基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)應(yīng)用研究

邱 斌，彭文柏，趙寶生，刀 杰，錢雪鑫

（1.云南省建筑結(jié)構(gòu)與新材料企業(yè)重點實驗室，云南 昆明 650223；2.昆明市建筑工程結(jié)構(gòu)安全和新技術(shù)重點實驗室，云南 昆明 650223；3.云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223）

0 引言

廣義基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)是借助聲波或者超聲波、光、電、磁等介質(zhì)和核磁共振等技術(shù)對鉆孔周邊物質(zhì)進(jìn)行原位掃描成像，采集的數(shù)據(jù)結(jié)果通常采用直觀可視的圖像顯示方式進(jìn)行表達(dá)的檢測技術(shù)［1］。

本技術(shù)最先應(yīng)用于石油測井技術(shù)中，國外開展鉆孔成像技術(shù)研究于 20 世紀(jì) 60 年代，歐美發(fā)達(dá)國家最早作為一種測井技術(shù)引入到油氣鉆孔的勘探，1969 年美孚（Mobil）公司的 Zemanek 等人采用超聲波技術(shù)研究出第一代井中電視（Borehole Televiewer），后來歐美國家的測井公司以此作為主要的測井服務(wù)手段應(yīng)用于油氣測井工作中［2］。

我國井孔照相檢測技術(shù)開始出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 60 年代，并于 20 世紀(jì) 70～80 年代研制出黑白井下光學(xué)電視成像系統(tǒng)和彩色井孔光學(xué)電視成像系統(tǒng)［3］。

國內(nèi)用于工程檢測領(lǐng)域的基樁孔內(nèi)攝像檢測則始于 20 世紀(jì) 90 年代中期，時間上滯后 10 年左右，但隨著電視成像技術(shù)的發(fā)展，鉆孔電視在工程檢測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越為廣泛［4］，特別是在工程樁基礎(chǔ)的基樁施工質(zhì)量或樁身完整性檢測中的應(yīng)用越來越廣泛。

基礎(chǔ)是工程結(jié)構(gòu)重要的組成部分，樁基礎(chǔ)中基樁的完整性是確保其承載力發(fā)揮的必要條件，是確保工程結(jié)構(gòu)安全可靠的先決條件。目前可采用聲波透射法、低應(yīng)變法或（和）鉆芯法等間接方法進(jìn)行樁身完整性檢測，但上述方法因其種種不便或缺點，往往不能直觀檢測樁身缺陷，而基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)是彌補上述不便或缺點的有效方法。本文主要針對基樁孔內(nèi)攝像檢測的基本原理、優(yōu)缺點及應(yīng)用技術(shù)要點進(jìn)行詳細(xì)介紹，并通過二則案例進(jìn)行驗證、說明。

1 基樁孔內(nèi)攝像技術(shù)的基本原理

根據(jù)文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］可知，基樁孔內(nèi)攝像檢測是一種將攝像頭和鏡頭裝進(jìn)防水承壓艙內(nèi)組裝成為檢測探頭，然后將該探頭沿空心樁或樁身孔道勻速下放或提拉，通過攝像技術(shù)有效識別樁身缺陷及其位置、形式、程度，并將全景圖像傳回主機顯示器的基樁樁身完整性檢測方法。

經(jīng)過多年發(fā)展，孔內(nèi)攝像技術(shù)取得了更大的進(jìn)展，根據(jù)文獻(xiàn)［7］可知，目前該技術(shù)的檢測原理是采用高清全景攝像頭在干孔和（或）清水孔條件下勻速沿空心樁樁孔或樁身孔道對孔壁進(jìn)行連續(xù)高清拍攝，進(jìn)而采集環(huán)狀井壁圖，經(jīng)過系統(tǒng)處理將采集到的一系列環(huán)狀井壁圖按順序拼接得到孔壁彩色圖像。

