機(jī)械成孔檢測(cè)儀原理及計(jì)量校準(zhǔn)方法探討

高 輝，吳曉雪

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 國(guó)家水運(yùn)工程檢測(cè)設(shè)備計(jì)量站，天津 300456)

在交通工程領(lǐng)域，鉆孔灌注樁已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并作為上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)可將水工建筑結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深層穩(wěn)定土層或巖石層上，減少上部建筑結(jié)構(gòu)的不均勻沉降。如果在施工過(guò)程中的成孔質(zhì)量包括孔深、孔徑、垂直度或底部沉渣過(guò)厚等出現(xiàn)問(wèn)題，后期補(bǔ)救和處理難度極大且費(fèi)用較高，給社會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，在工程建設(shè)初期，機(jī)械成孔檢測(cè)儀是保證其成孔質(zhì)量必不可少的檢測(cè)儀器，區(qū)別于吊錘、鋼筋籠探測(cè)等傳統(tǒng)的人工孔徑檢驗(yàn)方法，其具有穩(wěn)定性強(qiáng)，測(cè)量精度高，不受成孔內(nèi)泥漿比重、含砂量、氣泡、孔壁的波阻抗差異性等影響的優(yōu)點(diǎn)，可以定量給出成孔質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)，為跨海橋梁、港口工程、高樁碼頭等工程建設(shè)的樁基檢測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

目前，成孔質(zhì)量檢測(cè)已經(jīng)成為水運(yùn)工程乃至我國(guó)幾乎所有基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，因此機(jī)械成孔檢測(cè)儀的性能優(yōu)劣和量值準(zhǔn)確與否都會(huì)直接影響著工程質(zhì)量的評(píng)判。經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)械成孔檢測(cè)儀的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法和原理進(jìn)行分析研究，制定了機(jī)械成孔檢測(cè)儀計(jì)量校準(zhǔn)方法，以保障儀器的量值準(zhǔn)確和溯源性，也為正在編制中的交通運(yùn)輸行業(yè)機(jī)械成孔檢測(cè)儀的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與部門(mén)計(jì)量檢定規(guī)程提供技術(shù)支撐，對(duì)該儀器在行業(yè)內(nèi)的規(guī)范生產(chǎn)和使用、彌補(bǔ)計(jì)量技術(shù)空白、完善交通檢測(cè)儀器設(shè)備量值溯源體系具有重要作用。

1 國(guó)內(nèi)計(jì)量技術(shù)規(guī)范及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)概述

機(jī)械成孔檢測(cè)儀又名井徑儀，原國(guó)家地礦部在1991年發(fā)布的DZ 0025-91《井徑儀通用技術(shù)條件》，對(duì)井徑儀的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法等標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定。井徑儀計(jì)量技術(shù)規(guī)范最早是由國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局發(fā)布的部門(mén)計(jì)量檢定規(guī)程JJG(石油)06-1999，而后被國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的SY/T 6740-2008《井徑儀校準(zhǔn)方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所替代[2]，上述關(guān)于井徑儀的標(biāo)準(zhǔn)適用范圍均為地質(zhì)與石油領(lǐng)域?qū)Ｓ糜?jì)量器具，用于地質(zhì)勘探和石油鉆井檢測(cè)的井徑儀，儀器外觀雖極其相似，但并不適用于當(dāng)前交通領(lǐng)域灌注樁樁孔檢測(cè)，二者雖有相同的技術(shù)方法和原理，但因井下儀器的結(jié)構(gòu)根據(jù)使用要求作了改進(jìn)，適用范圍已經(jīng)徹底改變。隨著成孔測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，樁基施工這一隱蔽工程的樁孔質(zhì)量越來(lái)越受到國(guó)家和行業(yè)的重視，行業(yè)管理力度不斷加大，各項(xiàng)監(jiān)管制度逐步完善，隨著新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等技術(shù)文件的制定發(fā)布，使得灌注樁成孔質(zhì)量測(cè)試有章可循。目前，該儀器除了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量技術(shù)規(guī)范尚不完善以外，與使用相關(guān)的儀器性能和參數(shù)均已在發(fā)布的相關(guān)工程質(zhì)量檢測(cè)規(guī)范中作出了明確的規(guī)定[3]，相關(guān)規(guī)范見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械成孔檢測(cè)儀現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范Tab.1 Current related technical specification of machine hole-forming detector

