周翠紅，陳佳蕊，馮利華，張洪軍

(1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院環(huán)境工程系， 北京 102617；2.中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司， 河北 唐山 063000)

隨著國(guó)家軌道交通建設(shè)的大力發(fā)展，對(duì)城市內(nèi)進(jìn)行隧道施工提出了更高要求。目前，暗挖施工洞內(nèi)機(jī)械成樁技術(shù)可以有效解決前期降水困難、施工受阻的困境。暗挖車(chē)站洞樁法中的樁基施工通常采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁技術(shù)，洞內(nèi)機(jī)械成樁法可以有效縮短整個(gè)工程工期、降低工程造價(jià)，機(jī)械成孔施工在不同地層的適應(yīng)性良好[1-2]。

為確保暗挖導(dǎo)洞內(nèi)樁基施工質(zhì)量，需要對(duì)樁基質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中機(jī)械成孔是施工中的關(guān)鍵步驟，決定工程進(jìn)度與工程質(zhì)量[3-4]，由于該施工任務(wù)主要都在隱蔽處進(jìn)行，且成孔較深，在多數(shù)施工中難以對(duì)其進(jìn)行持續(xù)有效的觀察和控制，給施工帶來(lái)一定的不可預(yù)見(jiàn)性，甚至成為影響工程質(zhì)量的隱患[5-6]。施工中任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題將導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)不良影響，因此必須保質(zhì)保量地完成樁基施工[7]。為使機(jī)械成孔施工效率得到進(jìn)一步提升，并減少資源浪費(fèi)，有必要針對(duì)復(fù)雜地層的施工狀況的施工工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[8-9]。通過(guò)對(duì)鉆機(jī)在施工過(guò)程中的參數(shù)調(diào)整，從而優(yōu)化施工質(zhì)量、縮短工期、降低工程造價(jià)[10-11]，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)參數(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)影響機(jī)械成孔質(zhì)量的因素進(jìn)行預(yù)測(cè)并判斷成孔質(zhì)量，不僅能夠確保中樁施工的安全與質(zhì)量，而且能提高工程項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的效益[12]。在此基礎(chǔ)上根據(jù)工況調(diào)節(jié)資源輸出量可以加快地鐵工程建設(shè)，降低施工成本，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能環(huán)保的要求[13-14]。

調(diào)整中柱施工方法及工藝流程也可以有效提高施工效率。利用調(diào)垂機(jī)對(duì)鋼管柱進(jìn)行一體化吊裝調(diào)垂施工，可以提升鋼管柱的安裝和調(diào)垂施工效率。在保障調(diào)垂質(zhì)量的前提下，一體化施工方式可以極大地減少中柱施工周期。

根據(jù)北京地鐵12號(hào)線蘇州橋站洞內(nèi)中樁中柱施工情況，對(duì)機(jī)械成孔的施工參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，對(duì)機(jī)械成孔施工的用時(shí)及資源成本消耗、影響施工進(jìn)度和工程資源使用量的機(jī)械成孔參數(shù)進(jìn)行了分析，以期通過(guò)對(duì)鉆機(jī)工藝參數(shù)、資源輸出量的調(diào)整和優(yōu)化達(dá)到縮短施工周期、減少施工成本的目的。

1 工程概況

北京地鐵12號(hào)線蘇州橋站采用洞樁逆作法施工，邊樁共有367根，樁徑1 m，樁長(zhǎng)26.91～33.04 m，分A～F共6種型號(hào)。導(dǎo)洞中的中樁及鋼管柱共62根，柱下樁基長(zhǎng)10 m，樁徑1.8 m，鋼管柱長(zhǎng)23.81～26.84 m，鋼管柱直徑為0.9 m，成孔總深度為29.81～33.06 m，總體工程量大。

主要地層結(jié)構(gòu)如圖1所示，成孔主要穿越地層為卵石⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、細(xì)中砂⑥3層、卵石⑦層、粉質(zhì)黏土⑧層、砂質(zhì)黏土⑧2層、細(xì)中砂⑧3層、卵石⑨層。所使用鉆機(jī)型號(hào)為657液壓履帶式循環(huán)鉆機(jī)GF-350。

2 中樁施工參數(shù)分析

2.1 成孔參數(shù)分析

在中樁施工過(guò)程中，復(fù)雜地層環(huán)境易引發(fā)樁孔偏位、塌孔等問(wèn)題，是影響成孔用時(shí)的關(guān)鍵因素。地層平均成孔用時(shí)如圖2所示。通過(guò)對(duì)2號(hào)導(dǎo)洞內(nèi)30根中樁的機(jī)械成孔時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，穿過(guò)地層的平均成孔時(shí)間參數(shù)表明：地層⑥與地層⑧的機(jī)械成孔難度低，多為粉質(zhì)黏土與細(xì)中砂構(gòu)成，相較其他地層的成孔用時(shí)較短。地層⑤、地層⑦與地層⑨為較難施工的卵石地層構(gòu)成，故成孔時(shí)間較長(zhǎng)。中樁的機(jī)械成孔用時(shí)在整體成樁施工中所占用時(shí)比重最大，根據(jù)地層情況提高機(jī)械成孔效率可以有效縮短中樁施工用時(shí)。