該技術(shù)可對接頭質(zhì)量及樁身破碎、斷裂、裂隙等缺陷的長度、寬度及其傾向等參數(shù)進(jìn)行定量分析，為處理基樁事故提供可靠、直觀的技術(shù)依據(jù)。

常用基樁孔內(nèi)攝像設(shè)備由圖 1 所示的鉆孔攝像頭、傳輸電纜、主機及顯示屏、絞車等部件組成。

圖1 鉆孔電視示意圖

基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)作為一種新型的檢測方法，可以對經(jīng)如低應(yīng)變、聲波透射法等間接檢測方法難以定性的基樁進(jìn)行復(fù)核，一定程度上彌補了現(xiàn)有樁身完整性檢測方法的不足，使檢測結(jié)果更直觀、準(zhǔn)確。

2 基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)特點

2.1 基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)優(yōu)點

CECS 253∶2009《基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)規(guī)程》在其 1.0.1 條文說明中介紹了如下可視化檢測技術(shù)的優(yōu)點［8］：

1）可直觀、精確地檢測缺陷位置；

2）可檢測多重缺陷；

3）可檢測豎向缺陷；

4）可定量分析缺陷；

5）可檢測采用快速機械螺紋接頭施工的管樁缺陷；

6）可有效檢測超長樁的缺陷；

7）可用于復(fù)核檢測灌注樁鉆孔處的缺陷；

8）可對低應(yīng)變和聲波透射法進(jìn)行復(fù)核檢測，也可單獨進(jìn)行基樁檢測。

隨著多年的技術(shù)發(fā)展，可視化檢測除上述優(yōu)點外，尚具有如下工程需求及相應(yīng)優(yōu)點：

1）可檢測預(yù)應(yīng)力管樁連接部位的施工質(zhì)量；

2）既有工程抗浮失效鑒定時，可結(jié)合鉆芯法檢測樁與承臺間破損；

3）既有工程抗浮失效鑒定時，可結(jié)合局部破損法檢測抗浮構(gòu)件與上部結(jié)構(gòu)連接部位的破損；

4）可對灌注樁鉆芯孔中的樁身施工質(zhì)量進(jìn)行復(fù)核檢測；

5）可檢測樁底沉渣厚度；

6）可對樁底持力巖層性狀（如厚度、裂縫等）進(jìn)行檢測；

7）可結(jié)合局部破損法對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部缺陷進(jìn)行定量檢測。

2.2 基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)缺點

雖然孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)有上述種種優(yōu)點，但仍存在以下種種不便及缺點：

1）需要鉆孔提供檢測通道，并且要求干孔或孔內(nèi)清水狀態(tài)；

2）圖像成果由拼圖所得，拼圖質(zhì)量與孔徑大小直接相關(guān)，所以應(yīng)準(zhǔn)確測量其孔徑；

3）缺陷寬度、傾斜度等缺陷幾何尺寸的準(zhǔn)確度與標(biāo)定精確度有關(guān)，故缺陷幾何尺寸需預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定；

4）圖像清晰度與探頭提升速度直接相關(guān)；

5）缺陷豎向位置與線纜長度準(zhǔn)確度相關(guān)；

6）與鉆芯法相同，無法預(yù)先知道缺陷的具體位置，直接影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性。

3 檢測技術(shù)要點分析

3.1 鉆孔選位

鉆孔位置應(yīng)結(jié)合工程施工過程中的資料、工程巖土條件、施工工藝等參數(shù)，對可能出現(xiàn)成樁質(zhì)量問題的區(qū)域進(jìn)行預(yù)判，并根據(jù)預(yù)判結(jié)果選擇合適的區(qū)域進(jìn)行成孔。

