一种应用于MJS工法的新型测斜装置

何 伦/HE Lun

（广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510228）

MJS 工法(Metro Jet System) 又称全方位高压喷射工法，最初是为了解决水平旋喷施工中的排浆和环境影响问题而开发出来的，之后由于其独特优势和工程需要，又应用到倾斜和垂直施工上。MJS工法在传统高压喷射注浆工艺的基础上，采用了独特的多孔管和前端造成装置，实现了孔内强制排浆和地内压力监测，并通过调整强制排浆量来控制地内压力，大幅度减少对环境的影响，而地内压力的降低也进一步保证了成桩直径。

随着MJS 工法的发展与不断完善，对加固体的成型质量以及分布区域的准确性要求越来越高，因此在实际的工法施工中确保成孔姿态符合设计标准显得尤为重要。根据过往加固项目的经验，常规的测斜工艺一直未能达到测量精度高、步骤简易化、操作智能化的标准，需通过繁琐的步骤才能完成该项工序，因此急需研发一款装置，实现MJS设备高精度智能化的动态测量管理。

1 常规MJS工法测斜工艺

1.1 常规测斜工序

前端装置带钻头通过主机步进进给，进入布桩孔口并利用主机带动钻头旋转切削土体执行该阶段。在该阶段中，因地层的性质会影响到成孔姿态，尤其在砂层施工过程中钻杆姿态变化幅度较大，因此主机操作手必须及时对钻杆姿态进行测斜工序，以掌握成孔姿态，其中垂直成孔一般在钻杆进尺到5m，10m，15m，25m 等时进行，水平成孔则需要以每钻杆进尺1.5m 的频率进行，并利用纠偏钻头及时纠偏，具体工序步骤如图1所示。

1.2 常规测斜设备及原理

垂直方向偏差测量仪器的测量原理为通过查看仪器显示器上测量杆插入钻孔的数据情况，利用测得的偏斜角度换算测定出每米成孔的垂直方向的倾斜数值；水平测斜仪器的测量原理为通过关闭排泥阀门，用倒吸水和倒吸空气把“排泥孔”清洗干净，然后通过把“发光体”从多孔管的排泥口处插入，根据从管口可见发光体的LED 灯的数量，反映成孔的水平偏差量。

1.3 常规工艺的缺点

1）影响施工效率 若单桩进尺30m 需进行4次以上的测斜工序，除此之外每次进尺到位后，必须重复测量记录，才能得到当前姿态参数，且该过程单桩至少多耗时87min。

2）反馈不直接 每次记录好测斜参数后，需通过角度公式计算才能绘制出姿态曲线图；

图1 常规测斜流程图

3）精度无法保证 在每次测量前都需要把“排泥孔”清洗干净，若不能保证清洗干净，就会对仪器测量的值产生影响，最终会导致测量精度的准确性。

图2、图3 是某项目摆喷160°MJS 水平桩作业的施工效率以及测斜偏移情况：完成常规成孔50m 预计需要耗时4.5d 时间，常规测斜方式最大累计偏移量达850mm，偏移率超过1.9%以上。

2 一种新型MJS工法测斜装置

2.1 MJS前端装置结构

MJS 前端装置为多孔管结构，主要由排泥部分、传感器部分、注浆部分、销孔部分4 大部分组成，各部分之间利用钻杆螺栓连接起来，MJS前端装置工法管内分布各类功能管路共计11 条，以满足MJS工法作业可控压力的高压旋喷的功能。

2.2 光纤陀螺测斜仪结构

测斜仪系统采用一体化的结构设计，内部组成包括电子线路单元及外围支撑结构。电子线路单元主要完成系统供电、惯性量采集、数据储存以及数据通信等；外围支撑结构为内部惯性元件与电子线路提供保护，为惯性测量器件提供安装点，并提供设备的对外机械接口和电气接口。外围支撑结构为全金属封闭外壳，外壳与底板盖板间用导电橡胶条接触连接，与圆形电连接器间用导电橡胶垫接触连接，具有良好的密封性和电磁兼容性，测斜系统的组成如图4 所示。

2.3 设计方案

为满足提高MJS 施工效率及姿态精度控制要求，具体设计方案为：为了实现系统的小型化与轻型化要求，台体采用最小化设计，内部其它部分采用模块化设计，其他部分的尺寸适应惯组的最小化要求；设计中采用精度优于0.3°/h 的光纤陀螺仪；电子线路单元按功能进行模块化设计。

实施方案是将光纤陀螺测斜仪设计连接在MJS 前端装置的注浆部分与削孔部分之间，其数据电缆通过预留孔牵出连接到主管理面板,设计结构如图5 所示。

2.4 实施细节

1）维修性方面 结构设计中考虑了惯性元件、线路板的可拆装性与互换性，系统采用模块化设计，每个模块具有相对独立的功能，能作为“可更换单元”在故障定位后更换。

图2 常规测斜装置水平桩天数统计图

图3 常规测斜装置累计偏斜量

图4 光纤陀螺测斜仪结构系统组成三维图

图5 新型测斜装置结构图示意图

2）测试性方面 设备各模块电路板上具有测试点，并提供测试点的技术参数及其特性，设备具备开机自检功能，可通过软件检测程序判定各模块工作是否正常。

3）安全性方面 光纤陀螺测斜仪用经济有效的方法满足安全性要求，提高其使用效能。

4）环境适应性方面 根据环境适应性指标和系统设计任务书的要求，对电气系统的温度、湿度、冲击振动、电磁干扰等承受能力进行相应设计。

5）温度适应性设计 发热元件靠近或紧贴外壳和底板安装，直接通过外壳和底板散热，缩短散热路径，增强散热效果；合理摆放测温元件，真实反映陀螺和加速度计周围温度及温度梯度，为系统温度补偿提供有效数据。

6）抗冲击振动设计 装置主要零部件通过仿真给出振动、冲击结果，依据仿真结果再对结构进行优化，争取以最简单可靠的结构满足总体提出的冲击振动指标，并设计冲击保护支架用于强冲击下的系统保护。

7）电磁兼容性设计 合理布局以减小内部线间干扰以及系统本身和外界环境之间的相互干扰。

3 应用效果

在某项目的摆喷160°MJS 水平成孔项目中，通过应用这种新型的测斜仪设备，优化MJS 工法桩的测斜工序，该装置可以实时反馈钻头的偏移数据，配合新型纠偏钻头及时进行纠偏，减少拔桩复测的环节，提高测斜精度，大大减少了测斜的时间，测斜及成桩效率得到较大地提升。经统计，该项目单根50m 水平MJS 工法桩的成桩时间平均能控制在3d 内，累计偏移量也得到了较好地改善，最大也能控制在500mm以内，偏斜率在1%范围内，具体功效数据如图6、图7 所示。

图6 新测斜装置应用水平桩天数统计图

图7 新测斜装置应用累计偏斜量

4 结语

该新型测斜装置的应用可以给MJS 工法桩施工带来以下几点效益。

1）减少目前因测斜步骤繁琐带来的时间耗损，提高施工效率。

2）主机手可实时监控成孔姿态，可减少回拔及故障，实现半自动化监控。

3）精度准确性高，实现成桩良好搭接，提高施工质量。O