CN113062690A - 一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法，属于高压旋喷桩止水帷幕智慧施工领域。改造传统三重管法的高压旋喷钻机，采用旋转触探钻头钻进成孔，在钻杆上的钻头后面布置随钻测井仪，在钻机的机械运输与定位、成孔与喷浆、浆液制备与泵送、供气供水等装置上布置基于物联网技术的监测传感器与无线网络传输，将所有传感信息上传至服务器中分析决策，再依据分析决策控制钻机有效运行，从而在高压旋喷桩施工过程中实现岩土地层识别、水泥浆制备控制、喷浆搅拌控制、成桩质量检测、施工信息报备，实现高压旋喷桩施工过程的随地层性质变化的施工参数自适应智能调整与施工质量的动态控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种智慧岩土工程施工技术领域，具体涉及一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法。
背景技术
高压旋喷注浆是将高压水力喷射切割技术和化学注浆技术相结合用于建筑地基加固的一种工艺。其原理是利用制浆、泵送、钻机等设备，把安装在注浆管最底端的带有喷嘴的喷射器置于土层预定的深度，以高压水流和压缩空气流切碎地下软弱土体后再注入水泥浆，使之与切碎的土体混合形成加固桩体。
上述施工工艺首先由日本专家用于地基加固和防水帷幕施工，从而形成一种新的地基加固技术。该技术最初于1968年由日本化学注浆协会开发而成，其逐步由单重管工法(Chemical Churning Pile)通过二重管工法(Jambo Special Pile)发展为三重管旋喷注浆工法(Column Jet Pile)。三种施工方法对土体的破碎能量依次不断增大，形成的加固桩体直径也相应不断增大，由0.6～1.0m之间增大至1.5m左右，最大加固深度也达到了30m。三重管旋喷注浆工法是通过在高压水流外部环绕压缩空气形成复合式高压喷射流对土体切割破碎，再注入水泥浆与切碎的土体混合形成加固桩体。
旋喷注浆加固施工方法于上世纪70年代末期被引入到国内，对现有文献资料检索表明:由刘建航、候学渊主编的《基坑工程手册》在第661～702页中介绍了该方法，其内容包括旋喷加固的基本原理与概念、国内外些实验室与现场的试验成果以及旋喷桩的设计，在工艺方面主要涉及到单重管、双重管和三重管三种施工方法。三重管旋喷注浆工法的三种喷注介质分别为高压水、压缩空气及水泥浆，在气膜的保护下高压水喷射流对土体进行破坏切割，低压水泥浆与土体搅拌充填形成加固桩体。牛虹撰写的论文《高压旋喷法的施工特性及设备》收录于期刊《工业建筑》2002年32卷第10期,在第52-59页中对该工艺的设备体系进行了介绍，主要包括应用于单重管法、双重管法以及三重管法中的送水器、旋喷管和喷射器等装置的结构形式。
高压旋喷桩经上世纪70年代发展至今，除了在工作效能、机械操作的便利性和电子化程度上有所提升外，其施工过程中钻机只能采用固定施工参数，无法根据钻孔地层性质变化智能调整施工参数，无法动态控制施工质量。随着网络技术的提升、物联网技术的发展、机器智能控制技术的成熟，将智能化设备和施工方法融合，将其应用于对施工设备改造、施工工艺优化，基于物联网和智能化手段实现现场施工智慧感知、实时全自动控制、施工质量自动检测，实现高压旋喷桩的自适应调整施工参数与动态控制施工质量，形成其独特的施工方法。
发明内容
技术问题：本发明主要解决的技术问题是在高压旋喷桩施工全过程中，从钻孔定位、钻机钻进、水泥浆制备、喷浆控制、施工过程控制、施工质量现场检测等工序中的智能化、自动化程度较低，钻机只能采用固定施工参数，无法根据钻孔地层性质变化智能调整施工参数，无法动态控制施工质量，为此本发明提供一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法。
技术方案：本发明的一种基于物联网的高压旋喷钻机主要包括钻机行走与定位装置、旋转触探钻头、气液浆喷头、随钻测井仪、浆液制备装置、泵送运输装置、供气供水装置、监测传感装置；物联网控制装置；钻机行走与定位装置搭载钻机，用于行走与就位；旋转触探钻头装在钻杆端部用于钻探成孔，利用监测传感装置获取随钻地层分层识别；气液浆喷头装在旋转触探钻头后部的钻杆上，气液浆喷头内部安装监测传感装置，监测喷气、喷液、喷浆的压力；随钻测井仪安装在气液浆喷头后部的钻杆上，用于在钻进成孔与水泥喷浆后的钻孔内声波测井，测井的波速信息无线传输到地面的物联网控制装置；浆液制备装置为高压旋喷钻机的附属设备，通过泵送运输装置与钻机上的输送管相连接，通过物联网控制装置实现喷浆材料的混合、搅拌；泵送运输装置用于高压旋喷所需的气、液、浆的加压运输，内部布置监测传感装置采集气、液、浆的喷射压力；供气供水装置提供高压旋喷所需的气、水供给。