可預(yù)先通過低應(yīng)變法檢測樁身可能出現(xiàn)的缺陷部位，然后通過鉆芯提供孔內(nèi)攝像檢測條件更準(zhǔn)確地檢測樁身缺陷。

3.2 孔徑

孔徑應(yīng)與可視化檢測儀器的探頭直徑相匹配，并且檢測數(shù)據(jù)采集時應(yīng)準(zhǔn)確測量并填寫孔徑大小。

孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)所得的圖像成果是通過拼圖拼接所得，孔徑大小的設(shè)置直接影響圖片拼接效果，若設(shè)置值大于實際值，拍攝拼接會掉圖；若設(shè)置值小于實際值，拍攝拼接會重復(fù)圖像；故務(wù)必準(zhǔn)確測量孔徑大小。孔徑沿孔深方向的變化無法有效測量，需要在成孔時嚴(yán)格控制成孔質(zhì)量。

孔徑測量應(yīng)沿兩相互垂直方向用游標(biāo)卡尺進(jìn)行孔徑測量，當(dāng)兩垂直方向孔徑實測值相差不超過 1 mm 時，取兩方向?qū)崪y值的均值為孔徑實際值填入軟件中；若差值超過 1 mm 時，應(yīng)再增加另外兩個相互垂直方向進(jìn)行孔徑測量，并與前次測量結(jié)果進(jìn)行平均值作為孔徑實際值填入軟件中?？讖綔y量可沿圖 2 所示的兩個垂直直線方向進(jìn)行測量，需增加測量點時可選另兩個垂直直線方向。

圖2 孔徑測量示意圖

3.3 探頭提升速度

孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)所得圖像成果的清晰程度與探頭在孔內(nèi)的提拉速度直接相關(guān)，進(jìn)入實時采集程序后，應(yīng)勻速下放/上拉探頭。

檢測過程中可根據(jù)孔壁反光特性選擇暫停退回調(diào)試頁面對光照進(jìn)行調(diào)整，使探頭光強適中。

當(dāng)缺陷位置比較復(fù)雜或預(yù)判對承載力影響較顯著時，應(yīng)放慢行進(jìn)速度以重點拍攝。

3.4 線纜長度校準(zhǔn)

應(yīng)在檢測前對線纜測試長度進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)以確保檢測深度計量的準(zhǔn)確，出現(xiàn)下列情況之一時，應(yīng)對可視化測試儀的線纜長度進(jìn)行校準(zhǔn)：

1）每個項目檢測開展前應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)；

2）運送途中出現(xiàn)拉扯線纜等影響線纜長度時；

3）運送和（或）測試時線纜工作溫度超出儀器使用溫度范圍時；

4）線纜出現(xiàn)打結(jié)、彎曲等有明顯變形現(xiàn)象時；

5）超出有效校準(zhǔn)期時；

6）對測試深度數(shù)據(jù)有懷疑時；

7）出現(xiàn)其他可能影響線纜長度的情況時。

線纜長度校準(zhǔn)時宜符合下列要求：

1）校準(zhǔn)用基準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)采用外校合格的鋼尺、卷尺、測距儀等測量設(shè)備，精度應(yīng)≥ 0.5 mm；

2）校準(zhǔn)的環(huán)境溫度應(yīng)接近檢測時線纜的工作溫度，溫度偏差限值應(yīng)≤±5℃；

3）校準(zhǔn)所用的拉緊設(shè)備可采用測試儀自帶的探頭或拉力計，校準(zhǔn)時所用的拉緊力應(yīng)與探頭重力相同，誤差不應(yīng)超過±0.5 kN；

4）每次校準(zhǔn)應(yīng)針對不少于 3 個長度段進(jìn)行校準(zhǔn)，宜針對 5 個長度段進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)針對 3 個長度段進(jìn)行校準(zhǔn)時，應(yīng)分別選取L/3、2L/3 和L長度段進(jìn)行校準(zhǔn)；當(dāng)針對 5 個長度段進(jìn)行校準(zhǔn)時，應(yīng)分別選取L/5、2L/5、3L/5、4L/5 和L長度段進(jìn)行校準(zhǔn)；L為被測孔深，單位為 m。

