CN216717360U - 一种旋挖桩孔垂直度测量装置 - Google Patents

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梁健
李宽
李鑫淼
吴纪修
王志刚
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Abstract

一种旋挖桩孔垂直度测量装置,包括上位机和随钻测量装置,所述随钻测量装置包括固定在旋挖钻头上的外壳和设置在外壳内的随钻计算单元、随钻存储单元、电子罗盘、陀螺仪、加速度计和随钻通信模块,所述随钻存储单元与随钻计算单元的通信接口连接,所述电子罗盘、陀螺仪和加速度计的信号输出端与随钻计算单元的输入端口连接,所述随钻通信模块与随钻计算单元的通信接口连接并通过通信电缆或无线网络向上位机传送测量信息。本实用新型利用随钻测量装置采集桩孔姿态数据,利用上位机计算桩孔轨迹,进而得到桩孔垂直度,既能给出桩孔各倾斜角度,也能监测桩孔偏斜距离与偏斜方向,因此能够很好地指导后续的修孔工作,保证大直径深孔灌注桩的整体质量。

Description

一种旋挖桩孔垂直度测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种适用于大直径、深旋挖桩孔的垂直度高精度测量装置,属于测量技术领域。
背景技术
随着我国交通与城市现代化建设的快速发展,高速铁路、高架桥和高层建筑的修建对桩基础承载能力的要求越来越高,桩孔深度与桩孔直径越来越大,对桩孔垂直度的要求也越来越高,桩孔孔斜过大导致穿孔、桩承载力下降而报废的问题时有发生。对大直径深灌注桩孔的垂直度进行高精度实时监测,对指导施工操作,保证大直径深孔灌注桩的整体质量具有重要意义。
常规的旋挖灌注桩成孔垂直度检测方法主要包括超声波法和接触式仪器组合法。超声波法要求被检测孔径(槽宽)应不小于0.5m,不大于5.0m,检测过程中探头升降速度不宜大于10m/min,而且需要在钻孔清孔完毕,孔中泥浆内气泡基本消散后才能进行检测,导致其时效性较差。接触式仪器组合法也需要在钻孔清孔完毕后进行测试,检测过程中探头升降速度不宜大于10m/min,同样存在时效性差的问题。考虑到泥浆静压与无线信号衰减的影响,常规随钻测斜技术无法直接应用于旋挖灌注桩孔的井斜检测。申请号为CN201110172906.8的中国专利公开了一种旋挖钻机的钻孔监测系统及其监测方法,其缺点是只能实现桩孔倾斜角度的测量,并不能监测桩孔偏斜距离与偏斜方向,因此不能很好地指导后续的修孔工作。
综上所述,目前还没有一种适用于大直径深灌注桩孔垂直度的高精度实时监测装置,现有的检测装置难以实现桩孔垂直度的实时监测与质量控制,不能满足桩孔垂直度的监测需求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术之弊端,提供一种旋挖桩孔垂直度测量装置,以实现对大直径深灌注桩孔垂直度的高精度实时监测,保证大直径深孔灌注桩的施工质量。
本实用新型所述问题是以下述技术方案解决的:
一种旋挖桩孔垂直度测量装置,包括设置在地面上的上位机和固定在旋挖钻头上的随钻测量装置,所述随钻测量装置包括固定在旋挖钻头上的外壳和设置在外壳内的随钻计算单元、随钻存储单元、电子罗盘、陀螺仪、加速度计和随钻通信模块,所述随钻存储单元与随钻计算单元的通信接口连接,所述电子罗盘、陀螺仪和加速度计的信号输出端与随钻计算单元的输入端口连接,所述随钻通信模块与随钻计算单元的通信接口连接并通过通信电缆或无线网络向上位机传送测量信息。
