一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统及监控方法与流程

本发明属于建筑机械技术领域，特别涉及一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统及监控方法。

背景技术：

长螺旋钻机作为一种桩基处理设备，主要应用于工程建设中的地基处理，比如搅拌桩、高压旋喷桩、挤密桩、砂桩、碎石桩、灌注桩、CFG桩等桩基的施工过程，为方便桩基施工过程的顺利进行，提高成桩合格率，故而基于长螺旋钻机开发了该桩基施工参数监控系统。传统的桩基施工过程中，打桩位置的确定主要依靠人工提前放线，对成桩位置信息没有实现信息化监控，该发明实现了成桩位置的信息化监控并可以生成桩基施工效果图，方便施工各方及管理人员对施工过程的监管。成桩过程中为确保单根桩的垂直度不超过1％，不能出现桅杆倾斜，传统施工方式为桩机就位后需先进行桅杆调垂，桅杆上有重力引线锤可以实现现场人为实时监测桅杆倾斜度。打桩深度主要依靠持力层电流确定，传统施工过程中需要现场配备一个施工记录员随时记录监测外接电流表的电流大小变化，进而确定钻杆是否钻进持力层，极大的降低了施工效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统及监控方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统，包括车载控制端、人机模块、信息采集模块和远程服务中心；车载控制端包括钻机控制处理模块和无线网络通信模块，人机模块、信息采集模块和远程服务中心均连接到钻机控制处理模块；钻机控制处理模块用于接收、处理、存储信息采集模块所传输过来的传感器信息，并将处理结果通过无线网络通信模块传输给远程服务器，同时将处理结果传输给人机模块；人机模块能够为钻机控制处理模块输入指令，同时能够显示施工信息与报警信息；信息采集模块用于监控长螺旋钻机施工现场的风速情况、打桩深度、打桩位置信息、长螺旋钻机桅杆的倾斜度、钻孔电流和长螺旋钻机倾斜度，并将施工参数传送给长螺旋钻机上的钻机控制处理模块；远程服务中心用于采集、处理和存储来自于钻机控制处理模块的信息，并通过无线网络通讯模块向钻机控制处理模块发送数据与指令。

进一步的，还包括电源模块、报警模块和移动终端；电源模块用于为车载控制端稳定供电；报警模块包括信号灯和蜂鸣器，信号灯和蜂鸣器的信号输入端分别与泵车钻机控制处理模块的信号输出端相连接；移动终端通过无线网络通讯模块接收来自钻机控制处理模块和远程服务中心的指令与数据。

进一步的，无线网络通信模块包括第一GPRS通信模块、第二GPRS通信模块和4G通讯模块，用于钻机控制处理模块与远程服务中心和移动终端之间的信息交互；4G通讯模块与钻机控制处理模块相连接；第一GPRS通信模块连接远程服务中心；第二GPRS通信模块连接安装在拖式混凝土泵车上的拖式混凝土泵车模块；拖式混凝土泵车模块包括第四GPRS通信模块和拖式混凝土泵车控制处理模块；第四GPRS通信模块和拖式混凝土泵车控制处理模块连接，第四GPRS通信模块和第二GPRS通信模块无线连接。

进一步的，人机模块包括触摸屏控制器和触摸屏；触摸屏控制器与泵车钻机控制处理模块相连接，触摸屏控制器能够与触摸屏之间相交互。

进一步的，信息采集模块包括风速仪、双倾角传感器、霍尔电流传感器、陀螺仪和北斗双天线定位模块；风速仪、双倾角传感器、霍尔电流传感器和陀螺仪均通过A/D转换器连接到钻机控制处理模块；北斗双天线定位模块用于监控钻机成桩位置信息和打桩深度信息；双倾角传感器用于监控钻机桅杆倾角；霍尔电流传感器用于监控钻孔电流；陀螺仪用于监控钻机机身姿态。