所述旋转触探钻头中，钻杆接头内嵌于空心钻杆，空心钻杆外套限位凸台，在限位凸台下方安装半封闭水环，在半封闭水环内的空心钻杆上设置出水孔，在空心钻杆安装硬质合金刀头，钻杆转动硬质合金刀头的旋转切削土体。
所述监测传感装置中，北斗GPS传感器安装在空心钻杆的顶部；钻头压力传感器安装于旋转触探钻头尾部与空心钻杆连接处；扭矩传感器安装于钻头压力传感器位置的空心钻杆内部；压力传感器分别安装在半封闭水环内部以及气、液、浆的泵送传输装置内部；转速传感器安装在空心钻杆中部位置的内部；深度传感器安装在气液浆喷头的位置处；倾角传感器安装在空心钻杆的尾部；流量传感器分别安装在气、液、浆的泵送传输装置内部；上述传感器所采集的信息通过无线传输给地面的物联网控制装置。
物联网控制装置包括数据接口模块、数据服务器、中央处理模块、控制规则输入设备、自动控制规则验证模块、自动控制执行模块、实时存储刷新模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块；其中，数据接口模块将不同数据格式接入到数据服务器中，数据服务器将数据存储、备份与发布，中央处理模块将数据分析与计算，控制规则输入设备将监测信息反馈控制规则的输入，自动控制规则验证模块将验证监测信息的规则控制条件，自动控制执行模块将智能施工过程控制，实时存储刷新模块将监测信息数据的更新，ZigBee主协调模块与ZigBee/UPnP协议转化模块将物联网的网络传输与控制。
本发明的基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法包括以下步骤:
步骤1：利用安装在高压旋喷钻机上的钻机行走与定位装置控制钻机的行走和定位，通过北斗GPS传感器对高压旋喷桩施工位置进行准确定位；
步骤2：在预定桩位利用旋转触探钻头钻至设计标高，完成高压旋喷桩的钻进成孔；在钻进过程中采集钻头压力传感器、半封闭水环内部压力传感器、扭矩传感器的监测信息传输至物联网控制装置，通过钻头压力、钻进孔内水压力与钻头扭矩来分析确定岩土地层识别；
步骤3：收起钻杆，在收起钻杆过程中，利用随钻测井仪，开展钻孔内周边加固前岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置；
步骤4：依据岩土地层识别，评定不同土层的成桩特性，智能化设定相应的浆液比重、水灰比、喷浆压力、转速等施工参数，经物联网控制装置执行相应的施工操作，自动接通浆液制备装置、供气供水装置，按照设定好的浆液参数制备浆液，制备好的浆液经泵送运输装置调整好合适压力向高压旋喷钻机泵送；
步骤5：再次将钻杆插入地层，至桩底设计标高，打开气液浆喷头随钻头提升过程进行气液浆的喷射、切削土体与混合搅拌的施工；在喷浆施工中，气、液、浆的泵送传输装置内部的压力传感器、转速传感器、深度传感器、倾角传感器、流量传感器同步监测喷浆压力、钻杆转速、喷浆深度、浆液流量等信息，并将上述信息传输到物联网控制装置，评估是否达到施工要求，利用物联网控制装置智能化动态调整浆液制备装置、供气供水装置、泵送运输装置的运行情况，实现施工参数动态调整，保障施工质量可靠性；
步骤6：重复步骤4按施工要求进行复喷施工，直至施工完毕，停止施工；
步骤7：收起钻杆，在收起钻杆过程中，利用随钻测井仪，开展钻孔内周边加固后岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置，对比加固前和加固后声波波速差异，检测加固质量与效果；
步骤8：钻机移位，重复步骤1至步骤7进行下一根桩的施工。
有益效果：通过以上技术方案可以获得以下有益的效果：
1、本发明提供的一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法，通过钻机的钻机行走与定位装置,北斗GPS传感器实现了钻机的自动化准确定位，缩短了人工定位的时间，提高了施工效率。