交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路水運(yùn)工程試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中，公路工程綜合甲級(jí)資質(zhì)中明確規(guī)定了檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)具備成孔質(zhì)量(孔徑、孔深、垂直度等)的可選性檢測(cè)能力，水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)(地基)甲級(jí)資質(zhì)中也明確規(guī)定檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)具備鉆孔灌注樁成孔質(zhì)量、地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量的可選性檢測(cè)能力。由此可見(jiàn)，在公路水運(yùn)工程的試驗(yàn)檢測(cè)中對(duì)成孔檢測(cè)具有一定需求，機(jī)械成孔檢測(cè)儀在一定條件下也是比較經(jīng)濟(jì)快捷的選擇，為了滿(mǎn)足機(jī)械成孔檢測(cè)儀的使用要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與部門(mén)計(jì)量檢定規(guī)程的編制也是十分必要的。

2 儀器檢測(cè)原理

2.1 儀器組成

機(jī)械成孔檢測(cè)儀主要由井下探頭、電動(dòng)升降裝置和主機(jī)控制器組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1～圖3所示。測(cè)斜探頭和沉渣測(cè)量?jī)x作為井下探頭的選配更換裝置。

圖1 井下探頭 圖2 電動(dòng)升降裝置 圖3 主機(jī)控制器Fig.1 Downhole sensor Fig.2 Motor lifter Fig.3 Controller

2.2 孔徑、孔斜檢測(cè)

電動(dòng)升降裝置在檢測(cè)過(guò)程中承受來(lái)自于成孔內(nèi)井下探頭和線纜的重量，因此在檢測(cè)開(kāi)始前必須放置在孔口的固定支架上，防止傾翻。井下探頭一般有四個(gè)機(jī)械測(cè)量臂，它們始終受到內(nèi)部四個(gè)壓力彈簧的作用而趨于向外張開(kāi)，因此在不檢測(cè)的時(shí)候是由底部圓盤(pán)固定的，以防向外彈出。在檢測(cè)開(kāi)始前，首先取下固定圓盤(pán)并轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，將井下探頭連同線纜經(jīng)電動(dòng)升降裝置以一定速度降入孔中，四個(gè)測(cè)量臂由主機(jī)內(nèi)的程序控制自由彈出并與成孔的孔壁相貼，通過(guò)壓力彈簧的作用，測(cè)量臂的張開(kāi)角度隨著孔徑的大小而變化。如圖4所示，測(cè)臂頂端b點(diǎn)繞著圓心O點(diǎn)進(jìn)行相似圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)a點(diǎn)在滑動(dòng)桿上下運(yùn)動(dòng)，井下探頭通過(guò)以滑動(dòng)電位器為核心組成的電子電路，將孔徑變化位移量轉(zhuǎn)化成可采集的模擬電信號(hào)，并通過(guò)電纜將信號(hào)傳輸?shù)降孛嫔系闹鳈C(jī)控制器中，主機(jī)控制器通過(guò)接收采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算或直接繪制出孔徑變化示意圖在測(cè)量臂上裝有測(cè)斜探頭，在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，被采集的成孔垂直度數(shù)據(jù)將連同孔徑數(shù)據(jù)同時(shí)上傳主機(jī)控制器并繪制垂直度變化曲線。

圖4 檢測(cè)原理示意圖Fig.4 Sketch of measuring principle

2.3 沉渣厚度測(cè)量

沉渣厚度的測(cè)量需要在測(cè)井探頭上更換沉渣測(cè)量傳感器，在測(cè)井探頭下降至孔底時(shí)，底部的圓盤(pán)將緊貼在沉渣層的上表面，在主機(jī)程序控制下從圓盤(pán)中心的圓孔中伸出機(jī)械探針并穿過(guò)沉渣層，通過(guò)測(cè)量不同介質(zhì)的電阻值變化判斷沉渣厚度，最終繪制出沉渣電阻率曲線。孔深則根據(jù)電動(dòng)升降裝置上的光電編碼器，通過(guò)測(cè)量下降線纜的長(zhǎng)度用以判斷成孔的深度[4]。