进一步的，远程服务中心包括WEB浏览器、服务器和第三GPRS通信模块；WEB浏览器、服务器和第三GPRS通信模块依次连接；第三GPRS通信模块与第一GPRS通信模块连接无线连接。

7、根据权利要求1所述的一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统，其特征在于，钻机控制处理模块为工控机；移动终端为加固型平板电脑和手机。

8、一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统的监控方法，基于上述中任一项所述的一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统，具体步骤包括：

步骤01，钻机控制处理模块通过无线网络通信模块接收外部指令；

步骤02，钻机在成桩过程中，信息采集模块采集到的各种传感器信息，通过长螺旋钻机控制处理模块分析、处理后得到长螺旋钻机施工现场的风速情况、成桩深度信息、打桩位置信息、桅杆的倾斜度、钻孔电流、钻机机身水平姿态、钻孔速度、拔管速度、钻孔开始时间、成孔时间、成桩时间、总时间，同时将上述信息通过钻机操作室内的的人机模块显示出来，该显示器与钻机控制处理模块通过有线连接。为方便现场施工管理人员的现场查看，现场施工管理人员可以通过下载特定的APP在安全距离内查看施工过程中的各项施工参数信息，该施工信息与钻机控制处理模块为无线通讯；

步骤03，钻机在成桩过程中，实时监控上述施工参数信息，当上述施工参数信息不满足施工要求时，需要通过报警模块语音提醒以及触摸屏显示相关报警信息，通知钻机操作手及时作出调整；

步骤04，当钻孔完成后，由钻机操作手凭借触摸屏通过该系统向泵车发送一个混凝土泵送指令，语音提醒以及触摸屏显示通知泵车操作手开始混凝土泵送，当成桩结束后，由钻机操作手凭借触摸屏通过该系统向泵车发送一个混凝土停止泵送指令，语音提醒以及触摸屏显示通知泵车操作手停止混凝土泵送；

步骤05，当成桩结束后，无线网络通讯模块将钻机控制处理模块处理得到的每根桩所对应的上述施工参数信息传递给远程服务中心，进而方便远程服务中心通过WEB浏览器对这些施工信息作出更好的管理。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明实现了对桩基施工过程中与长螺旋钻机相关施工参数的信息化监控，钻机控制处理模块将信息采集模块所得到的传感器数据信息分析、处理、存储后得到钻机施工现场的风速情况、成桩的位置信息、深度信息、持力层电流信息、桅杆倾角、桩机机身水平姿态、钻孔速度、拔管速度、钻孔开始时间、成孔时间、成桩时间、总时间等施工参数信息，并通过桩机平台上的显示器将成桩各项施工信息显示出来，方便现场施工人员的监测，单根桩灌注结束后，将这些处理后的传感器数据信息通过无线通讯模块上传至远程服务器。

对于钻机控制处理模块处理后所得到的需要现场报警的施工参数信息可以通过语音提醒以及触摸屏显示提醒钻机操作手。远程服务器对这些施工信息作进一步分析、处理、并对每根桩的施工信息进行备份。另外，远程服务器也可以根据处理结果通过无线通讯模块给钻机控制处理模块和移动终端发送指令和报警信息。任何移动终端可通过下载相应的APP查看这些施工信息，便于现场施工管理人员对施工关键信息的掌握，另外也方便施工管理人员对以往的施工数据进行查看和管理，从根本上解决桩基施工过程中监管不力的问题。移动终端与控制处理模块之间可以采用4G通信方式，与远程服务器可以采用GPRS或4G通信方式。

