系统，并将工程指令下发到所述桩孔井下测量系统。
其中，所述地面系统包括显示面板、数据采集模块、数据处理模块、数据处理软件、测量数据三维成像软件、UPS不间断电源及远程通讯接口等。
其中，所述显示面板用于以图表或曲线或三维热图等形式显示桩基孔实时钻进的各项测量参数；所述数据采集模块用于实时记录井下测量各项参数；所述数据处理模块将所述数据采集模块记录到的实时测量参数量值进行计算、处理、存储；所述数据处理软件用于将所述数据处理模块存储的测量数据制成图表、曲线或三维热图；所述UPS不间断电源用于为系统提供应急断电保护；所述远程通讯接口将施工现场实测数据借助公共网络传到中心控制室或服务器。
其中，所述通讯系统包括井下通讯发射端和地面通讯接收端；所述井下通讯发射端安装在所述钻机钻具组合的末端并与所述桩孔井下测量系统连通，以用于接收所述桩孔井下测量系统的测量数据并转化成信号发射后由所述地面通讯接收端接收信号；所述地面通讯接收端与所述地面系统连通，以用于将接收来自所述井下通讯发射端采集的所述桩孔井下测量系统的测量数据信号并传输至所述地面系统进行分析；所述地面系统将工程指令下发到所述桩孔井下测量系统，以进而通过所述桩孔井下测量系统对所述钻机钻具组合进行校正。
进一步的，所述地面通讯接收端包括地面接受单元、数据解码器及滤波单元，所述数据解码器用于还原井下无线传输的信号源以获得桩基孔钻孔的实时测量数据，所述滤波单元用于剔除数据无线传输中的各种干扰信号以保持井下实时测量信号传输的准确性；
所述井下通讯发射端包括井下发射单元及数据编码器；所述井下发射单元作为桩基孔钻孔井下信号无线传输的触发组件，用于将所有井下测量数据经无线发射技术上传至所述地面系统；所述数据编码器对井下数据按相关技术协议进行编码，编码数据传输到所述地面系统后，由对应的解码程序还原实测数据。
其中，所述桩孔井下测量系统包括封装在仪器舱内的超声波探测器、伽马探测器、井下探测器、供电单元及主控电路板，仪器舱通过固定螺栓安装在钻机钻具组合的末端；通过所述供电单元向超声波探测器、伽马探测器、井下探测器及主控电路板供电；所述主控电路板将探测和采集到的桩孔钻井工程信息、地层地质信息进行编码处理，并通过设置在仪器舱端部的信号天线将探测信息发送至所述通讯系统。
所述井下探测器主要用于进行井斜、振动、转速、地层岩性等探测，其中：井斜探测采用三轴重力加速度计及三轴磁力计实时比对地球标准重力场、磁力场角度，获得被检测桩孔实时钻井施工的井筒垂直度；转速探测采用角度传感器，探测井下钻具实时转速；振动探测采用重力传感器，检测井下钻具实时振动；地层岩性探测采用地层自然伽马探测技术，探测并判断井壁岩性。
通过上述技术方案，应用本发明在桩孔钻孔施工中，钻机钻具组合完成桩孔钻孔作业的同时，通过桩孔井下测量系统在线实时监测多种工程数据和地质数据，并经通讯系统传至地面系统，实现了在钻机钻具组合进行桩孔钻进施工时，同步获取桩孔孔形或质量的实时信息，构成大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测技术及应用；在线检测数据的真实性和时效性为智能化桩孔钻进施工提供了可靠的依据，成为智能化桩孔钻井作业的基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所公开的桩孔井下测量系统主视结构示意图(剖视)；
图2为本发明所公开的桩孔井下测量系统俯视结构示意图(剖视)。
图中：10.仪器舱；11.主控电路板；12.超声波探测器；13.信号天线；14.固定螺栓；15.伽马探测器；16.井下探测器；17.供电单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，包括：地面系统、通讯系统、钻机钻具组合及桩孔井下测量系统；地面系统用于采集、处理经由通讯系统传输的桩孔井下测量系统检测到的桩孔钻井参数，并实时显示桩孔钻进状态和质量；桩孔井下测量系统安装在钻机钻具组合的末端，以实现在线检测桩孔钻井过程中的孔形参数、工程参数、地质参数等的多项参数探测；通讯系统为双向通讯系统，其采用载波通讯模式并基于桩孔钻井泥浆介质环境，载波通讯模式采用泥浆压力波传输、声学传输及电磁学传输中一种或多种组合应用，从而实现井下实时测量数据无线上传到地面系统，并将工程指令下发到桩孔井下测量系统。