2、本发明提供的一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法，利用旋转触探钻头钻至设计标高，完成高压旋喷桩的钻进成孔；并在钻进过程中采集钻头压力传感器、半封闭水环内部压力传感器、扭矩传感器的监测信息传输至物联网控制装置，通过钻头压力、钻进孔内水压力与钻头扭矩来分析确定岩土地层识别，减小了人为操控钻机钻进过程中误判，导致钻孔深度不足、钻孔倾斜、塌孔、缩孔等情况的发生。
3、本发明提供的一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法，利用随钻测井仪，开展钻孔内周边加固前岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置，实现了实时进行钻孔的质量检测，为保证后期旋喷桩质量起到了关键的作用。
4、本发明提供的一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法，依据岩土地层识别，评定不同土层的成桩特性，智能化设定相应的浆液比重、水灰比、喷浆压力、转速等施工参数，并通过物联网控制装置向浆液制备装置、供气供水装置泵送运输装置执行相应的施工操作，并在施工过程中不断调整相应的施工参数以达到最优的喷浆效果，减小由于人为误操作、注意力不能长时间保持和施工经验的缺乏等造成的施工质量参差不齐的可能，提高高压旋喷桩施工质量。
5、本发明提供的一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法，在收起钻杆同时利用随钻测井仪，开展钻孔内周边加固后岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置，对比加固前和加固后声波波速差异，检测加固质量与效果，真正达到了实时智慧化施工质量检测。
附图说明
图1为基于物联网的高压旋喷钻机结构及监测传感装置示意图；
图2为旋转触探探头结构式示意图；
图3为物联网控制装置示意图；
图4为基于物联网的高压旋喷钻机的智能施工方法流程图。
以上的图中有：钻机行走与定位装置1，旋转触探钻头2，气液浆喷头3，随钻测井仪4，浆液制备装置5，泵送运输装置6，供气供水装置7，监测传感装置8，物联网控制装置9，钻杆接头10，空心钻杆11，限位凸台12，半封闭水环13，出水孔14，硬质合金刀头15，北斗GPS传感器16，钻头压力传感器17，扭矩传感器18，压力传感器19，转速传感器20，深度传感器21，倾角传感器22，流量传感器23，数据接口模块24；数据服务器25；中央处理模块26；控制规则输入设备27；自动控制规则验证模块28；自动控制执行模块29；实时存储刷新模块30；ZigBee主协调模块31；ZigBee/UPnP协议转化模块32。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的实施方法进行详细说明：
本发明的一种基于物联网的高压旋喷钻机的结构示意图。包括：钻机行走与定位装置1，旋转触探钻头2，气液浆喷头3，随钻测井仪4，浆液制备装置5，泵送运输装置6，供气供水装置7，监测传感装置8，物联网控制装置9，钻杆接头10，空心钻杆11，限位凸台12，半封闭水环13，出水孔14，硬质合金刀头15，北斗GPS传感器16，钻头压力传感器17，扭矩传感器18，压力传感器19，转速传感器20，深度传感器21，倾角传感器22，流量传感器23，数据接口模块24；数据服务器25；中央处理模块26；控制规则输入设备27；自动控制规则验证模块28；自动控制执行模块29；实时存储刷新模块30；ZigBee主协调模块31；ZigBee/UPnP协议转化模块32。
其中，钻机行走与定位装置1控制钻机的行走和定位，通过北斗GPS传感器16对高压旋喷桩施工位置进行准确定位；钻杆接头10内嵌于空心钻杆11，空心钻杆11外套限位凸台12，在限位凸台12下方安装半封闭水环13，在半封闭水环13内的空心钻杆11上设置出水孔14，在空心钻杆11安装硬质合金刀头15组合成旋转触探钻头2，钻杆带动旋转触探钻头2的旋转切削土体；在钻进过程中采集钻头压力传感器17、半封闭水环13内部压力传感器、扭矩传感器18的监测信息传输至物联网控制装置；收起钻杆过程中，利用随钻测井仪4，开展钻孔内周边加固前岩土体的声波检测；物联网控制装置9按照智能化设定相应的浆液比重、水灰比、喷浆压力、转速等施工参数执行相应的施工操作，自动接通浆液制备装置5、供气供水装置7，按照设定好的浆液参数制备浆液，制备好的浆液经泵送运输装置6调整好合适压力向高压旋喷钻机泵送；喷浆施工做成动态调整施工参数，达到对高压旋喷桩施工过程的智慧感知以及保证高压旋喷桩的施工质量；利用随钻测井仪4开展钻孔内周边加固前后岩土体的声波检测，对比加固前和加固后声波波速差异，检测加固质量与效果。
