CN113982086A - 一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，所述方法包括：注入水泥至污水管线中以封堵污水管线；基于污水管线内的水泥硬度信息和污水管线状态信息建立可视化梯度模型；根据可视化梯度模型给出钻机在不同打桩处工作时所需工作参数。本发明使用检测部件和计算机单元结合得出水泥风干硬化程度的阶梯分布图，为施工之前以及施工之中给出了对应可视化梯度模型，使钻机工作时所需的其不同打桩位置以及沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数能更快得出。

Description

一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法

技术领域

本发明涉及回转钻机施工方法技术领域，尤其涉及一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法。

背景技术

随着经济建设的飞速发展，城市化建设规模进一步扩大，工程机械技术领域取得了显著的进步，其中，钻机是在地质勘探中。带动钻具朝任意方向钻进，获取实物地质资料的机械设备。钻机主要作用是破碎钻孔底部的岩石，下入或提出在孔内的钻具，以探明地下地质和矿产资源等情况。而回转钻机则是用于城市建设的基坑支护及桩基施工领域中。由于城市中地下管线错综复杂，污水系统的负荷越来越严重，大规模的建设必然会危及本身形成的污水管道系统和相关设施，建设工地的施工过程中，污水输送管道爆漏事故频频发生，为解决污水管线在施工时容易发生爆炸、污水泄漏导致的地下水被污染、产生细菌、病毒和寄生虫等有害微生物随地下水被引入人们的生活管道中甚至会使地面大面积坍塌等一系列问题。

中国专利CN111155513A公开了一种全回转钻机和液压振动锤协同凿井方法，其包括如下步骤：步骤一、桩位放样；步骤二、插打孔口护筒；步骤三、安装护筒底管和钢护筒；步骤四、安装全回转钻机；步骤五、安装液压振动锤；步骤六、试机；步骤七、安装输浆管、护筒底管继续钻进；步骤八、浇灌混凝土：当钻至预设深度后，清孔、验收，然后向孔内下放钢筋笼，接着浇灌混凝土并将钢护筒拔出孔内，成桩。该专利的凿井方法可以钻进非常复杂的地层，而且钻进速度可以提高4倍以上，在钻孔时因为有钢护筒的超前支护，不会出现孔壁或孔口塌方的情况，使混凝土的浇灌量可以降到最低，即充盈系数最小，节约了材料成本。但对于有着污水的污水管线切割作业，仍无法做到防止污水的渗透。

中国专利CN112144559A公开了一种高富水黄土砂卵石地层变压管井中井施工方法，包括以下步骤：开挖沉孔，在沉孔内制作沉井，沉井两侧侧壁预留有主管道通过的洞口；将两节主管道的管节分别从沉井的洞口顶出；测量定位；检查井下部井筒施工；检查井下部井筒四周回填；检查井上部井筒施工及回填；当沉井回填至道路路床顶面后，沉井内的路基回填，与整体道路的基层一同施工；液浆的制备及注浆加固；成孔采用螺旋钻回转钻机；将水泥：水玻璃：水按质量比例1∶O.1∶1配比为双液浆，使用前双浆液均匀拌合并经过筛网过滤。该专利优点为：缩短了检查井和管道施工工期，减少顶进扰动，还避免了对地上建筑物直接影响，为道路提前贯通提供了保证，同时工程总体质量大大提高。对于城市内有着污水管线的施工依然不可避免具有局限性，无法处理污水管线的污水泄漏问题。

对此本发明通过使用水泥注入污水管线的方法进行封堵污水管线并且由检测部件和计算机单元基于水泥风干硬化程度给出钻机的不同打桩位置以及沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数，达到封堵污水管线并且不影响钻机正常施工的技术效果。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明的技术方案是提供一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，所述方法包括：

注入水泥至污水管线中以封堵污水管线；

基于污水管线内的水泥硬度信息和污水管线状态信息建立可视化梯度模型；

根据可视化梯度模型给出钻机在不同打桩处工作时所需工作参数。

根据一种优选的实施方式，所述水泥是通过污水管线井口注入污水管线中的。

根据一种优选的实施方式，其中所述水泥硬度信息至少通过装设在污水管线井口和污水管线末尾的检测部件得到。在进行水泥通过污水管线井口灌入污水管线的作业之后，同一时间注入水泥的污水管线由于不同的水泥风干时间导致不同的硬度，从而使钻机在不同打桩处切割土壤所需工作参数的不同，其参数直接影响钻机成桩质量的优劣，因此对水泥硬度信息检测是至关重要的工程。

根据一种优选的实施方式，其中所述污水管线状态信息包括污水管线的分布位置、管径、排放路径和掩埋深度。首先是根据污水管线上游、下游、污水管线井口和污水管线末尾的空间坐标，或者和施工区域内的其他建筑物的位置关系，把具体位置找到，然后根据其位置得到可视化模型。优选地，可沿管道轴向上轴线进行轴线测量和断面水准测量，控制点及水准点可由污水管线建设单位提供，施工单位复测后无误后可使用。根据管线上游、下游、污水管线井口和污水管线末尾的空间坐标利用全站仪把这些点用桩固定在地面上，并且进行拴点，保证施工开始时不因钻机位置摆放的错误导致污水管线的破裂。同时为了避免出错，每个点都要进行校核。在标定管线上游、下游、污水管线井口和污水管线末尾之前，首先要了解设计污水管线的走向的分布情况，并结合实际地形考虑上述每一个点的具体方位。