對(duì)洞內(nèi)所有中樁的鉆機(jī)扭矩、鉆進(jìn)速度及機(jī)械成孔時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，共計(jì)1 440組數(shù)據(jù)，根據(jù)鉆機(jī)同一扭矩下的平均鉆進(jìn)速度與機(jī)械成孔時(shí)間繪制鉆機(jī)工藝參數(shù)圖，如圖3所示。由圖3中可以看出，隨著鉆機(jī)扭矩的增大，鉆機(jī)的平均鉆進(jìn)速度降低，成孔時(shí)間增長(zhǎng)。研究表明：鉆進(jìn)速度正常是保證工程效率的重要因素。在機(jī)械成孔過(guò)程中，鉆進(jìn)速度的調(diào)整應(yīng)與地層環(huán)境相適應(yīng)，在地層巖石硬度小，便于鉆進(jìn)成孔的地層⑥與地層⑧時(shí)，增加鉆進(jìn)速度至2 m/h可以有效縮短成孔時(shí)間，減少施工周期。但在地層遇到硬巖層及孤石、卵石鉆進(jìn)困難時(shí)，不能為提高鉆進(jìn)效率而盲目增加鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)速度過(guò)大不但會(huì)增加鉆具的損耗、降低使用壽命，甚至還會(huì)造成鉆機(jī)成孔故障。這是因?yàn)榕ぞ夭蛔阋缘挚孤咽枇r(shí)瞬間發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間鉆進(jìn)時(shí)鉆桿產(chǎn)生機(jī)械疲勞導(dǎo)致撕裂。不同地層的鉆機(jī)轉(zhuǎn)桿堵塞及鉆具磨損現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖4所示。若鉆機(jī)施工參數(shù)的調(diào)整仍不能與地層相適應(yīng)，必要時(shí)也可更換鉆具來(lái)提升成樁施工效率。

2.2 資源用量分析

2號(hào)中樁的施工資源用量參數(shù)如表1所示。2號(hào)中樁施工通過(guò)地層⑧、⑨時(shí)出現(xiàn)地下水，通過(guò)地層⑥的用水、電的資源用量最低，地層⑧次之，地層⑥、⑧混凝土用量均最小為1.7 m3。對(duì)洞內(nèi)30根中樁成樁施工通過(guò)不同地層的工程資源用量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，資源用量與地層施工難度相關(guān)。

表1 中樁通過(guò)不同地層的資源用量 (編號(hào)：2號(hào)中樁)

Table 1 Resource usage of middle pile passing through different stratum (No.2 middle pile)

地層地下水水用量/m3電用量/(kW·h)(鉆機(jī)+1臺(tái)水泵)混凝土用量/m3⑤無(wú)25.3765.95⑥無(wú)8.4255.31.7⑦無(wú)33.81021.26.7⑧有16.9510.61.7⑨有50.61531.932

洞內(nèi)所有中樁施工通過(guò)不同地層的水資源平均用量情況如表2所示。水資源消耗主要為反循環(huán)鉆機(jī)需要的鉆液。在中樁施工通過(guò)地層⑥與地層⑧時(shí)水資源使用量少，通過(guò)地層⑦與地層⑨時(shí)鉆機(jī)易出現(xiàn)鉆桿堵塞現(xiàn)象，加大水資源用量可以增強(qiáng)泥漿對(duì)孔的護(hù)壁效果，通過(guò)調(diào)整改善泥漿的配比提高泥漿的攜渣能力，及時(shí)將鉆孔內(nèi)的鉆渣排出，降低堵管的可能性。用電量、混凝土量與用水量的資源消耗與地層施工的難易程度保持較高相關(guān)性。監(jiān)測(cè)中樁施工的資源用量參數(shù)，根據(jù)地層和成孔工況調(diào)節(jié)資源消耗可以有效節(jié)約施工成本。

2.3 工藝改進(jìn)

機(jī)械成樁施工用時(shí)如圖5所示。根據(jù)中樁的施工順序?qū)C(jī)械成樁的施工用時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，18號(hào)中樁的成樁用時(shí)為85.5 h，而29號(hào)樁的成樁用時(shí)僅為24.5 h。根據(jù)地層環(huán)境通過(guò)對(duì)機(jī)械參數(shù)調(diào)整與資源工藝改進(jìn)后的成樁施工用時(shí)明顯降低，成樁的施工效率得到明顯提升。進(jìn)行工藝改進(jìn)能有效縮短機(jī)械成樁的施工周期，降低工程資源的消耗成本。

