大直径钻孔桩智能钻孔系统研究

鄢盛华，李国平，佟 丹，刘 策，李舸争

（1.中铁大桥局集团有限公司机械化施工分公司，湖北 武汉 430050；2.昆山哈伯希尔能源科技有限公司，江苏 昆山 215300）

1 研究背景

钻孔灌注桩是各种桥梁、风电等基础工程主要的组成部分，施工过程中经常会发生缩径、扩孔和垂直度超标等现象。此外，由于钻孔位置的地层地质构造的复杂性，也会钻遇地下暗河、溶洞等特殊地质结构，因此桩基孔检测至关重要。传统的桩基孔检测是在钻孔完成，利用检测仪器对成孔进行扫描，取得桩基孔的几何数据。这种“事后检测”虽然能获得成孔的几何形状和几何尺寸，但无法提供实时在线检测的各种参数数据，进一步地丧失了实时矫正钻孔缺陷的机会和可能性。当检测结果显示成孔质量不符合设计要求，需要重新安装钻机设备，对成孔进行返工矫正，施工成本增大，拖延施工工期，情况严重甚至废弃已经完工的桩基孔。现有技术装备不具备钻井实时探测桩基孔工程质量以及实时评价井周地质构造的功能。钻机及井下钻孔设备不具有对缺陷桩孔进行智能矫正的能力。

为保证灌注桩钻孔质量，特别是大直径钻机，急需配套一种技术先进、可靠性好的成孔质量在线监测装备。对桩基孔钻孔质量进行实时监测，及时掌握桩基孔钻孔施工的工程质量。进一步为桩基孔的几何形状和几何尺寸进行矫正提供依据，保障成孔质量。

2 钻孔实时检测技术及装备

钻孔实时检测技术主要包括桩基孔几何参数实时测量、桩基孔井周地质参数实时探测、井下/地面双向无线通讯技术及装备（图1）、地面系统软件（图2）、信号与数据处理、桩基孔钻孔施工实时评价技术等。

图1 井下探测仪器

2.1 桩基孔钻孔几何参数实时测量

图2 系统界面

主要包括井下垂直度实时检测、钻孔井径实时测量、钻孔深度自动测量、井下震动、转速实时监测等。

2.1.1 井下垂直度检测

目前，桩基孔钻孔测量的手段有：①在钻井过程中，利用更换钻具的时间窗口，使用铅锤法，多次测量钻杆的垂直度（偏移量）；②在完成钻孔后，将工程钻机移开井位，使用铅锤法在井周多点测量井壁垂直度。

本文应用三轴重力加速度计构成垂直度探测单元，安装在靠近钻头部位。实时测量比对三维地球重力场，获得钻头与重力场Z轴垂直线的夹角（图3），随着桩基孔钻孔深度的增加，累计测量值绘制实际井眼垂直度变化曲线，评价桩基孔钻井施工的垂直度。

图3 垂直度测量

该方案有别于铅锤法测量垂直度的方法，先进性在于：①实时测量数据，获取地球重力场Z轴绝对值，保证测量数据的真实性；②测量并比对桩基孔母线地球重力场偏角；③便于施工作业过程中及时发现钻孔质量问题，及时采取井控措施。

2.1.2 钻孔井径实时测量

目前的检测手段是：完成钻井后，钻机移开井位，下放电缆式超声波井径探测仪，提升扫描测量桩基孔X-Y方向井径值。

本文使用多个非接触式超声波井眼直径测量探测器，安装固定在钻头上。在桩基孔钻孔的过程中实时探测井眼几何尺寸。设计专用探测器满足在泥浆密度≤1.3g/cm3等钻井条件的井径测量。累计全井筒井径测量值，绘制桩基孔孔形包络图（图4），真实反映钻孔工程尺寸。

图4 井径包络图

相对于现有技术而言，其测量精度由于X-Y双向井径测量；井周扫描检测获得较为完整的真实井周几何尺寸轮廓；多探头设计补偿井下受泥浆影响等因素。

上述各种探测器集中安装在密封、承压的不锈钢金属壳体内，满足桩基孔钻孔作业的耐压指标、抗震动、抗冲击、耐腐蚀等工程安全技术指标。

2.1.3 钻孔深度自动测量

钻孔深度自动测量主要通过重锤结绳测量法、间歇式人工测量井深等方法。系统解决方案是：实时记录钻机升降部件的往复运动位移，辅助钻机状态参数监测，剔除钻机无效升降行程，累加统计获得连续的实际钻井深度。

