具体实施方式

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种旋挖桩孔垂直度随钻测量方法，该方法通过随钻测量装置和上位机，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，并通过上位机内置算法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，将桩孔孔身三维轨迹进行水平投影即可获得桩孔水平偏斜距离与偏斜方向，从而实现对大直径深灌注桩孔垂直度的高精度实时监测，进而通过指导施工操作，保证大直径深孔灌注桩的整体质量。此方法还可用于科学钻探、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，本发明所采用的测量系统包括随钻测量装置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。通过GPS授时，实现多传感器的采集数据的时间轴同步，并通过姿态角与顶角、方位角转换计算，生成孔身轨迹；再将轨迹在水平面投影，得到最大水平偏移量，从而实现桩孔垂直度的检测。具体检测方法如下：

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、随钻无线传输模块、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(根据给定测量频率实现一定时间间隔的数据的采集并形成各对应时间点的数据数组)，随钻存储单元实现对各数据数组的存储记录，随钻计算单元通过随钻无线传输模块结合天线10将存储数据无线传输到上位机5，上位机5通过内置桩孔孔身三维轨迹算法程序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。根据施工要求在上位机5内设定符合要求的测点水平偏移量阀值d_lmt(d_lmt等于桩孔垂向深度L与设定的桩孔垂直度阀值的乘积)，上位机接收到测量数据后，通过内置算法实现陀螺仪姿态数据与桩孔顶角、方位角的转换，并通过显示屏输出桩孔孔身三维轨迹6与轨迹水平投影7，并通过判断轨迹水平投影是否包含于以过孔口(第一个测点c₀)的竖直直线为中心轴，以测点水平偏移量阀值d_lmt为半径的圆内，指导下一回次是否修孔，从而实现每回次桩孔轨迹的实时监测，当桩孔水平偏移量超出阀值时给出提醒，指导操作人员及时进行垂直度修正作业。

桩孔孔身三维轨迹算法：

1.测段长度获取：将随钻测量装置3固定在旋挖钻头2上，保证随钻测量装置3与旋挖钻头的相对位置固定，随钻测量装置3将加速度计测获的加速度a对数据采集周期t(例如数据采集频率为100Hz时对应的数据采集周期t＝10ms)进行双重积分计算，得到测段长度S，具体计算过程如下：

旋挖钻头2静置在孔口处时，随钻测量装置3的初始速度v₀＝0、时刻为t₀，下一时刻t₁＝t₀+t对应的速度为v₁，以此类推，时刻t_i＝t₀+t*i，i＝0,1，…n对应的速度为测段长度S_i为时刻t_i-1到时刻t_i所对应的时间段内随钻测量装置3的位移，

2.姿态角度获取：姿态角度包括陀螺仪检测到的随钻测量装置3基于自身三轴坐标系的x、y轴自转动角度θ₁和θ₂，而z轴由于起下钻过程中伸缩钻杆不发生周向旋转而不旋转；当每一回次结束，旋挖钻头提到地表，通过蓝牙无线传输，将随钻测量装置采集的转动角度数据发送给上位机5；

3.顶角、方位角计算：当x、y轴自转动一定角度θ₁和θ₂后，z轴产生一定的偏转，z轴偏转后的方向与竖直方向的夹角φ称为顶角，z轴偏转后的方向相对于磁北方向的角度称为方位角，θ₁、θ₂与φ、通过空间几何变换可建立等式关系，通过等式关系在上位机5内置角度转化程序，根据x、y轴转动角度θ₁和θ₂，结合电子罗盘标定的陀螺仪y轴相对于磁北方向的偏角即可计算出各个测点的φ与具体的计算公式如下：

根据上述计算方法，测点c_i处的顶角φ_i由下式计算：

测点c_i处的方位角由下式计算：

4.根据测段长度、顶角与方位角数据，通过上位机内置校正平均角法程序实现孔身轨迹每个测点的位置坐标计算，并在上位机显示屏显示桩孔孔身三维轨迹6、轨迹水平投影7和桩孔垂直度，旋挖桩孔垂直度＝d_max/L(其中d_max为测点水平偏移量最大值，L为桩孔垂向深度)；具体的计算过程如下：

先通过钻孔测段长度、顶角和方位角，计算出每个测点在北和东方向以及垂直方向上的坐标增量(△N_i、△E_i和△D_i)；然后进行数学累加，得到每个测点的坐标值；再将各测点连接成1条轨迹曲线，其中测点为根据仪器给定数据采集频率以一定时间间隔t(即数据采集周期)采集传感器数据的时刻所对应的仪器上相对固定一点的空间位置。设定从孔口到孔底各测点c_i的三维坐标分别为c₀(x₀，y₀，z₀)、c₁(x₁，y₁，z₁)、…c_i(x_i，y_i，z_i)…c_n(x_n，y_n，z_n)，相邻的两测点之间的连接线段为一个测段，则对应的c₀与c₁之间的直线距离为测段长度S₁，c₁与c₂之间的直线距离为测段长度S₂，c_i-1与c_i之间的直线距离为测段长度S_i；各测段对应的△N_i、△E_i和△D_i分别为：

根据计算各测点三维坐标并形成轨迹曲线。

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

表2上位机解算得到数据

本发明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。考虑灌注桩孔对垂直度监测精度的高要求，采用桩孔孔身三维轨迹水平投影法标定桩孔垂直度阀值的方案，相对于直接测量孔斜的方案，可以实现桩孔垂直度的每回次监测和桩孔偏斜方位的计算，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。