3 計(jì)量校準(zhǔn)方法

3.1 計(jì)量特性

機(jī)械成孔檢測(cè)儀相關(guān)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范的缺失，為諸多檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)儀器的計(jì)量性能評(píng)價(jià)帶來(lái)了困擾，儀器本身長(zhǎng)期在泥漿浸泡環(huán)境中工作，且工作與搬運(yùn)過(guò)程中也不可避免的受到碰撞和磨損，都將會(huì)影響到設(shè)備的正常使用。機(jī)械成孔檢測(cè)儀的計(jì)量校準(zhǔn)是保障儀器性能參數(shù)的量值準(zhǔn)確一致，實(shí)現(xiàn)服務(wù)工程建設(shè)中測(cè)量溯源性和檢測(cè)過(guò)程質(zhì)量受控，確保儀器始終處于良好的技術(shù)合格狀態(tài)，具備隨時(shí)準(zhǔn)確執(zhí)行成孔質(zhì)量檢測(cè)的任務(wù)能力而進(jìn)行的技術(shù)活動(dòng)。本文在研究機(jī)械成孔檢測(cè)儀儀器原理和工程實(shí)際使用的基礎(chǔ)上，參照上述檢測(cè)規(guī)范中涉及儀器本身的技術(shù)參數(shù)要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)主要法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)編制的自校文件和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商的出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，提出了關(guān)于機(jī)械成孔檢測(cè)儀的計(jì)量特性和校準(zhǔn)方法，為檢測(cè)單位進(jìn)行能力比對(duì)和試驗(yàn)方法驗(yàn)證，同時(shí)也為計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行儀器校準(zhǔn)、計(jì)量檢定規(guī)程和相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范的制定提供支撐。按照J(rèn)JF1094《測(cè)量?jī)x器特征評(píng)定》[5]和JJF1033《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》[6]對(duì)校準(zhǔn)工作提出的要求與基本原則，確定其計(jì)量特性與要求見(jiàn)表2。

表2 機(jī)械成孔檢測(cè)儀計(jì)量特性要求Tab.2 Metrology index of machine hole-forming detector

3.2 孔徑校準(zhǔn)

比較原則是長(zhǎng)度計(jì)量中的重要原則，要求測(cè)量軸線與標(biāo)準(zhǔn)器軸線應(yīng)串聯(lián)在同一條直線上，才能盡可能地獲取準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果?？讖降挠?jì)量特性要求為±0.5%,一般采用專(zhuān)用標(biāo)尺和鋼卷尺相結(jié)合的比較傳遞法，專(zhuān)用標(biāo)尺用來(lái)固定機(jī)械成孔檢測(cè)儀至單位長(zhǎng)度，校準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)選用一級(jí)鋼卷尺，示值誤差Δ=±(0.1 mm+10-4L)。而用于大孔徑測(cè)試的機(jī)械成孔檢測(cè)儀量程通常不超過(guò)5 m，因此這種方法的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度滿(mǎn)足校準(zhǔn)需求。但其缺點(diǎn)是至少需兩人對(duì)測(cè)量臂進(jìn)行人工定位并改變間距，通過(guò)人工測(cè)量、記錄、運(yùn)算得出校準(zhǔn)結(jié)果，校準(zhǔn)過(guò)程較為繁瑣，人工測(cè)量和讀數(shù)引入的不確定度較大[7]。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可選取配有示值誤差不大于0.2 mm的光柵尺十字校準(zhǔn)裝置，將機(jī)械成孔檢測(cè)儀放置在十字滑臺(tái)上，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)以等間隔位移量滑動(dòng)， 一般以500 mm作為第一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，然后以每100 mm進(jìn)行遞增，直至儀器最大測(cè)量范圍，依次移動(dòng)并分別記錄機(jī)械成孔檢測(cè)儀孔徑和移動(dòng)滑臺(tái)上光柵尺的示值，求出示值誤差，這樣既節(jié)省了人力，也提高了校準(zhǔn)效率。