3.5 缺陷尺寸標(biāo)定

檢測開展前，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)樁模型對缺陷尺寸進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，宜用標(biāo)準(zhǔn)樁模型對缺陷寬度與傾斜角進(jìn)行標(biāo)定：

1）每個項目檢測開展前；

2）運送途中出現(xiàn)影響缺陷尺寸精度的因素時；

3）運送和（或）測試時工作溫度超出儀器使用溫度范圍時；

4）超出有效校準(zhǔn)期時；

5）對缺陷測試數(shù)據(jù)有懷疑時；

6）出現(xiàn)其他可能影響線纜長度的情況時。

采用標(biāo)準(zhǔn)模型樁進(jìn)行缺陷尺寸標(biāo)定時，宜符合下列要求：

1）標(biāo)準(zhǔn)樁模型中的缺陷尺寸測量精度應(yīng)精確至 0.1 mm，角度測量精度應(yīng)精確至 1′；

2）標(biāo)定的環(huán)境溫度應(yīng)接近檢測時線纜的工作溫度，溫度偏差限值應(yīng)不大于±5 ℃；

3）標(biāo)定時的孔徑宜與現(xiàn)場測試所用孔徑一致，若現(xiàn)場測試所用孔徑為非常規(guī)孔徑時，應(yīng)進(jìn)行多孔徑標(biāo)定，確?，F(xiàn)場測試孔徑在被標(biāo)定孔徑范圍內(nèi)，從而建立孔徑缺陷測試尺寸與缺陷實際尺寸的近似關(guān)系；

4）條件允許時，應(yīng)建立常用孔徑缺陷測試尺寸與缺陷實際尺寸的關(guān)系，當(dāng)可視化測試儀長期不用時，所建立的關(guān)系應(yīng)定期進(jìn)行校準(zhǔn)、確認(rèn)，周期不應(yīng)少于 1 次/3 月。

3.6 調(diào)試、校準(zhǔn)

每次檢測工作開展前后均應(yīng)對孔內(nèi)攝像檢測設(shè)備進(jìn)行調(diào)試、校準(zhǔn)，檢測前進(jìn)行調(diào)試校準(zhǔn)是為了確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性，檢測后進(jìn)行調(diào)試校準(zhǔn)是為了確保檢測設(shè)備在檢測過程中未出現(xiàn)影響檢測準(zhǔn)確性、可靠性的因素，以致檢測結(jié)果出現(xiàn)不可知的結(jié)果。

4 基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)應(yīng)用實例分析

4.1 基樁完整性檢測

某發(fā)電有限公司二期 2×1 000 MW 工程設(shè)計采用直徑 800 mm 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。為確保樁基施工質(zhì)量，要求樁基施工完成后應(yīng)進(jìn)行樁身承載力及樁身完整性檢測。

其中 1# 樁進(jìn)行承載力檢測時，加載至 4 000 kN 時，樁身沉降出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，沉降量達(dá)到了 22.55 mm，累計沉降量達(dá)到 31.55 mm，在經(jīng)歷長達(dá) 900 min 的荷載維持后最終達(dá)到了單級荷載穩(wěn)定，隨后兩級 4 500 kN 及 5 000 kN 的加載，單級沉降分別僅為 2.60 mm、1.69 mm。通過單樁豎向抗壓靜載試驗分析，發(fā)現(xiàn)在加載至最終加載量的 60 %～70 % 時，樁身出現(xiàn)陡降。

結(jié)合巖土工程地質(zhì)勘察報告與接近于曲線陡降前所對應(yīng)的荷載值初步判 1# 樁樁身在 14～16 m 出現(xiàn)基樁不完整的現(xiàn)象，查看現(xiàn)場基樁施工記錄得知，1# 樁樁長 25 m，在深度 14～16 m 之間存在混凝土供應(yīng)不連續(xù)的現(xiàn)象。

通過低應(yīng)變檢測發(fā)現(xiàn)受檢樁分別在 11 m 或 14 m 左右的位置出現(xiàn)了與首脈沖同向的反射現(xiàn)象，懷疑在施工過程中該處出現(xiàn)不完整及夾泥、夾渣現(xiàn)象。