附图说明

图1是本发明专利的主体框架连接示意图。

图2是本发明专利的细化框架连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1-图2，一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统，包括车载控制端、人机模块、信息采集模块和远程服务中心；车载控制端包括钻机控制处理模块和无线网络通信模块，人机模块、信息采集模块和远程服务中心均连接到钻机控制处理模块；钻机控制处理模块用于接收、处理、存储信息采集模块所传输过来的传感器信息，并将处理结果实时在钻机操作室的触摸屏上显示出来，同时通过无线网络通信模块将每根桩所对应处理结果传输给远程服务中心；人机模块与加固型平板电脑不仅能够显示各项施工信息，同时可以显示钻机控制处理模块发送过来的各项报警信息，现场人员可以点击关闭报警提醒并且可以手动输入指令与数据；信息采集模块采集到的各项传感器信息通过钻机控制处理模块处理后可得到长螺旋钻机施工现场的风速情况，打桩深度、打桩位置信息、钻孔速度、拔管速度、桅杆的倾斜度、钻孔电流、长螺旋钻机机身水平姿态，钻孔开始时间、成孔时间、成桩时间、总时间，该系统对于单根桩所获取的钻孔开始时间、成孔时间、成桩时间、总时间主要为了方便相关管理人员对每根桩施工信息的管理，有效跟踪施工进度。钻机控制处理模块要通过GPRS通讯模块将每根桩所对应的上述施工信息上传给远程服务中心所对应的服务器，远程服务中心管理人员可以通过WEB浏览器访问服务器内存储的单根桩所对应的施工参数信息，远程服务中心并可以通过GPRS通讯模块和4G模块分别向钻机控制处理模块和移动终端发送指令和报警信息。需要进一步说明的是：根据相关规范，长螺旋钻机在施工现场风速达到六级时，钻机必须停止作业，为确保施工现场钻机未进行违规操作，本发明在钻机桅杆顶部安装了一个风速仪，用于监测施工现场的风速情况。钻机在施工过程中根据地质条件的不同，对钻孔速度也有要求，可以通过结合上述成桩深度的实时监测信息与时间信息通过特定算法计算得到。钻机在开始混凝土灌注时，为确保灌注桩每段的密实度，对拔管速度也有要求，拔管速度的实时监控可以通过上述钻孔速度的监控方式获得。为方便远程服务中心的管理人员对单根桩施工信息的管理，该系统需要获取每根灌注桩的开始钻孔时间、成孔时间、成桩时间、总时间。

还包括电源模块、报警模块和移动终端；电源模块用于为车载控制端稳定供电；报警模块包括信号灯和蜂鸣器，信号灯和蜂鸣器的信号输入端分别与泵车钻机控制处理模块的信号输出端相连接；移动终端通过无线网络通讯模块接收来自钻机控制处理模块和远程服务中心的指令与数据。

无线网络通信模块包括第一GPRS通信模块、第二GPRS通信模块和4G通讯模块，用于钻机控制处理模块与远程服务中心和移动终端之间的信息交互；4G通讯模块与钻机控制处理模块相连接；第一GPRS通信模块连接远程服务中心；第二GPRS通信模块连接安装在拖式混凝土泵车上的托式混凝土泵车模块；拖式混凝土泵车模块包括第四GPRS通信模块和拖式混凝土泵车控制处理模块；第四GPRS通信模块和拖式混凝土泵车控制处理模块连接，第四GPRS通信模块和第二GPRS通信模块无线连接。

人机模块包括触摸屏控制器和触摸屏；触摸屏控制器与泵车钻机控制处理模块相连接，触摸屏控制器能够与触摸屏之间相交互。该模块安装在钻机操作室内部，方便钻机操作手对施工参数的监控。