3.3 垂直度校準(zhǔn)

垂直度的校準(zhǔn)一般選取分度值不低于1′的光學(xué)分度頭作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具[8]。方法是將測(cè)斜傳感器與光學(xué)分度頭固定靜置并同時(shí)清零，在0°～5°測(cè)量范圍內(nèi)，每1°設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，大于5°時(shí)每2°設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，直至最大量程，將機(jī)械成孔檢測(cè)儀按照分布的測(cè)量點(diǎn)，依次移動(dòng)并分別記錄各測(cè)量點(diǎn)機(jī)械成孔檢測(cè)儀垂直度和光學(xué)分度頭的示值，求出示值誤差。此方法雖然在校準(zhǔn)準(zhǔn)確度上滿(mǎn)足要求，但在操作中還存在很多問(wèn)題需要解決，主要是沒(méi)有適宜的固定夾具會(huì)為大傾斜角度測(cè)量點(diǎn)的校準(zhǔn)增加很多困難，同時(shí)光學(xué)分度頭機(jī)械構(gòu)件也存在易被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。研究分析其原因有兩點(diǎn)，首先光學(xué)分度頭與測(cè)斜傳感器固定所需的專(zhuān)用夾具不適用于國(guó)內(nèi)所有廠家生產(chǎn)的機(jī)械成孔檢測(cè)儀，需要進(jìn)行徹底改造才能使用，而這種改造的成本會(huì)比較高；另外，部分測(cè)斜傳感器自重較大，在與光學(xué)分度頭接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸變形，當(dāng)變形過(guò)大時(shí)很容易損壞光學(xué)分度頭機(jī)械構(gòu)件或帶來(lái)較大誤差。因此，經(jīng)進(jìn)一步研究改進(jìn)后可選取示值誤差不大于20″的吸附式數(shù)顯傾角計(jì)，配合孔徑專(zhuān)用標(biāo)尺固定進(jìn)行同步測(cè)量，雖然測(cè)量過(guò)程基本相同，但卻很好地避免了每次校準(zhǔn)時(shí)因?qū)Ｓ脢A具安裝固定所引入的不確定度分量，提高了校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。

3.4 孔深校準(zhǔn)

在孔深的校準(zhǔn)試驗(yàn)前先在電纜線上做一個(gè)起始標(biāo)記，從機(jī)械成孔檢測(cè)儀升降裝置緩慢拉出線纜，使用鋼卷尺測(cè)量線纜長(zhǎng)度，從起始標(biāo)記開(kāi)始設(shè)定每5 m為一個(gè)單位長(zhǎng)度并在線纜上做好標(biāo)記，測(cè)量20個(gè)單位長(zhǎng)度，共100 m。將線纜收回并重新緩慢拉出，在起始標(biāo)記點(diǎn)處清除主機(jī)當(dāng)前孔深讀數(shù)，在每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)記錄主機(jī)當(dāng)前顯示深度和電纜拉出的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，直至測(cè)量完所有標(biāo)記點(diǎn)。計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)誤差，選取絕對(duì)值最大的相對(duì)誤差作為校準(zhǔn)結(jié)果。

3.5 沉渣厚度校準(zhǔn)

目前在工程檢測(cè)領(lǐng)域，包括測(cè)錘法、聲波法等其他原理的沉渣檢測(cè)方法與電參數(shù)法一樣，存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。沉渣的檢測(cè)原理仍以電參數(shù)法為主這一原則并未完全得到行業(yè)的認(rèn)可，機(jī)械成孔檢測(cè)儀中沉渣測(cè)定儀大多采用機(jī)械探針式結(jié)構(gòu)依然存在爭(zhēng)議。無(wú)論采用什么方法，由于各自的計(jì)量特性相同，其校準(zhǔn)方法均可統(tǒng)一為長(zhǎng)度量值比較法，即為將沉渣校準(zhǔn)方法拆分成基礎(chǔ)長(zhǎng)度量值，選取通用卡尺或其他測(cè)長(zhǎng)類(lèi)設(shè)備與機(jī)械探針測(cè)量長(zhǎng)度比較的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 計(jì)量校準(zhǔn)應(yīng)用