根据一种优选的实施方式，基于所述污水管线状态信息获得模型元素的几何值，结合预设条件生成可视化模型，基于所述污水管线内的水泥硬度信息，对污水管线封堵水泥硬度在所述可视化模型中以其时间维度和空间维度的不同，进行梯度显示。计算机单元基于污水管线内水泥的风干硬化程度而在污水管线状态信息建立的可视化模型中形成对应于水泥风干硬化梯度数据调整后的可视化梯度模型。在空间维度上以其色彩变化显现出阶梯状分布图，在时间维度上建立时间轴，以其时间变化产生同步的可视化梯度模型。

根据一种优选的实施方式，基于所述可视化梯度模型给出钻机在所述污水管线不同位置进行打桩时，需要的沉降速率、竖向位移和管体直径。

根据一种优选的实施方式，至少包括钻机、检测部件和计算机单元，所述计算机单元用于构建可视化模型和分析位于污水管线井口和污水管线末尾的检测部件发出的信息，所述计算机单元基于污水管线状态信息建立可视化模型，所述计算机单元基于所述污水管线内的水泥硬度信息和可视化模型建立可视化梯度模型，所述计算机单元根据可视化梯度模型给出钻机在不同打桩处工作时所需工作参数。

根据一种优选的实施方式，所述污水管线状态信息由施工前对施工区域内的污水管线进行勘察、定位、查询和计算得到，所述污水管线内的水泥硬度信息是由位于污水管线井口和污水管线末尾的检测部件检测出相关信息发送至所述计算机单元，再得出所述水泥硬度信息。

根据一种优选的实施方式，所述可视化梯度模型中的梯度是以随污水管线内水泥时间维度和空间维度的改变来设定的。

根据一种优选的实施方式，其特征在于，所述计算机单元基于所述可视化梯度模型给出钻机在所述污水管线不同位置进行打桩时，需要的沉降速率、竖向位移和管体直径。

整个基于水泥硬度的回转钻机施工方法的实体施工步骤为

(S1)施工前对施工区域内的污水管线进行勘察、定位和测量，得出污水管线1的分布位置、内管径、污水流动路径和掩埋深度等信息。

(S2)根据勘察到的信息确定其污水管线需要封堵的上游位置并且于交汇井各入水口进行封堵。将水泥由上游污水管线入水口处灌入以封堵整个污水管线1。

(S3)于污水管线井口和污水管线末尾放入检测部件检测相关信息，当水泥注满施工区域内污水管线，停止注入工作。

(S4)位于污水管线井口和污水管线末尾的检测部件将检测到的相关信息发送至计算机单元，得出水泥硬度信息。

(S5)计算机单元根据收集到的污水管线状态信息建立可视化模型并基于污水管线内水泥硬度信息建立可视化梯度模型。

(S6)计算机单元或技术人员根据可视化梯度模型给出钻机在污水管线不同位置进行打桩时，需要的沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。

(S7)钻机再根据计算机单元或技术人员给出的工作参数开始切割污水管线。

该技术方案的优点在于：此施工方案采用水泥注入污水管线的方式进行污水管线封堵施工。可基于规范规定施工要求的断面及水泥硬度对所要施工区域的污水管线勘察的数据进行一一对应的合理选择，达到最佳的污水管线旁施工的封堵效果。施工人员可通过施工区域原有污水管线的埋放情况迅速判断需要封堵的主管线位置，并于污水管线井口进行水泥注入，实现施工过程的最小影响，同时有效降低了施工成本。不仅如此，常规的封堵污水管线的手段为派遣施工人员在上游进行砌筑砖墙，施工人员的生命安全得不到保障，施工所需封禁范围大，本技术方案采用管体封堵污水管线的方法，保证了人员安全，提高了施工效率。本方案使用检测部件和计算机单元结合得出水泥风干硬化程度的阶梯分布图，为施工之前以及施工之中给出了对应可视化梯度模型，使钻机工作时所需的其不同打桩位置以及沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数能更快得出。

本发明的有益技术效果：

(1)通过将污水管线状态信息发送到计算机单元中，由计算机单元建立可视化模型，同时检测部件检测到的水泥硬度和硬度变化时间信息发送到计算机单元中，由计算机单元基于可视化模型建立可视化梯度模型。以污水管线和污水管线内水泥风干硬化程度在时间维度和空间维度上的改变，以时空关联的方式同步改变，实现可视化梯度模型的实时更新。从而更好指导施工作业，给出钻机的不同打桩位置以及沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。最终能够让使用水泥注入封堵污水管线这一技术方案，得到实时可视化的调控，进一步提高施工的精准度和最终封堵效果。

(2)通过水泥注入污水管线，封堵住污水管线的方式，使得地质不会因污水泄漏而坍塌，保证施工的顺利进行。同时，借用水泥封堵，不用派遣施工人员下井封堵，保障了人员安全，提高了施工效率。

本发明使用水泥注入污水管线的方法，在不大量改动现有设备的前提下，通过加设辅助设备检测部件和计算机以及施工方案的改进，实现在密布有污水管线的区域的安全高效施工。同时采用本施工方法，无需派遣施工人员封堵，保障了人员安全。

附图说明

图1是本发明的一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法的优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法的优选实施例的俯视示意图。

附图标记列表

1：污水管线；2：钻机；3：计算机单元；101：污水管线井口；102：污水管线末尾；103：检测部件；1031：第一检测部件；1032：第一发送器；1033：第一接收器；1034：第二检测部件；1035：第二发送器；1036：第二接收器；104：污水管线下端；105：污水管线上端。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