信息采集模块包括风速仪、双倾角传感器、霍尔电流传感器、陀螺仪和北斗双天线定位模块；风速仪、双倾角传感器、霍尔电流传感器和陀螺仪均通过A/D转换器连接到钻机控制处理模块；风速仪用于监控钻机施工现场的风速情况，根据相关施工规范，钻机在施工现场风速达到六级的情况下，必须停止作业；北斗双天线定位模块用于监控钻机成桩位置信息和打桩深度信息，其工作原理是北斗GNSS主天线、北斗GNSS副天线、参考站和PTK接收机一起协同工作从而监控得到成桩位置信息与成桩深度信息，北斗GNSS主天线、北斗GNSS副天线与PTK接收机安装在钻机上，参考站安装在比较空旷的地方，两者之间距离不能超过10公里，参考站通过卫星定位获得一个地理位置信息，钻机机身上的北斗GNSS主天线、北斗GNSS副天线通过卫星定位各自获得一个地理位置信息，PTK接收机获取参考站的位置信息，再结合钻机上的北斗GNSS主天线、北斗GNSS副天线的位置信息，PTK接收机通过差分算法运算便可以获得此时钻机精确的成桩位置信息和成桩深度位置；双倾角传感器用于监控钻机桅杆倾角保证特定的精度以防止倾斜桩的出现；霍尔电流传感器用于监控钻孔电流；陀螺仪用于监控钻机机身姿态保持特定精度以防机身倾覆。另外需要说明的是：钻机在施工过程中根据地质条件的不同，对钻孔速度也有要求，可以通过结合上述成桩深度的实时监测信息与时间信息通过特定算法计算得到；钻机在开始混凝土灌注时，为确保灌注桩每段的密实度，对拔管速度也有要求，拔管速度的实时监控可以通过类似上述钻孔速度的监控方式获得；再者，为了方便相关管理人员对每根桩施工信息的管理，有效跟踪施工进度，满足施工工艺要求，还需要获取每根灌注桩的开始钻孔时间、成孔时间、成桩时间、总时间，这些时间信息工控机很容易监测获取。

需要说明的是：该系统对于成桩位置信息的监控采用手动输入的方式，根据施工方提供的桩基位置信息，钻机操作手通过触摸屏手动输入施工方提供的单根桩具体位置信息，系统自动与北斗定位所监测到的单根桩位置信息进行比较，满足施工精度时钻机开始钻孔。

对于该系统，需要具有以下功能：当灌注桩灌注结束后，灌注桩混凝土实际灌注量低于理论混凝土灌注量(由操作人员从触摸屏输入)范围时，发出报警信号语音提醒以及触摸屏显示；钻杆进入持力层时，电流发生突变，系统自动记录电流大小，同时对钻机操作人员进行语音提醒以及触摸屏显示；钻杆进入持力层后，电流发生突变，随着钻孔深度的增加，电流大小开始呈减小趋势，这时该系统要发出报警信号语音提醒以及触摸屏显示提醒钻机操作手停止施工，由监理联系地质人员核查地质情况；当桅杆垂直度超过精度要求，为防止倾斜桩的出现确保施工质量，需要发送报警信息语音提醒以及触摸屏显示，提醒钻机操作手及时做出调整；钻机工作时机身姿态应尽可能处于水平状态，目的是防止机身倾覆的可能，当机身水平姿态倾斜度过大时，需要发出报警信号语音提醒触摸屏显示提醒钻机操作手及时作出调整；在钻孔过程中，根据地质条件的不同，对钻孔速度(由钻机操作人员从触摸屏输入)也有要求，超出范围发出报警信号语音提醒以及触摸屏显示提醒钻机操作手及时作出调整；在拔管过程中，为确保灌注桩身每段的灌注质量,保证桩身每段都有近似一致的密实度，需要严格监控钻杆的拔管速度，拔管速度(由钻机操作人员从触摸屏输入)应在2-3m/min范围内，超出范围发出报警信号语音、显示灯、触摸屏显示提醒钻机操作手及时作出调整；钻机在钻孔前，要先进行放线定位，若桩位位置超出位置精度范围，需要发出报警信号语音提醒以及触摸屏显示提醒钻机操作手及时作出调整；钻机在风速10.8m/s级(六级风)及以上时，需要发出大风报警信息语音提醒以及触摸屏显示提醒桩机操作手停止一切作业；当钻孔完成需要泵车开始泵送混凝土时以及成桩结束需要停止混凝土的泵送时，由钻机操作手或现场施工人员发送一个报警信息通过与泵车工控机所相连的信号灯和蜂鸣器语音提醒以及触摸屏显示提醒泵车操作手进行相应操作；现场异常时报警灯显示，触摸屏显示并且有伴有提示音，提示音可以用设备上的按键关闭；设备断电，备用电池工作时，报警灯显示，触摸屏和语音提示检查电源是不是插好，并上传设备供电状态；数据发送上传模块(4G/3G/GPRS)状态异常，报警灯显示，语音触摸屏提示网络不通检查网络，并上传设备状态到远程服务中心服务器；无线传感网络不能感知到，发出报警信息并上传到服务器，语音、触摸屏提示不在线传感设备便于操作人员检查传感器；设备供电正常、上传模块正常，无线传感器网络正常，触摸屏显示正常状态；现场故障按键按下时候，上传状态到服务器，相当于远程呼叫。