機(jī)械成孔檢測(cè)儀校準(zhǔn)方法的提出為校準(zhǔn)裝置的研制提供了可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。目前，已研制成功的井徑儀校準(zhǔn)裝置是一種自動(dòng)化程度較高的機(jī)械校準(zhǔn)裝置[9]，它吸收了傳統(tǒng)意義上的長(zhǎng)度計(jì)量測(cè)試原理，用電動(dòng)絲杠滑臺(tái)替代了簡(jiǎn)易的固定孔位標(biāo)定支架，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)輔以高精度標(biāo)尺進(jìn)行孔徑的定量自動(dòng)校準(zhǔn)。該裝置不僅節(jié)省了人力物力，提高了工作效率，免去了人為移動(dòng)測(cè)量臂至校準(zhǔn)點(diǎn)的繁瑣過(guò)程，同時(shí)還提高了測(cè)量準(zhǔn)確度，減少了人工測(cè)量的不確定度引入。

我國(guó)關(guān)于平面靜態(tài)角度計(jì)量校準(zhǔn)裝置發(fā)展水平較高，精度準(zhǔn)確，但是缺少專(zhuān)門(mén)用于工程現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)量校準(zhǔn)裝置。機(jī)械成孔檢測(cè)儀常用于水運(yùn)工程施工現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)儀器，設(shè)備本身體積較大，配套裝置較多，重量較重，并且需要跟隨工程現(xiàn)場(chǎng)的遷移和全國(guó)不同地質(zhì)情況而定期更換使用場(chǎng)景。常規(guī)用于機(jī)械成孔檢測(cè)儀垂直度的校準(zhǔn)裝置對(duì)環(huán)境要求較高，因此需要檢測(cè)單位將機(jī)械成孔檢測(cè)儀整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)送至計(jì)量機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，無(wú)法在工程現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)保障設(shè)備的量值準(zhǔn)確；因?yàn)樽灾剌^重，傳感器本身傘狀的特殊性。導(dǎo)致其與常規(guī)角度校準(zhǔn)裝置的連接、固定和安裝成為校準(zhǔn)難題。國(guó)家水運(yùn)工程檢測(cè)設(shè)備計(jì)量站根據(jù)水運(yùn)工程需求，研發(fā)出一種可移動(dòng)、可調(diào)平衡的大載重量的機(jī)械成孔檢測(cè)儀垂直度校準(zhǔn)裝置(圖5)。使用該裝置對(duì)型號(hào)JJC-1EG的機(jī)械成孔檢測(cè)儀開(kāi)展垂直度測(cè)試，數(shù)據(jù)如表3所示。

圖5 垂直度校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.5 Sketch of verticality calibration device

表3 垂直度測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Verticality test data of machine hole-forming detector (°)

5 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)與人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)量科學(xué)研究也是一項(xiàng)長(zhǎng)期性的活動(dòng)，必須持續(xù)不斷地進(jìn)行深入研究和提升。由于機(jī)械成孔檢測(cè)儀的四個(gè)主要參數(shù)最終都是以幾何量信息的形式進(jìn)行定量描述的，因此其校準(zhǔn)方法均屬于幾何量計(jì)量學(xué)范疇，這就完全可以用長(zhǎng)度和角度作為基本量進(jìn)行量值傳遞。上述關(guān)于評(píng)價(jià)機(jī)械成孔檢測(cè)儀提出的計(jì)量特性和校準(zhǔn)方法僅可作為初步探討，并不能完全作為機(jī)構(gòu)的最佳測(cè)量能力的輸出。因此，在今后的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)研究工作以及計(jì)量技術(shù)規(guī)范的編制過(guò)程中，應(yīng)對(duì)該儀器每一個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目所采用的方法、使用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具、環(huán)境條件以及人員操作水平等因素對(duì)其校準(zhǔn)不確定度進(jìn)行精準(zhǔn)定量評(píng)定，進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度，以尋找了最佳校準(zhǔn)效果的平衡點(diǎn)。