基于图1所示的基于物联网的高压旋喷钻机的结构示意图，提供了相应智能化施工方法，该方法包括：
施工步骤1：高压旋喷钻机准确就位施工位置。
根据施工设计图纸提供的各桩位坐标信息输入进钻机行走与定位装置1中，通过安装在空心钻杆11顶部的北斗GPS传感器16控制钻机行走与定位装置1行走至指定的准确施工桩位坐标处，下放钻头。
施工步骤2：钻孔并获取地层信息。
在预定桩位处，利用旋转触探钻头2钻至设计标高，完成高压旋喷桩的钻进成孔；在钻进过程中将位于旋转触探钻头2与空心钻杆11之间的钻头压力传感器17，位于空心钻杆11底部的扭矩传感器18，位于半封闭水环13内部的压力传感器19采集的钻头压力、钻进孔内水压力与钻头扭矩监测信息传输至物联网控制装置9，通过数据来分析、识别、确定岩土地层。
施工步骤3：收起钻杆，进行加固前成孔质量检测。
当深度传感器21传回物联网控制装置9的数据显示，钻孔已达到设计标高处，停止钻进，开始收起钻杆；在收起钻杆过程中，利用随钻测井仪4，开展钻孔内周边加固前岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置9，并将钻孔信息实时保存。
施工步骤4：分析计算施工参数，开始制浆、泵送。
依据施工步骤2中获取的岩土地层信息，评定不同土层的成桩特性，智能化设定相应的浆液比重、水灰比、喷浆压力、转速等施工参数，经物联网控制装置9执行相应的施工操作，自动接通浆液制备装置5、供气供水装置7，按照设定好的浆液比例参数制备浆液，制备好的水、气、浆液等经泵送运输装置6调整好合适压力向高压旋喷钻机泵送。
施工步骤5：喷浆施工，动态调整施工参数。
再次将钻杆插入地层，至桩底设计标高，打开气液浆喷头3随钻头提升过程进行气液浆的喷射、切削土体与混合搅拌的施工；在喷浆施工中，气、液、浆的泵送传输装置6内部的压力传感器19、流量传感器23监测浆液的喷浆压力和浆液流量，气液浆喷头3内部压力传感器19、转速传感器20、深度传感器21、倾角传感器22、流量传感器23同步监测喷浆压力、钻杆转速、喷浆深度(提升速度)、桩体垂直度、浆液流量等信息，并将上述信息传输到物联网控制装置9，评估上述施工指标是否达到施工要求，利用物联网控制装置9智能化动态调整浆液制备装置5、供气供水装置7、泵送运输装置6的运行情况，实现施工参数动态调整，保障施工质量可靠性。
施工步骤6：重复步骤4按施工要求进行复喷施工，直至施工完毕，停止施工。
施工步骤7：收起钻杆，进行加固后质量检测。
收起钻杆，在收起钻杆过程中，利用随钻测井仪4，开展钻孔内周边加固后桩体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置9，对比加固前和加固后声波波速差异，检测加固质量与效果，评定桩体均匀性。
施工步骤8：钻机移位，重复步骤1至步骤7进行下一根桩的施工。
Claims (5)
1.一种基于物联网的高压旋喷钻机，其特征在于其该高压旋喷钻机主要包括钻机行走与定位装置(1)、旋转触探钻头(2)、气液浆喷头(3)、随钻测井仪(4)、浆液制备装置(5)、泵送运输装置(6)、供气供水装置(7)、监测传感装置(8)；物联网控制装置(9)；钻机行走与定位装置(1)搭载钻机，用于行走与就位；旋转触探钻头(2)装在钻杆端部用于钻探成孔，利用监测传感装置(8)获取随钻地层分层识别；气液浆喷头(3)装在旋转触探钻头(2)后部的钻杆上，气液浆喷头(3)内部安装监测传感装置(8)，监测喷气、喷液、喷浆的压力；随钻测井仪(4)安装在气液浆喷头(3)后部的钻杆上，用于在钻进成孔与水泥喷浆后的钻孔内声波测井，测井的波速信息无线传输到地面的物联网控制装置；浆液制备装置(5)为高压旋喷钻机的附属设备，通过泵送运输装置(6)与钻机上的输送管相连接，通过物联网控制装置(9)实现喷浆材料的混合、搅拌；泵送运输装置(6)用于高压旋喷所需的气、液、浆的加压运输，内部布置监测传感装置(8)采集气、液、浆的喷射压力；供气供水装置(7)提供高压旋喷所需的气、水供给。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高压旋喷钻机，其特征在于所述旋转触探钻头(2)中，钻杆接头(10)内嵌于空心钻杆(11)，空心钻杆(11)外套限位凸台(12)，在限位凸台(12)下方安装半封闭水环(13)，在半封闭水环(13)内的空心钻杆(11)上设置出水孔(14)，在空心钻杆(11)安装硬质合金刀头(15)，钻杆转动硬质合金刀头(15)的旋转切削土体。