其中，地面系统包括显示面板、数据采集模块、数据处理模块、数据处理软件、测量数据三维成像软件、UPS不间断电源及远程通讯接口；显示面板用于以图表或曲线或三维热图等形式显示桩基孔实时钻进的各项测量参数；数据采集模块用于实时记录井下测量各项参数；数据处理模块将数据采集模块记录到的实时测量参数量值进行计算、处理、存储；数据处理软件用于将数据处理模块存储的测量数据制成图表、曲线或三维热图；UPS不间断电源用于为系统提供应急断电保护；远程通讯接口将施工现场实测数据借助公共网络传到中心控制室或服务器。
其中，通讯系统包括井下通讯发射端和地面通讯接收端；井下通讯发射端安装在钻机钻具组合的末端并与桩孔井下测量系统连通，以用于接收桩孔井下测量系统的测量数据并转化成信号发射后由地面通讯接收端接收信号；地面通讯接收端与地面系统连通，以用于将接收来自井下通讯发射端采集的桩孔井下测量系统的测量数据信号并传输至地面系统进行分析；地面系统将工程指令下发到桩孔井下测量系统，以进而通过桩孔井下测量系统对钻机钻具组合进行校正。
其中，地面通讯接收端包括地面接受单元、数据解码器及滤波单元，数据解码器用于还原井下无线传输的信号源以获得桩基孔钻孔的实时测量数据，滤波单元用于剔除数据无线传输中的各种干扰信号以保持井下实时测量信号传输的准确性；井下通讯发射端包括井下发射单元及数据编码器；井下发射单元作为桩基孔钻孔井下信号无线传输的触发组件，用于将所有井下测量数据经无线发射技术上传至地面系统；数据编码器对井下数据按相关技术协议进行编码，编码数据传输到地面系统后，由对应的解码程序还原实测数据。
其中，参考图1及2，桩孔井下测量系统包括封装在仪器舱10内的超声波探测器12、伽马探测器15、井下探测器16、供电单元17及主控电路板11，仪器舱10通过固定螺栓14安装在钻机钻具组合的末端；通过供电单元17向超声波探测器12、伽马探测器15、井下探测器16及主控电路板11供电；通过主控电路板11将探测和采集到的桩孔钻井工程信息、地层地质信息进行编码处理，并通过设置在仪器舱10端部的信号天线13将探测信息发送至通讯系统。
其中，井下探测器16完成井斜、振动、转速、地层岩性的探测等，其中：井斜探测采用三轴重力加速度计及三轴磁力计实时比对地球标准重力场、磁力场角度，获得被检测桩孔实时钻井施工的井筒垂直度；转速探测采用角度传感器，探测井下钻具实时转速；振动探测采用重力传感器，检测井下钻具实时振动；地层岩性探测采用地层自然伽马探测技术，探测并判断井壁岩性。
应用本发明在桩孔钻孔施工中，钻机钻具组合完成桩孔钻孔作业的同时，通过桩孔井下测量系统在线实时监测多种工程数据和地质数据，并经通讯系统传至地面系统，实现了在钻机钻具组合进行桩孔钻进施工时，同步获取桩孔孔形或质量的实时信息，构成大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测技术及应用；在线检测数据的真实性和时效性为智能化桩孔钻进施工提供了可靠的依据，成为智能化桩孔钻井作业的基础。
本发明引用钻机钻具组合作为本发明实施例的组成部分，钻机钻具组合是构成桩孔钻孔的动力执行部件，不属于本发明的创新部分，但本发明实施例中所描述的对钻机钻具组合所实施的功能性改造等，以服务于本发明实施例的技术、结构创新部分，受本发明权利要求之保护。
本发明无意创新钻机钻具组合的体制，但不排除为服务于本发明，对钻机钻具组合所做局部改动，或在钻机钻具组合的有效空间内安装与本发明相关的部件，钻机钻具组合将是本发明实施例的组成部分。
本发明中，通讯系统的意义在于实现桩孔钻进各种参数和孔形质量实时检测数据的传输，是本发明实施例的技术关键。
本发明的桩孔井下测量系统结构应用了抗震、抗冲击以及密封防止泥浆侵入等特殊结构设计。
本发明使用的各种传感器、探测仪器，通过标准环境下的测量校正、刻度，这些参数构成大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统校正参数。
本发明不限于本实施例所引用的桩孔钻机系统，还适用于且不限于“旋挖”桩孔孔形在线检测等桩孔钻井系统。