2.1.4 井下震动、转速实时监测

本文研究井下仪器模块样机设置加速度传感器、角速度传感器，测量井下钻具的震动、冲击参数和实际转速等。

2.2 桩基孔井周地质参数实时探测

通常桩基孔设计及施工目的在于钻遇坚硬地层，以获得灌注桩稳定地与基础地层（岩石）可靠锚定。尽管桩基钻孔布井设计都事先做过地质调查和探测，但是，灌注桩钻孔一般深度有限（一般不大于200m 深度），属于浅表地层钻井并且孔径较大，浅表地层构造复杂（例如：覆盖层、泥沙层、松散砾石等），常常钻遇地下溶洞、暗河、沙漏层等非均质地质构造，增加了桩孔钻井地层构造的不确定性。

为及时辨识钻遇地层地质构造，发现坚硬地层（岩石），提高桩基孔钻孔作业应对地质条件突变带来的施工风险，保证钻井质量、提高钻井功效。

在井下测量仪器模块内，设计并安装了“自然伽马”探测器。由于泥岩、砂岩、硬质岩石等具有不同的自然伽马API值。井下自然伽马探测，在钻井过程中，扫描探测实时钻遇地质环境，判断桩基孔井周地层及岩石分布，从而识别均质地层、沉积沙层、砾石堆积层、地下溶洞、暗河等地质特征，为桩基孔钻孔施工以及后续作业提供井周地质信息。

2.3 井下/地面双向无线通讯技术

该技术在桩基孔钻孔双向无线通讯做到了突破性研究和应用经理论计算与分析，选用低频和甚低频电磁波传输通讯。

无线通讯方案采用了偶极天线方式（图5）。现场实验证明，选用适当发射/接收频率，提高了穿透地层和水层的能力，获得良好的井下与地面的双向无线通讯成果。

图5 无线通讯原理

地面系统软件、信号与数据处理、桩基孔钻孔施工实时评价技术等依托井下实时采集数据，结合地面计算与处理构成良好的人机界面。

3 钻孔智能矫正技术及装备

1）从动式井下矫正器 根据井斜测量值，地面发出矫正指令，某个方位的井壁支撑板与桩孔井壁贴紧，对矫正器施加作用力，使桩孔钻具与井壁支撑板相反方向偏移，在钻机继续钻进的同时，进行桩孔井眼轨迹矫正。井下实时检测数据实时反馈、补偿井眼轨迹校正量。

2）主动式井下矫正器 根据井斜测量值，地面发出矫正指令，扶正器与井壁固定，某个方位的矫正止推板对钻具施加作用力，引导钻具偏移进行桩孔井眼轨迹矫正（图6、图7）。井下实时检测数据实时反馈、补偿井眼轨迹校正量。

图6 从动式井下矫正器

图7 主动式井下矫正器

桩基孔钻孔实时检测技术及装备与桩基孔钻孔智能矫正技术及装备的组合，实现了桩基孔钻孔装备“人工智能”化。将成为行业技术创新发展的关键与核心，补齐桥梁建设施工产业链的最后也是最关键的技术及装备短板。

4 钻孔可视化智能专家系统及装备

大型桥梁等基础设施建设是流动性很强的工程作业，工地分散。面对技术管理、工程管理、设备管理以及专家会诊现场技术难题时，有着客观的困难和解决方案实施的滞后。这样，带来了功效低、成本高、技术风险管控不利等因素。

在实现桩基孔钻孔实时检测、桩基孔井眼缺陷智能矫正的基础上，借助4G/5G 公共通讯网络平台以及施工现场可视化设备，搭建桩基孔钻孔施工可视化平台。

建立桩基孔钻孔实时检测数据收集、管理数据库，结合行业设备专家、工程施工专家、现场作业安全监督、桥梁基础设计专家、桥梁地质评价专家等高端人才智库，构成跨学科、综合性的集成设备、技术、管理、安全等多维度的智能专家系统（图8）。做到指挥中心全流程监控、指导现场作业，及时分析诊断现场各种问题，及时制定科学有效的施工方案等。

图8 可视化远程智能专家系统

5 结语

目前桩基孔钻孔实时检测技术及装备已在广州市南沙区万顷沙新垦镇南中高速通道项目洪奇门大桥18 号墩工地现场得到了初步的验证。该系统研究是灌注桩桩基孔钻孔行业先导性、原创性理论及技术研究与探索。其阶段性成果应用，充分发挥综合技术优势，对桩基孔钻孔施工作业、大型桥梁基础作业等起到非常重要的作用。该研究成果顺应制造产业升级、智能制造2025 等国家发展战略，对于行业新技术应用，补齐桥梁建设中基础施工技术落后的短板有着十分重要的意义。