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高压旋喷钻机，其特征在于所述监测传感装置(8)中，北斗GPS传感器(16)安装在空心钻杆(11)的顶部；钻头压力传感器(17)安装于旋转触探钻头(2)尾部与空心钻杆(11)连接处；扭矩传感器(18)安装于钻头压力传感器(17)位置的空心钻杆(11)内部；压力传感器(19)分别安装在半封闭水环(13)内部以及气、液、浆的泵送传输装置(6)内部；转速传感器(20)安装在空心钻杆(11)中部位置的内部；深度传感器(21)安装在气液浆喷头(3)的位置处；倾角传感器(22)安装在空心钻杆(11)的尾部；流量传感器(23)分别安装在气、液、浆的泵送传输装置(6)内部；上述传感器所采集的信息通过无线传输给地面的物联网控制装置(9)。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高压旋喷钻机，其特征在于物联网控制装置(9)包括数据接口模块(24)、数据服务器(25)、中央处理模块(26)、控制规则输入设备(27)、自动控制规则验证模块(28)、自动控制执行模块(29)、实时存储刷新模块(30)、ZigBee主协调模块(31)、ZigBee/UPnP协议转化模块(32)；其中，数据接口模块(24)将不同数据格式接入到数据服务器(25)中，数据服务器(25)将数据存储、备份与发布，中央处理模块(26)将数据分析与计算，控制规则输入设备(27)将监测信息反馈控制规则的输入，自动控制规则验证模块(28)将验证监测信息的规则控制条件，自动控制执行模块(29)将智能施工过程控制，实时存储刷新模块(30)将监测信息数据的更新，ZigBee主协调模块(31)与ZigBee/UPnP协议转化模块(32)将物联网的网络传输与控制。
5.一种如权利要求1所述的基于物联网的高压旋喷钻机的智能施工方法，其特征在于该智能施工方法包括以下步骤:
步骤1：利用安装在高压旋喷钻机上的钻机行走与定位装置(1)控制钻机的行走和定位，通过北斗GPS传感器(16)对高压旋喷桩施工位置进行准确定位；
步骤2：在预定桩位利用旋转触探钻头(2)钻至设计标高，完成高压旋喷桩的钻进成孔；在钻进过程中采集钻头压力传感器(17)、半封闭水环(13)内部压力传感器、扭矩传感器(18)的监测信息传输至物联网控制装置(9)，通过钻头压力、钻进孔内水压力与钻头扭矩来分析确定岩土地层识别；
步骤3：收起钻杆，在收起钻杆过程中，利用随钻测井仪(4)，开展钻孔内周边加固前岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置(9)；
步骤4：依据岩土地层识别，评定不同土层的成桩特性，智能化设定相应的浆液比重、水灰比、喷浆压力、转速等施工参数，经物联网控制装置(9)执行相应的施工操作，自动接通浆液制备装置(5)、供气供水装置(7)，按照设定好的浆液参数制备浆液，制备好的浆液经泵送运输装置(6)调整好合适压力向高压旋喷钻机泵送；
步骤5：再次将钻杆插入地层，至桩底设计标高，打开气液浆喷头(3)随钻头提升过程进行气液浆的喷射、切削土体与混合搅拌的施工；在喷浆施工中，气、液、浆的泵送传输装置(6)内部的压力传感器(19)、转速传感器(20)、深度传感器(21)、倾角传感器(22)、流量传感器(23)同步监测喷浆压力、钻杆转速、喷浆深度、浆液流量等信息，并将上述信息传输到物联网控制装置(9)，评估是否达到施工要求，利用物联网控制装置(9)智能化动态调整浆液制备装置(5)、供气供水装置(7)、泵送运输装置(6)的运行情况，实现施工参数动态调整，保障施工质量可靠性；
步骤6：重复步骤4按施工要求进行复喷施工，直至施工完毕，停止施工；
步骤7：收起钻杆，在收起钻杆过程中，利用随钻测井仪(4)，开展钻孔内周边加固后岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置(9)，对比加固前和加固后声波波速差异，检测加固质量与效果；
步骤8：钻机移位，重复步骤1至步骤7进行下一根桩的施工。
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