首先对钻机1的结构和使用进行说明。

全套管钻机是集全液压动力和传动，机电液联合控制于一体的新型钻机，是一种技术前沿的具有环保性和高效性的钻进技术。由于近年来城市大规模的建设改造，其在地铁、高铁、城建桩的施工、道桥建设得到广泛应用。这种全新的工艺工法的研究成功，实现了施工人员在卵、漂石地层、含溶洞地层、厚流沙地层、强缩颈地层、各类桩墨础、钢筋砼结构等障碍还没有清除的情况下就可以实现灌注桩、置换桩、地下连续墙的施工和项管、盾构隧道无障碍穿越各类桩基础的可能。全套管钻机通过套管套住桩体进行切削作业，利用钻机主体提供的强大的回转扭矩把桩体扭断，再用冲抓斗取出。根据地质以及施工条件的不同，可用旋挖钻机或重锤等辅助设备清除。其具有的优点包括：1.无噪音、无振动、无泥浆、安全性高、环保性好；2.清孔彻底，不会产生塌孔现象、成孔直径标准、充盈系数小，节约砼的使用、成桩质量高。

需要说明的是通常污水管线1的封堵是为了避免因封堵时间过长上游积水产生水压而造成污水冲破封堵位置或渗透入下游，对下游施工人员造成一定威胁，所以需要根据实际管线情况和管内水流强度依据先上游、交汇井各个入水口进行封堵。并且要监测井内气体，一是保证派遣施工人员下井时的安全性，二是防止出现爆炸等危险情况发生。封堵的类型根据污水量分为无水封堵、浅水封堵和深水封堵三种。大体都采用水泥砂浆或水泥黏土拌制的胶结材料，砌筑砖墙来封堵大、中型管线的方法。它具有取料方便，封堵效果较好的优点，缺点是拆除非常困难。污水管线1在施工或维修过程中经常需要对正在通水的管道进行临时封堵，否则这些工作便无法进行。污水管线1不能像给水管或燃气管那样只需关闭阀门就可实现断水或断气。封堵污水管线1是一项费时、费钱又很危险的工作。所以需要提高污水管线1封堵的安全性、有效性和便捷性。

基于以上原因，需要施工区域中存在污水管线1时，采用安全、方便和有效的方法保证施工的正常进行。本发明的工作原理为：首先施工前对施工区域内的污水管线1进行勘察、定位和测量，得出污水管线1的分布位置、内管径、污水流动路径和掩埋深度等信息。根据勘察到的信息确定其污水管线1需要封堵的上游位置并且于交汇井各入水口进行封堵。将水泥由上游污水管线1入水口处灌入以封堵整个污水管线1。于污水管线井口101和污水管线末尾102放入检测部件103检测相关信息，当水泥注满施工区域内污水管线1，停止注入工作。位于污水管线井口101和污水管线末尾102的检测部件103将检测到的相关信息发送至计算机单元3，得出水泥硬度信息。计算机单元3根据收集到的污水管线1状态信息建立可视化模型并基于污水管线1内水泥硬度信息建立可视化梯度模型。计算机单元3根据可视化梯度模型给出钻机2在污水管线1不同位置进行打桩时，需要的沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。钻机2再根据计算机单元3给出的工作参数开始切割污水管线1。

实施例

本申请涉及一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，所述方法包括：

注入水泥至污水管线1中以封堵污水管线1；

基于污水管线1内的水泥硬度信息和污水管线1状态信息建立可视化梯度模型；

根据可视化梯度模型给出钻机2在不同打桩处工作时所需工作参数。

根据一种优选的实施方式，所述水泥是通过污水管线井口1O1注入污水管线1中的。

根据一种优选的实施方式，在基于污水管线1状态信息和水泥硬度信息建立可视化梯度模型可采用三维坐标系以污水管线井口1O1的竖直姿态所在的方向为第二方向Y，以污水管线2的走向所在的方向为第一方向X，以同时垂直于第一方向X与第二方向Y所在的方向为第三方向Z。三个方向其中任意一个方向都垂直与其他两个方向并基于全站仪和水平仪对三个方向的偏差进行修正。

根据一种优选的实施方式，可舍弃对于第二方向Y的建立，以第一方向X和第三方向Z所张开的平面内对可视化模型进行二维图像构建以达到减少计算量的目的。位于污水管线井口101的竖直姿态所在的方向同时垂直与第一方向X和第二方向Z的第三方向Y产生的偏移量例如钻机2切割污水管线1时下降深度，其对于当时施工方案来说并非要处理的核心矛盾，不会影响整个施工方案的正常进行。二维图像的构建使得运算量级降低，其构建速度和响应时间带来了几何级别降低，钻机2在污水管线1进行打桩时，能更快得出其不同打桩位置以及沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。

根据一种优选的实施方式，首先是根据污水管线1上游、下游、污水管线井口101和污水管线末尾102的空间坐标，或者和施工区域内的其他建筑物的位置关系，施工人员把具体位置标注在第一方向X和第三方向Z所张开的平面上，然后根据其所述平面具体位置得出污水管线1定点元素几何值，通过预设条件来生成所述可视化模型的模型元素，由其模型元素生成可视化模型。优选地，可沿管道轴向上轴线进行轴线测量和断面水准测量，控制点及水准点可由污水管线1建设单位提供，施工单位复测后无误后可使用。施工人员根据管线上游、下游、污水管线井口101和污水管线末尾102的空间坐标利用全站仪以其相对空间坐标用桩固定在地面上，并且对其进行拴点，保证施工开始时不因钻机位置摆放错误导致污水管线1的破裂。同时为了避免出错，施工人员所固定的每个点都要进行校核。在标定管线上游、下游、污水管线井口101和污水管线末尾102之前，首先要了解设计污水管线1的走向的分布情况，并结合实际地形考虑上述每一个点的具体方位。