本发明不限于路桥桩基钻孔工程，其应用还包括：风力发电机桩基钻孔以及大型重点建设工程桩基钻孔的智能化工程钻井等应用领域。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，其特征在于，包括：
地面系统、通讯系统、钻机钻具组合及桩孔井下测量系统；
所述地面系统用于采集、处理经由所述通讯系统传输的所述桩孔井下测量系统检测到的桩孔钻井参数，并实时显示桩孔钻进状态和质量；
所述桩孔井下测量系统安装在所述钻机钻具组合的末端，以实现在线检测桩孔钻井过程中的孔形参数、工程参数、地质参数；
所述通讯系统为双向通讯系统，其采用载波通讯模式并基于桩孔钻井泥浆介质环境，载波通讯模式采用泥浆压力波传输、声学传输及电磁学传输中一种或多种组合应用，从而实现井下实时测量数据无线上传到所述地面系统，并将工程指令下发到所述桩孔井下测量系统。
2.根据权利要求1所述的一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，其特征在于，所述地面系统包括显示面板、数据采集模块、数据处理模块、数据处理软件、测量数据三维成像软件、UPS不间断电源及远程通讯接口；
所述显示面板用于显示桩基孔实时钻进的各项测量参数；
所述数据采集模块用于实时记录井下测量各项参数；
所述数据处理模块将所述数据采集模块记录到的实时测量参数量值进行计算、处理、存储；
所述数据处理软件用于将所述数据处理模块存储的测量数据制成图表、曲线或三维热图；
所述UPS不间断电源用于为系统提供应急断电保护；
所述远程通讯接口将施工现场实测数据借助公共网络传到中心控制室或服务器。
3.根据权利要求1所述的一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，其特征在于，所述通讯系统包括井下通讯发射端和地面通讯接收端；所述井下通讯发射端安装在所述钻机钻具组合的末端并与所述桩孔井下测量系统连通，以用于接收所述桩孔井下测量系统的测量数据并转化成信号发射后由所述地面通讯接收端接收信号；所述地面通讯接收端与所述地面系统连通，以用于将接收来自所述井下通讯发射端采集的所述桩孔井下测量系统的测量数据信号并传输至所述地面系统进行分析；所述地面系统将工程指令下发到所述桩孔井下测量系统，以进而通过所述桩孔井下测量系统对所述钻机钻具组合进行校正。
4.根据权利要求3所述的一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，其特征在于，所述地面通讯接收端包括地面接受单元、数据解码器及滤波单元，所述数据解码器用于还原井下无线传输的信号源以获得桩基孔钻孔的实时测量数据，所述滤波单元用于剔除数据无线传输中的各种干扰信号以保持井下实时测量信号传输的准确性；
所述井下通讯发射端包括井下发射单元及数据编码器；所述井下发射单元作为桩基孔钻孔井下信号无线传输的触发组件，用于将所有井下测量数据经无线发射技术上传至所述地面系统；所述数据编码器对井下数据按相关技术协议进行编码，编码数据传输到所述地面系统后，由对应的解码程序还原实测数据。
5.根据权利要求1所述的一种大直径钻孔桩智能钻孔及在线检测系统，其特征在于，所述桩孔井下测量系统包括封装在仪器舱(10)内的超声波探测器(12)、伽马探测器(15)、井下探测器(16)、供电单元(17)及主控电路板(11)，仪器舱(10)通过固定螺栓(14)安装在钻机钻具组合的末端；通过所述供电单元(17)向超声波探测器(12)、伽马探测器(15)、井下探测器(16)及主控电路板(11)供电；所述主控电路板(11)将探测和采集到的桩孔钻井工程信息、地层地质信息进行编码处理，并通过设置在仪器舱(10)端部的信号天线(13)将探测信息发送至所述通讯系统。
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| CN112228038A (zh) | 2021-01-15 |
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