上述旋挖桩孔垂直度测量装置,所述上位机包括上位计算单元以及与上位计算单元连接的上位存储单元、按键模块、LCD液晶显示模块和上位通信模块,所述上位通信模块通过通信电缆或无线网络接收随钻测量装置传送的测量信息。
上述旋挖桩孔垂直度测量装置,所述随钻通信模块和上位通信模块均为蓝牙模块,随钻测量装置的蓝牙模块通过安装在外壳上的天线向上位机传送测量信息。
上述旋挖桩孔垂直度测量装置,所述随钻测量装置和上位机均由电池供电,在随钻测量装置的外壳上设有航空插头和电源开关,随钻测量装置内部的供电电池通过航空插头与外部充电设备连接,所述电源开关串接在随钻测量装置的供电回路中。
上述旋挖桩孔垂直度测量装置,所述随钻测量装置贴靠在旋挖钻头上部的钻头方头的侧面上并通过捆绑机构固定,所述通过捆绑机构包括钢丝绳和花篮螺丝,所述钢丝绳穿过随钻测量装置外壳两侧的定位孔件并环绕钻头方头,钢丝绳的两端通过花篮螺丝连接,从而可通过调节花篮螺丝的长度将钢丝绳拉紧。
上述旋挖桩孔垂直度测量装置,所述随钻测量装置位于旋挖钻头侧壁上部的窗孔内并贴靠在旋挖钻头的顶板内侧,在随钻测量装置的下部设有与旋挖钻头固定连接的托架,在托架上设有顶紧螺栓,所述顶紧螺栓通过螺纹与托架配合并顶在随钻测量装置的下表面。
本实用新型利用固定在旋挖钻头上的随钻测量装置采集和存储桩孔各测段姿态数据,利用上位机根据桩孔各测段姿态数据计算出桩孔轨迹,进而得到桩孔垂直度,该装置既能给出桩孔各测段的倾斜角度,也能监测桩孔偏斜距离与偏斜方向,因此能够很好地指导后续的修孔工作,保证大直径深孔灌注桩的整体质量。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
图1是本实用新型的旋挖桩孔垂直度随钻测量原理图,其中图1(a)是测量系统的安装示意图,图1(b)是旋挖桩孔垂直度计算原理图;
图2是随钻测量装置的结构示意图,其中图2(a)是主视图,图2(b)是俯视图;
图3是测量系统的电原理框图;
图4是实际桩孔中钻头受井壁横向力示意图;
图5(a)和图5(b)是随钻测量装置的两种固定位置示意图;
图6(a)和图6(b)是随钻测量装置的两种固定方法示意图;
图7(a)至图7(d)是根据校正平均角法计算得到的各测点三维坐标绘制的桩孔轨迹。
图中各标号为:1、伸缩钻杆,2、旋挖钻头,2-1、钻头方头,2-2、旋挖钻头侧壁,3、随钻测量装置,4、桩孔,5、上位机,6、桩孔孔身三维轨迹,7、轨迹水平投影,8、航空插头,9、电源开关,10、天线,11、定位孔件,12、钢丝绳,13、卡头,14、花篮螺丝,15、窗孔,16、顶紧螺栓,17、托架。
具体实施方式
针对现有技术中存在的问题,本实用新型提供了一种旋挖桩孔垂直度测量装置,该包括随钻测量装置和上位机,随钻测量装置实现每回次桩孔各测段姿态数据的测量及数据存储,随钻测量装置存储的数据通过蓝牙无线传输方式上传到上位机,由上位机实现桩孔姿态数据与孔斜、方位角的转化及桩孔轨迹的可视化输出,进而获得桩孔水平偏斜距离与偏斜方向,实现对大直径深灌注桩孔垂直度的高精度实时监测。此装置还可用于科学钻探、定向钻探及水平孔钻探中的井眼轨迹及相关关键参数的检测。
参看图1至图7,本实用新型包括随钻测量装置3和上位机5,旋挖钻头2通过十字铰接于伸缩钻杆1下端,随钻测量装置3固定在旋挖钻头2上端内部或钻头方头2-1侧面上并与旋挖钻头2不发生相对运动,伸缩钻杆1伸长将旋挖钻头2带入桩孔4,且在桩孔4与旋挖钻头2之间有一定孔壁间隙。