远程服务中心包括WEB浏览器、服务器和第三GPRS通信模块；WEB浏览器、服务器和第三GPRS通信模块依次连接；第三GPRS通信模块与第一GPRS通信模块连接无线连接。

钻机控制处理模块为工控机。

移动终端可以为加固型平板电脑也可以为手机。进一步的，该系统对于所有需要报警的信息皆采用语音提醒以及触摸屏显示提醒钻机操作手作出相应调整，并可手动点击关闭。

一种长螺旋钻机桩基施工参数监控系统的监控方法，包括以下步骤：

步骤01，钻机控制处理模块通过无线网络通信模块接收外部指令；

步骤02，钻机在成桩过程中，信息采集模块采集到的各种传感器信息，通过长螺旋钻机控制处理模块分析、处理后得到长螺旋钻机施工现场的风速情况、成桩深度信息、打桩位置信息、桅杆的倾斜度、钻孔电流、钻机机身水平姿态、钻孔速度、拔管速度、钻孔开始时间、成孔时间、成桩时间、总时间，同时将上述信息通过钻机操作室内的人机模块显示出来，该显示器与钻机控制处理模块通过有线连接。为方便现场施工管理人员的现场查看，现场施工管理人员可以通过加固型平板电脑下载特定的APP在安全距离内查看施工过程中的各项施工参数信息，该施工信息与钻机控制处理模块为无线通讯。

步骤03，钻机在成桩过程中，实时监控上述施工参数信息，当上述施工参数信息不满足施工要求时，需要通过报警模块语音提醒以及触摸屏显示相关报警信息，通知钻机操作手及时作出调整。

步骤04，当钻孔完成后，由钻机操作手凭借触摸屏通过该系统向泵车发送一个混凝土泵送指令，语音提醒以及触摸屏显示通知泵车操作手开始混凝土泵送，当成桩结束后，由钻机操作手凭借触摸屏通过该系统向泵车发送一个混凝土停止泵送指令，语音提醒以及触摸屏显示通知泵车操作手停止混凝土泵送。

步骤05，当成桩结束后，无线网络通讯模块将钻机控制处理模块处理得到的每根桩所对应的上述施工参数信息传递给远程服务中心，进而方便远程服务中心通过WEB浏览器对这些施工信息作出更好的管理。