根据一种优选的实施方式，施工人员可通过基于勘察到的污水管线1状态信息进行元素条件的自行调整来生成更符合客观规律的实体形状并且建立基于污水管线1实际状态的可视化模型。

根据一种优选的实施方式，污水管线1内的水泥硬度信息由装设在污水管线井口101和污水管线末尾102的检测部件103和计算机单元3共同得出。

根据一种优选的实施方式，检测部件103可包括超声波水泥分析仪UCA。在进行水泥通过污水管线井口101灌入污水管线1的作业之后，同一时间注入水泥的污水管线1由于不同的水泥风干时间导致不同的硬度，从而使钻机2在不同打桩处切割土壤所需工作参数的不同，其参数直接影响钻机2成桩质量的优劣，因此对水泥硬度信息检测是至关重要的。水泥硬度信息可由专门的化验仪器来测定水泥浆的密度、粘度、稠化时间、抗压强度和防气窜性等，在污水管线1内水泥的各项性能当中最终决定钻机2在不同打桩处切割土壤所需工作参数的数据在于水泥硬度，传统上，硬度测定需要恒应力压力试验机来进行，而超声波水泥分析仪可直接测试水泥硬化发展过程，通过计算机单元3的集成技术，实现可视化实时监测。超声波水泥分析仪UCA用于检测水泥在污水管线1内进行风干硬化时的硬度变化趋势，通过测量水泥风干硬化时通过污水管线1内水泥的超声波信号速度的变化，从而确定水泥的硬度。随着水泥风干硬化程度的增加，通过污水管线1内水泥的超声波信号的传送时间会不断减少，超声波水泥分析仪UCA利用一对超声波换能器来测量声信号传输通过水泥的传送时间，凭借经验开发的等式，根据测量的传送时间来计算规定时间和硬度。超声波水泥分析仪UCA能够在不损害污水管线1内水泥的情况下连续检测硬度发展规律和时间。优选地，检测部件103还可包括用于检测水泥内气体气窜严重程度的气窜检测装置，将气体通过污水管线井口101再由污水管线末尾102流出，气窜严重程度由用于检测污水管线井口101和污水管线末尾102之间的压力差的压力检测装置确定。

根据一种优选的实施方式，于污水管线井口101和污水管线末尾102可设置第一检测部件1031。第一检测部件1031包括第一发送器1032和第一接收器1033，第一发送器1032放置于污水管线井口101竖向下管线下端，第一接收器1033放置于污水管线末尾102竖向下管线下端，两者用以检测污水管线下端104的水泥硬度。污水管线(通常直径达数米的混凝土管)是由多根管线首尾相连构成的，因此将第一发送器1032与第一接收器1033均布置在径向下端是最为简便的排布方式，而且第一发送器1032与第一接收器1033之间的超声波在经过首尾相连的多根管线时会因为对接缝隙的存在而确定出某个“经过延迟”的渡越时间，进而可将该渡越时间确定为硬度、长度和/或密度的度量参数，或者说衡量指标。

由于波在固体介质中的传播速度与介质的密度、弹性模量、泊松比等物理性质有关，因此找到超声波在介质中传输速度与介质强度的关系，通过检测超声波传输时间和超声波传输速度，就可以间接得出介质如混凝土的强度。在本发明的超声波检测中，作为超声波发送器的第一发送器1032和作为超声波接收器的第一接收器1033通过耦合剂与各自的待检测混凝土表面连接。作为超声波发送器的第一发送器1032以一个短脉冲为信号开始震动，产生超声波，该超声波经过混凝土传输并被另一侧的作为超声波接收器的第一接收器1033所接收。由此，以超声波发送器发送短脉冲时为开始时间，以超声波接收器接收到超声波为结束时间，从而得出超声波在混凝土体内传输的渡越时间，以其传输距离(即污水管线1长度)与渡越时间之比得出超声波在水泥中的传输速度，从而确定混凝土体的硬度。

使用超声波检测方法检测混凝土体硬度时，会受到水泥硬化时产生的细缝、宽缝、空隙和微裂缝影响，它们会导致超声波在水泥中传输时会进行绕行，使得检测出的渡越时间即水泥硬度出现误差。在本发明中，水泥是新注入污水管线1中的，管内的凝土体将出现不可预测的缝隙、气泡等导致超声波传递路径延长，而且这些情况会随混凝土水化反应的放热膨胀以及此后的凝结收缩，而出现明显波动。

在本发明中，针对检测部件103在水泥中传输的超声波相关参数，本发明规定设立与两端水泥间超声波渡越时间相关的观测基准值，该观测基准值涉及污水管线水泥的超声波传输速度、硬度、长度和/或密度。