由于桩孔在成孔过程中存在孔径扩大率,因此实际桩孔为理论桩孔(竖直圆柱)的扩展,即在测量过程中,如果理论桩孔包含在实际桩孔内,则起下钻过程中,孔壁对旋挖钻头无横向力,最终测量得到的桩孔轨迹为一条竖直直线,满足垂直度要求;若由于地层或操作等因素影响而导致桩孔产生一定偏斜,则在起下钻过程中,旋挖钻头将贴在孔壁上且孔壁将对旋挖钻头产生横向力而使旋挖钻头一直保持与旋挖钻头所在孔段的轴向一致,从而实现旋挖钻头内随钻测量装置3对旋挖钻头所通过孔段的轴线姿态的数据收集,为桩孔实际孔身轨迹测量提供数据。
上位机包括上位计算单元以及与上位计算单元连接的上位存储单元、按键模块、LCD液晶显示模块和上位通信模块,上位通信模块通过通信电缆或无线网络接收随钻测量装置传送的测量信息(通过无线网络接收测量信息更加方便)。随钻测量装置3主要由陀螺仪、加速度计、电子罗盘、随钻计算单元、随钻存储单元、随钻通信模块、随钻电池(图中未画出)、航空插头8、天线10、外壳、定位孔件11、电源开关9组成,各功能模块固定在外壳内部,随钻电池为各功能模块供电并通过航空插头8实现对自身的充电,陀螺仪实现随钻测量装置3基于三轴坐标系的各轴方向的转动量检测,加速度计实现装置自身加速度检测,电子罗盘标定陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏斜角度,随钻计算单元实现对陀螺仪、加速度计、电子罗盘测获数据的整理,随钻存储单元实现对各数据数组的存储记录,随钻通信模块为蓝牙模块,随钻计算单元通过蓝牙模块结合天线10将存储数据无线传输到上位机5,上位机5计算出桩孔轨迹并在显示屏上显示输出,随钻测量装置3的外壳上设有用于装置内部供电的电源开关9,外壳采用合金材料制成并通过在壳体与盖板之间设置密封圈实现防水密封。
随钻测量装置固定方案1:通过在钻头方头2-1侧面设置捆绑机构实现随钻测量装置与旋挖钻头的固定,保证随钻测量装置与旋挖钻头的相对位置固定,从而实现检测旋挖钻头偏移姿态角度。捆绑机构包括钢丝绳12、卡头13、花篮螺丝14,将随钻测量装置端面贴在钻头方头2-1侧面上,钢丝绳12穿过定位孔件11的通孔,将随钻测量装置捆绑在钻头方头2-1上,钢丝绳12的两端分别穿过花篮螺丝14两端的圆孔并翻折180°后用卡头13卡紧,最后通过调节花篮螺丝14轴向长度将钢丝绳拉紧,将随钻测量装置捆绑在钻头方头2-1上,实现随钻测量装置3的固定,其中花篮螺丝14也可以替换为棘轮收紧器等具有拉紧作用的装置。
随钻测量装置固定方案2:在旋挖钻头侧壁2-2上部位置加工窗孔15,并在窗孔15内部焊接固定托架17,随钻测量装置3放置在托架17上,并通过托架17底部的顶紧螺栓16将随钻测量装置顶紧在旋挖钻头的顶板内侧,保证随钻测量装置与旋挖钻头的相对位置固定,从而实现检测旋挖钻头偏移姿态角度。
实施例:将随钻测量装置3通过固定方案1或固定方案2与旋挖钻头固定,随着伸缩钻杆下到某桩孔底部并上提到地表,采集相关信息如表1所示,其中A为测量时序号,记录各存储数据所对应的测量时刻;B~D为加速度计测获各轴向加速度值,E~G为陀螺仪测获各轴转动角速度,H~J为陀螺仪各轴绕自身转动角度,K为随钻测量装置显示电量,L为计算单元内置电子罗盘测得的陀螺仪y轴与地磁北极方向角度。,通过上位机计算出测段长度S、顶角φ与方位角
Figure BDA0003183385580000052