信息采集模块中，风速仪主要用来监控钻机施工现场的风速情况，以免钻机操作手违规作业造成施工隐患，其安装在桅杆顶部；GNSS主定位天线、GNSS副定位天线、参考站以及北斗GNSS接收机主要实现对打桩位置的实时现场监测以及打桩深度的监测，桩基施工前首先需要进行人为放线确定打桩位置，传统施工过程中常常因为缺乏对桩基位置信息的实时监控，影响施工质量。该发明主要通过在长螺旋钻机上安装北斗GNSS接收机(双天线姿态仪)实现打桩位置信息的监测，其首先需要在施工地点附近安装一个参考站，为使参考站收到足够多数目的卫星信号,参考站应选择在空旷平地或者地势高处；一个参考站可供方圆10KM施工现场的工作站使用，参考站用于向工作站发射差分PTK数据，工作站处主要通过在钻杆动力头上安装一个主定位GNSS天线，在长螺旋钻机水平机身上安装一个副定位GNSS天线，然后再结合PTK接收机的定位算法的处理，进而得到精确的成桩位置信息；打桩深度也不再需要施工记录员根据钻杆上的标尺进行现场监测或者在卷扬机上安装深度传感器来实现，监测桩基位置信息的北斗定位系统可自动随时监测到打桩深度的变化；另外桩基施工过程中对于钻杆的钻孔速度和拔管速度也有要求，可以通过钻杆的深度变化以及时间信息分析处理得到钻杆的速度近似变化；长螺旋钻机在成桩过程中对桅杆的垂直度也有要求，桩机就位后，为避免成桩过程中出现倾斜桩的情况，一般先需要对桅杆进行现场调垂，成桩过程中也需要对桅杆的倾斜度进行实时监测，可以通过在桅杆上安装双倾角传感器来实现施工现场实时监测；长螺旋钻机在钻孔过程中为确保钻杆钻进持力层，需要对钻孔电流进行实时监控，可以通过安装霍尔电流传感器来实现，其安装在配电柜内，其线圈套在动力线上；钻机在施工过程中同样需要保证机身姿态处于调平状态，其目的为避免长螺旋钻机在施工过程中出现倾覆的可能，该监测主要通过在机身内部或外部安装陀螺仪来实现；另外，为方便远程服务中心对单根桩所对应的施工信息的有效管理以及对施工进度的有效监督，需要实时监测每根桩的开始钻孔时间、成孔时间、成桩时间、总时间，这些信息通过工控机的计时功能很容易实现，上述所有传感器采集到的信息需要监测的施工参数信息可以通过有线或无线方式传输给钻机控制处理模块，通过钻机控制处理模块分析、处理得到该监测系统需要获取的每根桩所对应的施工参数，并对处理结果存储。

控制处理模块为工控机，其用于接收、处理、存储信息采集模块所传输过来的传感器信息，并将处理结果以GPRS无线网络通讯方式传输给远程服务器，同时将处理结果传输给移动终端和钻机操作室内的人机模块。钻机操作手通过人机模块获取成桩过程相应的施工参数信息。

远程服务器用于接收、存储、处理控制处理模块发送来的信息，方便管理终端通过web管理服务访问数据库里桩基信息。现场施工人员可以使用加固型平板电脑下载特定的APP通过GPRS或4G通讯方式接收来自于远程服务器的数据、指令信息，也可以接收来自于控制处理模块的数据、指令信息。

移动终端用于接收来自于远程服务器和钻机控制处理模块的指令与数据信息，其主要为手机或平板电脑。现场施工人员通过下载的APP获取桩基施工过程中的施工参数信息。

报警模块主要由信号灯与扬声器所构成，对于分析处理后所得到的需要报警的信息，例如施工现场风速过大，钻机需要停止作业、桅杆垂直度超出范围、桩机机身水平姿态倾斜、拔管速度过快、电流信息异常、打桩深度低于设计值等都需要语音提醒以及触摸屏显示提醒桩机操作手及时作出相应调整。对于该系统需要说明的是，当钻孔完成后，由钻机操作手凭借触摸屏通过该系统向泵车发送一个混凝土泵送指令，语音提醒以及触摸屏显示通知泵车操作手开始混凝土泵送，当成桩结束后，由钻机操作手凭借触摸屏通过该系统向泵车发送一个混凝土停止泵送指令，语音提醒以及触摸屏显示通知泵车操作手停止混凝土泵送。

该发明中，通讯模块、报警模块安装在长螺旋钻机操作室的上边，方便语音提醒桩机操作手的操作，人机模块与控制处理模块均安装在长螺旋钻机的操作室的里面，且需要做一个防护装置，人机模块主要为方便钻机操作手对桩基施工信息的现场监测。另外，现场施工管理人员通过加固型平板电脑下载特定的APP获取桩基施工过程中的参数信息。