由于污水管线1内部复杂的结构组成，例如，多根管线对接时不完全贴合产生的缝隙；管道对接中，对接口使用法兰盘通过丝接法兰或焊接法兰制成相对应的法兰连接导致其连接处不存在钢筋，使得通过第一检测部件1031检测到的超声波传输速度达不到预计想要得到的效果。所述效果是指得到在施工区域内的污水管线1超声波传输的最快速度，之所以称“最快速度”，是因为超声波在钢筋中的传播速度远大于在水泥中的传播速度，而污水管线1内存在与超声波传播方向平行的钢筋，并且污水管线1水泥硬度已达到稳定标准，所以超声波在污水管线1传播的速度为“最快速度”。由于单独将第一检测部件1031布置在污水管线下端104位置无法满足得到施工区域内的污水管线1超声波传输的最快速度并建立相应第一观测基准值的需要，所以针对第一发送器1032和第一接收器1033的排布位置进行多次选定。以污水管线1径向下端作为排布基点，施工人员以沿污水管线1周向等距选择的方式选定第一检测部件1031检测的下一位置，并将第一发送器1032和第一接收器1033排布在相应位置两端，以此检测出该位置的超声波传输速度。重复上述过程，检测出多组超声波传输速度后，进行对比，选择传播速度最大值作为基准点。对于第一检测部件1031检测到的相关水泥硬度数据，以其建立第一观测基准值。在超声波传输过程中，由于污水管线下端104内部存在钢筋使得超声波传播速度快，而水泥中纵向波的传播速度与水泥弹性模量的平方根成正比，弹性模量越大，传播速度越快。水泥在成型固化过程中，水泥颗粒和泥土颗粒之间相互包裹，产生静态凝胶强度，以此产生水泥硬度值，随着风干硬化时间变长，水泥水化程度加剧，静态凝胶强度越来越大，因而硬度和强度都相应变大。随着时间的增长，水泥的弹性模量在不断增加，弹性模量表征材料抵抗弹性应变的能力，其值越低越容易发生弹性形变，所以其一定程度上反应了水泥硬度。随着弹性模量的增加，水泥强度也在不断的增加，强度越大，弹性模量也越大，从而超声波的传播速度越快，因此通过对比检测到的超声波传输速度即可得出水泥硬度。污水管线下端104的水泥硬度由于时间的累积，其水泥硬度符合时间的发展规律，所测得的第一观测基准值也符合时间的发展规律。但是同样由于污水管线下端104的水泥时间的累积，内部结构存在发生钢筋断裂或出现宽缝的可能性，对此于污水管线1竖向上管线上端设置第二检测部件1034，以其作为第一观测基准值的对比值。第二检测部件1034包括第二发送器1035和第二接收器1036，第二发送器1035放置于污水管线井口1O1竖向下管线上端，第二接收器1036放置于污水管线末尾102竖向下管线上端，两者用以检测污水管线上端105的水泥硬度，从而根据检测到的污水管线上端105水泥硬度确定第二观测基准值。因污水管线1(通常直径达数米的混凝土管)是由多根管线首尾相连构成的，因此将第二发送器1035与第二接收器1036均布置在径向上端是与第一检测部件1031进行对比的最直接的排布方式。

若第一观测基准值与第二观测基准值相同或区别在合理范围内，即两者误差对于钻机进行的打桩工作不造成影响，则取其均值作为观测基准值，若第一观测基准值与第二观测基准值区别大，则可以确定污水管线1内部结构发生钢筋断裂或出现宽缝。对此可以沿污水管线1周向进行多次检测的检测方式得出多组水泥硬度数据，从中取其相近数据的均值作为观测基准值。

对于水泥的凝结硬化过程来说，迄今为止，不存在一种统一的理论来详细解释水泥凝结硬化的过程，现有的相关理论还存在多种问题有待于进一步研究。对此，本发明将水泥的凝固过程大致分为四个阶段：反应阶段、隔离阶段、凝固阶段和硬化阶段。

反应阶段：水泥与水接触后会发生水化反应，所述反应是立即发生的并且会放出大量热量，其放热曲线为一条反抛物线，在水泥与水接触后的一刻钟以内剧增至此阶段放热速率的最大值，随后降低。所述水化反应是指水泥颗粒表面上的熟料矿物会快速溶解与水中并与水发生化学反应，其为放热反应。水化反应快速完成，其生成的水化物能够溶于水，但是溶解度较低，导致其在水中不断沉淀析出。同时由于颗粒表面上的熟料矿物与水接触面大，其水化物生成速度快，在沉淀析出后无法进行正常流动，导致其附着在水泥颗粒表面形成膜层。所述膜层以水化硅酸钙为主体，其中分布着氢氧化钙等晶体，通常称为凝胶体膜层。所述凝胶体膜层的形成妨碍了水泥的水化反应，是放热速率降低的主要原因。在此阶段硅酸三钙开始水化，生成水化硅酸钙凝胶，同时释放出氢氧化钙，氢氧化钙立即溶于水中，钙离子浓度急剧增大，当达到过饱和时，则呈结晶析出。同时，暴露于水泥熟料颗粒表面的铝酸三钙也溶于水，并与已溶解的石膏反应，生成钙矾石结晶析出，附着在颗粒表面，在这个阶段中，水化的水泥只是极少的一部分。

隔离阶段：反应阶段之后的一到两小时内，水泥水化反应的放热速率降至最低，其以水泥颗粒表面覆盖一层以水化硅酸钙凝胶为主的渗透膜层的方式(即凝胶体膜层)阻碍了水泥颗粒与水的反应。此阶段，由于水泥水化产物数量不多，水泥颗粒仍呈分散状态，水泥浆的流动性基本保持不变，水泥浆基本保持塑性。

凝固阶段：在隔离阶段之后由于渗透压作用，水泥颗粒表面形成的渗透膜层破裂，水泥继续发生水化反应，放热速率再次增大，在六小时内增至最大值，随后缓慢下降。在此阶段，水化产物不断增加并填充水泥颗粒之间的空间，凝胶体膜层增厚，随着接触点的增多，形成了由分子力结合的凝聚结构，相互粘结形成网状结构，使水泥浆体逐渐失去塑性，水泥浆体逐渐变稠，失去了可塑性，这一过程称为水泥的凝固。此阶段结束约有七分之一的水泥水化。