為進(jìn)一步確認(rèn)受檢樁的樁身完整性，經(jīng)建設(shè)單位、監(jiān)理單位、設(shè)計單位和施工單位及相關(guān)方開會論證后，采用基樁取芯及孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，借助多功能智能鉆孔電視測試儀直觀發(fā)現(xiàn)，14.5 m 和 15.5 m 上下各 0.25 m 處分別出現(xiàn)了顯著的孔洞、澆筑不密實現(xiàn)象。圖 3 為現(xiàn)場取芯情況，圖 4 為 14.5 m 和 15.5 m 上下各 0.25 m 的鉆孔電視測樁圖。

圖3 鉆孔取芯現(xiàn)場示意圖

圖4 缺陷處孔內(nèi)攝像圖

通過本例可得到如下主要結(jié)論：

1）孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)可直觀、清晰地檢測出基樁孔內(nèi)、澆筑不密實的部位；

2）孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)與低應(yīng)變檢測技術(shù)配合可高效地對基樁樁身不密實區(qū)域進(jìn)行檢測。

4.2 抗浮樁破損檢測

某工程包括地下室（地下 2 層）、兩棟寫字樓（地上 25 層、地下 2 層）及兩棟附樓（地上 4 層、地下 2 層），地下室基礎(chǔ)采用旋挖鉆孔灌注樁+樁基承臺+防水板，旋挖樁樁徑 800 mm，均為嵌巖樁，有效樁長≥6.0 m。在地下室、寫字樓及附樓主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，附樓之間地下室出現(xiàn)上浮，且地下室防水板、框架柱、剪力墻、樓板等已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。

根據(jù)沉降觀測結(jié)果可知，地下室負(fù)二層底板相鄰柱基的沉降差大于國家現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的工業(yè)與民用建筑相鄰柱基的沉降差允許值（0.002L，L為相鄰柱基的中心距離，mm），不考慮施工誤差的情況下，地下室負(fù)二層底板上浮點數(shù)占總點數(shù)的 73 %，最大上浮量為 68.88 mm。

為判斷上浮位置處的樁與承臺連接處是否有破損、斷裂，現(xiàn)場在承臺與柱交接處附近鉆至承臺底形成觀察孔，查看鋼筋錨固、樁頭和承臺的連接情況。

現(xiàn)場在位于受損混凝土柱旁共鉆取 28 個鉆孔，其中 13 個鉆孔鉆到承臺與樁的交接處，在鉆孔位置通過基樁孔內(nèi)攝像檢測設(shè)備可清晰地發(fā)現(xiàn)樁與承臺處出現(xiàn)不同程度的破損、開裂，部分現(xiàn)場檢測照片如圖 5 所示。

圖5 承臺與樁連接處裂縫、缺陷

通過本項目可知，基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)也可有效應(yīng)用于直觀判斷抗浮樁與承臺連接處連接質(zhì)量、破損狀況等方面的檢測。

5 結(jié)論

本文對基樁孔內(nèi)檢測技術(shù)應(yīng)用原理、技術(shù)要點進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并介紹了兩項工程應(yīng)用案例，可得以下主要結(jié)論：

1）孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)可直觀、清晰地檢測出基樁孔內(nèi)澆筑不密實的部位；

2）孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)與低應(yīng)變檢測技術(shù)配合可高效地對基樁樁身不密實區(qū)域進(jìn)行檢測；

3）基樁孔內(nèi)攝像檢測技術(shù)也可有效應(yīng)用于直觀判斷抗浮樁與承臺連接處連接質(zhì)量、破損狀況等領(lǐng)域；

4）基樁樁身完整性檢測時，應(yīng)盡量收集施工資料，當(dāng)出現(xiàn)信號異常時，可借助施工資料進(jìn)行有效分析，做出準(zhǔn)確判斷，確保檢測質(zhì)量。Q