数据,根据S_sum=S1+S2+…+Sn,可计算出第n个测段对应的孔深S_sum,各测段对应的孔深S_sum、顶角φ与方位角
Figure BDA0003183385580000053
数据如表2所示。根据上述数据,采用校正平均角法计算得到各测点三维坐标并绘制桩孔轨迹及计算相关轨迹参数如图7所示。
表1采集原始信息
Figure BDA0003183385580000051
Figure BDA0003183385580000061
表2上位机解算得到数据
Figure BDA0003183385580000062
Figure BDA0003183385580000071
本实用新型充分考虑并利用旋挖灌注桩孔每回次提钻取心的施工特点,采用孔内测井数据采集、存储,地表回传,实现回次监测的“随钻测斜”方案,具有更高的经济性与可行性。相对于直接测量孔斜的方案,本装置可以实现桩孔垂直度的每回次监测和桩孔偏斜方位的测量,同时对井斜、方位角测量的传感器精度要求更低,降低了测量成本,提高了最终测量精度。

Claims (5)

1.一种旋挖桩孔垂直度测量装置,其特征是,包括设置在地面上的上位机(5)和固定在旋挖钻头(2)上的随钻测量装置(3),所述随钻测量装置(3)包括固定在旋挖钻头(2)上的外壳和设置在外壳内的随钻计算单元、随钻存储单元、电子罗盘、陀螺仪、加速度计和随钻通信模块,所述随钻存储单元与随钻计算单元的通信接口连接,所述电子罗盘、陀螺仪和加速度计的信号输出端与随钻计算单元的输入端口连接,所述随钻通信模块与随钻计算单元的通信接口连接并通过通信电缆或无线网络向上位机(5)传送测量信息;
所述随钻测量装置(3)贴靠在旋挖钻头(2)上部的钻头方头(2-1)的侧面上并通过捆绑机构固定,所述通过捆绑机构包括钢丝绳(12)和花篮螺丝(14),所述钢丝绳(12)穿过随钻测量装置(3)外壳两侧的定位孔件(11)并环绕钻头方头(2-1),钢丝绳(12)的两端通过花篮螺丝(14)连接,从而可通过调节花篮螺丝(14)的长度将钢丝绳(12)拉紧。
2.根据权利要求1所述的一种旋挖桩孔垂直度测量装置,其特征是,所述上位机(5)包括上位计算单元以及与上位计算单元连接的上位存储单元、按键模块、LCD液晶显示模块和上位通信模块,所述上位通信模块通过通信电缆或无线网络接收随钻测量装置传送的测量信息。
3.根据权利要求1所述的一种旋挖桩孔垂直度测量装置,其特征是,所述随钻通信模块和上位通信模块均为蓝牙模块,随钻测量装置(3)的蓝牙模块通过安装在外壳上的天线(10)向上位机(5)传送测量信息。
4.根据权利要求1所述的一种旋挖桩孔垂直度测量装置,其特征是,所述随钻测量装置(3)和上位机均由电池供电,在随钻测量装置(3)的外壳上设有航空插头(8)和电源开关(9),随钻测量装置(3)内部的供电电池通过航空插头(8)与外部充电设备连接,所述电源开关(9)串接在随钻测量装置(3)的供电回路中。
5.根据权利要求1所述的一种旋挖桩孔垂直度测量装置,其特征是,所述随钻测量装置(3)位于旋挖钻头侧壁(2-2)上部的窗孔(15)内并贴靠在旋挖钻头(2)的顶板内侧,在随钻测量装置(3)的下部设有与旋挖钻头(2)固定连接的托架(17),在托架(17)上设有顶紧螺栓(16),所述顶紧螺栓(16)通过螺纹与托架(17)配合并顶在随钻测量装置(3)的下表面。
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