硬化阶段：在凝固阶段之后，由于水泥颗粒之间的空隙逐渐缩小成为毛细孔，水化生成物进一步填充毛细孔。毛细孔越来越小，使得水泥浆体结构更加紧密，逐渐产生强度。所述毛细孔只指在由水化产物、未水化的水泥颗粒和孔隙等组成的多相的多孔体系中未被凝胶填充的空间。所述多相指固态、液态和气态。随着放热速率缓慢下降，至水泥水化一天时间后，放热速率已降到较低值，约4.0J/gh以下，但此时，水泥的水化反应仍在继续进行，水化铁铝酸钙形成：由于石膏的耗尽，高硫型水化硫铝酸钙转变为低硫型水化硫铝酸钙，水化硅酸钙凝胶形成纤维状。在这一过程中，水化产物越来越多，它们更进一步地填充孔隙且彼此间的结合亦更加紧密，使得水泥浆体产生强度，这一过程称为水泥的硬化。硬化阶段是一个相当长的时间过程，在适当的养护条件下，水泥硬化可以持续很长时间，几个月、几年、甚至几十年后强度还会继续增长。

特别注意的是，水泥凝固硬化过程的各个阶段不是彼此截然分开，而是交错进行的。针对污水管线1内部水泥的凝固硬化过程，在污水管线1内部的水泥虽会因水化反应产生的热量发生一定的膨胀，但是水泥的失水干缩要远比膨胀量大，其内部水泥整体为收缩。

根据一种优选的实施方式，第二检测部件1034可沿污水管线1径向向下移动用以测量污水管线1内上空间水泥硬度。由于水泥在硬化过程中会产生一定的收缩力，导致水泥在凝固以后其体积会出现缩小的现象，污水管线1上空间不会被水泥填满，其内部水泥在地心引力作用下表现为中间高两边低的拱形。针对此现象，将第二检测部件1034的排布方式下移后可检测污水管线1上空间水泥硬度并得出其内部空隙情况。超声波虽能在空气中传播，但其损失较快且传播速度接近于音速，而超声波在水泥中的传播速度约为音速的十倍，所以若检测到的超声波传播速度明显低于设定的观测基准值的超声波传播速度，则可以确定污水管线1上空间出现了拱形空洞；若第二检测部件1034无法检测到超声波在污水管线1上空间内的传播，污水管线1上空间可能出现了较大拱形空洞甚至上空间不存在水泥。在对靠近污水管线井口101和污水管线末尾102进行打桩作业时，需要注意套管深入到污水管线1上空间空洞处的空钻下落情况。空钻下落情况会使钻机套管在钻机主体回转扭矩作用下因用力过大或用力不均匀造成钻机套管倾斜甚至地质坍塌影响成桩质量以及施工进度。对此，检测出污水管线1上空间超声波传播速度对比观测基准值从而确认污水管线1上空间是否存在拱形空洞，以保证钻机套管乃至钻机主体不因回转扭矩过大或用力不均匀导致桩孔不垂直或地面坍塌是必要的技术手段。

根据一种优选的实施方式，检测部件103将检测到的污水管线1内的水泥硬度发送至计算机单元3。计算机单元3将得到的水泥硬度与其无侧限抗压强度建立关系，并以其水泥硬度与无侧限抗压强度对数值进行线性回归分析。所述无侧限抗压强度是指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限强度，即为无侧限抗压强度。计算机单元3进行线性回归分析后，得到污水管线1内水泥与无侧限抗压强度自然对数值的表达式，即无侧限抗压强度自然对数等于回归系数乘以水泥硬度的乘机加上回归常数。所述回归系数和回归常数由线性回归分析得出。水泥在成型固化过程中，水泥颗粒和泥土颗粒之间相互包裹，产生静态凝胶强度，以此产生水泥硬度值，随着风干硬化时间变长，水泥水化程度加剧，静态凝胶强度越来越大，因而硬度和强度都相应变大。经大量资料显示，水泥硬度和无侧限强度对数值的关系为线性关系。计算机单元3根据水泥硬度和无侧限强度对数值的线性关系，分析出其回归曲线，从而更好指导施工作业，给出钻机2的不同打桩位置以及沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。根据一种优选的实施方式，计算机单元3根据检测部件103发出的水泥硬度信息和水泥四个变化阶段的变化时间关系，分析出水泥硬度与其风干时间的关系，建立其在时间维度上水泥硬度的变化趋势。计算机单元3根据建立的基于第一方向X和第三方向Z所张开的平面的二维图像在空间维度上建立与硬度相关的关系。在计算机单元3将基于污水管线1状态信息建立出可视化模型之后，且同时在检测部件103基于超声波水泥分析仪UCA检测出污水管线1内水泥硬度信息发送至计算机单元3之后，由所述计算机单元3基于分析的出水泥硬度与其风干时间的关系以及基于第一方向X和第三方向Z所张开的平面的二维图像在空间维度上与硬度的关系来调整可视化模型中的与污水管线1有关的梯度数据，其中，所述梯度数据的调整是按照污水管线1空间位置和时间轴位置改变的方式同步完成的。

根据一种优选的实施方式，计算机单元3将梯度数据按照污水管线1空间位置和时间轴位置定时储存并在污水管线1内水泥风干时间、污水管线1分布位置与对应水泥硬度之间建立时空关联，由此计算机单元3能够基于污水管线1内水泥的风干硬化程度而在污水管线1状态信息建立的可视化模型中形成对应于水泥风干硬化梯度数据调整后的可视化梯度模型。在得到的可视化梯度模型中，基于第一方向X和第三方向Z所张开的平面的二维图像在空间维度上与硬度的关系可按照色谱颜色的变化给出相应硬度曲线关系或给出颜色深浅反应相对硬度数据或直接给出邵氏硬度值以形成阶梯状分布图。具体地，沿第二方向Y作为观察方向去观察第一方向X和第三方向Z所张开的平面的二维图像，其所述二维图像是沿污水管线1空间走向延伸的并基于水泥四个变化阶段的时间关系，通过不同颜色显现出其硬度的特征。在时间维度上可建立时间轴，基于当前时刻至对应时刻或早于当前时刻的任一时刻之间的时间段内的形成的空间维度上可视化梯度模型集合，给出其时间轴上风干硬化程度改变的变化情况并以可视化梯度模型的方式显现出来。基于当前时刻的空间维度上可视化梯度模型集合，通过随着当前时刻地不断推移而不断产生可覆盖前一时刻的后一时刻空间维度上可视化梯度模型使得计算机单元3建立的可视化梯度模型可基于时间轴推进(水泥风干硬化时间推进)进行的实时变化而同步变化，从而使得施工人员能够通过显示器以非自由灵活的方式实现对当前污水管线1内水泥风干硬化程度的实时状态进行确认，并可基于实时硬度值与预设条件硬度值之间存在的差别判断是否对钻机2打桩位置和工作参数进行相应更改。

根据一种优选的实施方式，计算机单元3以其所集成在一起的显示模块向操作人员提供二维图像的显示，根据其所显示的可视化梯度模型，给出钻机2与污水管线1不同位置进行打桩时的工作参数(包括但不限于沉降速率、打桩时间点、竖向位移和管体直径等)。若现场面临参数较多且复杂，不能直观确定其钻机2所需工作参数，利用本发明前述优选方案，可视化梯度模型的二维图像的构建能够快速响应并以低带宽传输至专业人员或上级部门手中。计算机单元3也可给出钻机2与污水管线1不同位置进行打桩时的工作参数(包括但不限于沉降速率、打桩时间点、竖向位移和管体直径等)，根据计算机单元3中的预设条件，一一对比从而给出相应工作参数。所述预设条件是由基础钻机在不同水泥硬度的工作参数得出的(即通过公知常识或论文文献或实践过程得出的)。

具体的，所述钻机2与污水管线1可位于A、B和C位置进行打桩作业。

由于污水管线1上空间不会被水泥填满，其内部水泥在地心引力作用下表现为中间高两边低的拱形，所述A位置是指污水管线1上空间拱形的中间段。水泥的收缩过程只会产生微小的体积变化，不会出现大面积收缩，所以A位置不存在空隙。钻机2在A位置进行打桩作业时，按照正常打桩流程即可完成打桩。

所述B位置是指污水管线1上空间拱形的向内四分之一处。水泥在此段出现较小细缝，对钻机2打桩作业影响小，但需要处理，以防止出现意外事故。处理方法例如，回填法：采用不同的回填材料进行回填，夯实至设计标高后，进行灌注桩的施工。具体地，采用正常打桩方法施工，当钻穿污水管线1上方土壤时，反复投入黄土和片石，利用钻头冲击将黄土和片石挤入污水管线1中，还可掺入水泥、烧碱和锯末，以增大孔壁的自稳能力。其中，片石、水泥和锯末(如果掺加)分层间隔掺加，回填高度达到污水管线1朝向钻孔往上1m。

所述C位置是指污水管线1上空间拱形的两端处。水泥在此段出现较大缝隙，对钻机2打桩作业影响大。钻机2击打到空心处容易导致桩机陷入污水管线1内，引起连锁反应，导致桩位附近发生塌方。对此，处理方法例如，冲孔填充片石黄土挤密法：桩型采用冲孔桩，当冲击头冲破防空洞顶板后，拨出冲击头再分别用黄土和片石回填至孔内，利用冲击头锤击将回填土及片石挤压至污水管线1四周，反复回填挤压直至污水管线1填满，在确保成孔后继续往下冲孔至设计标高；灌填加固法：采用低强度等级水泥砂浆填满污水管线1剩余空间后，再采用冲孔成桩。具体做法是采用钻机钻穿污水管线1上空间拱形缝隙处，从钻孔伸入注浆管(注浆管需插入最低部)，对污水管线1灌注低强度等级的水泥砂浆以封堵。注浆时需要边注浆边缓慢上提，提管速度不宜太快，根据注浆速度确定，应使渗透半径控制在允许范围内。灌填后，再采用冲孔灌注桩。此外，为防止水泥砂浆流失太远造成浪费，采用间歇注浆方式，使得先注入的水泥砂浆初步达到胶结后再注浆，循环注浆多次，直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。

整个基于水泥硬度的回转钻机施工方法的实体施工步骤为

(S1)施工前对施工区域内的污水管线进行勘察、定位和测量，得出污水管线1的分布位置、内管径、污水流动路径和掩埋深度等信息。

(S2)根据勘察到的信息确定其污水管线需要封堵的上游位置并且于交汇井各入水口进行封堵。将水泥由上游污水管线入水口处灌入以封堵整个污水管线1。

(S3)于污水管线井口和污水管线末尾放入检测部件检测相关信息，当水泥注满施工区域内污水管线，停止注入工作。

(S4)位于污水管线井口和污水管线末尾的检测部件将检测到的相关信息发送至计算机单元，得出水泥硬度信息。

(S5)计算机单元根据收集到的污水管线状态信息建立可视化模型并基于污水管线内水泥硬度信息建立可视化梯度模型。

(S6)计算机单元或技术人员根据可视化梯度模型给出钻机在污水管线不同位置进行打桩时，需要的沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。

(S7)钻机再根据计算机单元或技术人员给出的工作参数开始切割污水管线。

为了便于理解，将本发明一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法的工作原理和使用方法进行论述。

1.首先施工前对施工区域内的污水管线1进行勘察、定位和测量，得出污水管线1的分布位置、内管径、污水流动路径和掩埋深度等信息。根据勘察到的信息确定其污水管线1需要封堵的上游位置并且于交汇井各入水口进行封堵。将水泥由上游污水管线1入水口处灌入以封堵整个污水管线1。

针对在施工过程中污水管线1切割时污水泄漏问题，本实施例通过对污水管线井口1O1进行水泥注入使得地质不会因污水泄漏而坍塌，保证施工的顺利进行。同时，借用水泥封堵，不用派遣施工人员下井封堵，保障了人员安全，提高了施工效率。

2.于污水管线井口101和污水管线末尾102放入检测部件103检测相关信息，当水泥注满施工区域内污水管线1，停止注入工作。位于污水管线井口101和污水管线末尾102的检测部件103将检测到的相关信息发送至计算机单元3，得出水泥硬度信息。计算机单元3根据收集到的污水管线1状态信息建立可视化模型并基于污水管线1内水泥硬度信息建立可视化梯度模型。

针对前述对污水管线井口101进行水泥注入的施工方法，由于其注入水泥导致在钻机2切割污水管线1时需要考虑沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数，本实施例提供了一种优选实施方式。计算机单元3基于污水管线1状态信息建立可视化模型并且基于位于污水管线井口101和污水管线末尾102的检测部件103发出的污水管线1内的水泥硬度信息结合形成可视化梯度模型，给出其污水管线1各个位置各个时间水泥风干硬化程度以阶梯状分布图的方式显现出来。

此外，计算机单元3构建的可视化梯度模型可为基于第一方向X和第三方向Z所张开的平面的二维图像，使得运算量级降低，其构建速度和响应时间带来了几何级别降低，钻机2在污水管线1进行打桩时，能更快得出其不同打桩位置以及沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。

3.计算机单元3根据可视化梯度模型给出钻机2在污水管线1不同位置进行打桩时，需要的沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。钻机2再根据计算机单元3给出的工作参数开始切割污水管线1。

本发明使用水泥注入污水管线1的方式，与传统的派遣施工人员下到井内进行砌筑砖墙的方式相比，不需要下井作业，保证了施工人员的安全。同时对于注入水泥后，由于风干时间不同造成的水泥硬度不同对于钻机2在污水管线1不同位置进行打桩作业时的影响，做出了相关应对，即通过检查部件103和计算机单元3共同作用，以可视化梯度模型的方式显示出污水管线1内的水泥硬度并由计算机单元3或技术人员给出钻机2工作的相应工作参数。

在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，所述方法包括：

注入水泥至污水管线(1)中以封堵污水管线(1)；

基于污水管线(1)内的水泥硬度信息和污水管线(1)状态信息建立可视化梯度模型；

根据可视化梯度模型给出钻机(2)在不同打桩处工作时所需工作参数。

2.如权利要求1所述的基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，所述水泥是通过污水管线井口(101)注入污水管线(1)中的。

3.如权利要求2所述的基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，其中所述水泥硬度信息至少通过装设在污水管线井口(101)和污水管线末尾(102)的检测部件(103)得到。

4.如权利要求3所述的基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，其中所述污水管线(1)状态信息包括污水管线的分布位置、管径、排放路径和掩埋深度。

5.如权利要求4所述的基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，基于所述污水管线(1)状态信息获得模型元素的几何值，结合预设条件生成可视化模型，

基于所述污水管线(1)内的水泥硬度信息，对污水管线(1)封堵水泥硬度在所述可视化模型中以其时间维度和空间维度的不同，进行梯度显示。

6.如权利要求5所述的基于水泥硬度的回转钻机施工方法，其特征在于，基于所述可视化梯度模型给出钻机(2)在所述污水管线(1)不同位置进行打桩时，需要的沉降速率、竖向位移和管体直径。

7.一种基于水泥硬度的回转钻机施工系统，其特征在于，至少包括钻机(2)、检测部件(103)和计算机单元(3)，

所述计算机单元(3)用于构建可视化模型和分析位于污水管线井口(101)和污水管线末尾(102)的检测部件(103)发出的信息，

所述计算机单元(3)基于污水管线(1)状态信息建立可视化模型，

所述计算机单元(3)基于所述污水管线(1)内的水泥硬度信息和可视化模型建立可视化梯度模型，

所述计算机单元(3)根据可视化梯度模型给出钻机(2)在不同打桩处工作时所需工作参数。

8.如权利要求7所述的基于水泥硬度的回转钻机施工系统，其特征在于，所述污水管线(1)状态信息由施工前对施工区域内的污水管线(1)进行勘察、定位、查询和计算得到，

所述污水管线(1)内的水泥硬度信息是由位于污水管线井口(101)和污水管线末尾(102)的检测部件(103)检测出相关信息发送至所述计算机单元(3)，再得出所述水泥硬度信息。

9.如权利要求8所述的基于水泥硬度的回转钻机施工系统，其特征在于，所述可视化梯度模型中的梯度是以随污水管线(1)内水泥时间维度和空间维度的改变来设定的。

10.如权利要求9所述的基于水泥硬度的回转钻机施工系统，其特征在于，所述计算机单元(3)基于所述可视化梯度模型给出钻机(2)在所述污水管线(1)不同位置进行打桩时，需要的沉降速率、竖向位移和管体直径等工作参数。

Images