表2 中樁通過(guò)不同地層的施工水用量 (m3)

Table 2 Water consumption of middle pile passing through different stratum (m3)

樁號(hào)5地層6地層7地層8地層9地層225.38.433.816.950.6322.57.530.015.045.0439.413.152.526.378.8525.38.433.816.950.6625.08.333.38.350.0726.08.734.78.752.0828.09.337.39.356.0927.69.236.89.255.21024.08.032.08.048.01127.09.036.09.054.01229.09.738.79.758.01330.010.040.010.060.01416.05.321.35.332.01518.79.346.79.356.01620.010.050.010.060.01720.010.050.010.060.01818.79.346.79.356.01918.79.346.79.356.02016.08.032.016.048.02220.010.040.010.070.02318.49.236.89.264.42418.09.027.018.063.02520.010.030.020.070.02619.39.729.019.367.72716.016.024.016.048.02828.19.428.118.865.62924.416.324.416.348.83030.010.030.020.070.03127.29.127.218.163.43228.19.428.118.865.6

3 成孔工況預(yù)測(cè)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的成孔參數(shù)進(jìn)行輸入?yún)?shù)與目標(biāo)輸出參數(shù)的分類(lèi)，確定輸入?yún)?shù)、目標(biāo)輸出參數(shù)作為訓(xùn)練樣本。輸入數(shù)據(jù)選擇鉆孔深度、鉆進(jìn)速度和扭矩，目標(biāo)輸出參數(shù)為成孔用時(shí)。為了提升模型的收斂速度達(dá)到更好的訓(xùn)練效果，對(duì)輸入?yún)?shù)與目標(biāo)輸出參數(shù)進(jìn)行正則化處理，將用于訓(xùn)練與仿真的參數(shù)歸一到[0，1]之間。

為了方便快捷地處理大量監(jiān)測(cè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)成孔工況的快速預(yù)測(cè)，使用Matlab軟件中NNTool工具箱預(yù)測(cè)中樁的成孔工況。

使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)分為兩部分：第1部分為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，首先將用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的所有中樁輸入?yún)?shù)(鉆孔深度、鉆進(jìn)速度、扭矩)和目標(biāo)輸出參數(shù)(成孔用時(shí))，共397組數(shù)據(jù)全部加載到Matlab軟件中的NNTOOL，然后共同建立1個(gè)BP網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。第2部分為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)，向第1部中已經(jīng)完成訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)中加載10、19、20、28號(hào)中樁的輸入?yún)?shù)(鉆孔深度、鉆進(jìn)速度、扭矩)，使用該網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)4根中樁的成孔用時(shí)，正則化成孔用時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)參數(shù)如表3所示。最后，計(jì)算成孔用時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)參數(shù)的絕對(duì)誤差評(píng)價(jià)成孔工況。

預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)參數(shù)的絕對(duì)誤差如表4所示。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，10號(hào)、19號(hào)、20號(hào)中樁的預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)參數(shù)的平均絕對(duì)誤差分別為1.44%、4.19%、1.24%，28號(hào)樁的平均絕對(duì)誤差為16.49%，平均絕對(duì)誤差大于5%，表明28號(hào)中樁的成孔工況出現(xiàn)異常。同時(shí)在實(shí)際施工過(guò)程中，28號(hào)中樁出現(xiàn)了鉆孔的塌孔、縮孔等異常工況，導(dǎo)致28號(hào)中樁第1次成孔時(shí)未達(dá)標(biāo)，因此后續(xù)進(jìn)行了重新填埋并二次成孔?，F(xiàn)場(chǎng)的施工情況驗(yàn)證了該預(yù)測(cè)方法的正確性和有效性，因此使用該方法可有效地輔助預(yù)判中樁的成孔工況。

表3 正則化成孔用時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)參數(shù) (h)

Table 3 The stimulation result and monitoring parameters of regularized drilling time (h)

10號(hào)中樁19號(hào)中樁20號(hào)中樁28號(hào)中樁預(yù)測(cè)結(jié)果監(jiān)測(cè)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果監(jiān)測(cè)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果監(jiān)測(cè)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果監(jiān)測(cè)參數(shù)0.24140.25000.34800.30000.30150.30000.34870.34000.24280.25000.34610.30000.30240.30000.34710.34000.24320.25000.44610.45000.30220.30000.34470.34000.35460.35000.49540.50000.24330.25000.21920.25000.20170.20000.49510.50000.24340.25000.27750.25000.20210.20000.49520.50000.24360.25000.25740.40000.20260.20000.49550.50000.24390.25000.25460.40000.20310.20000.49590.50000.30090.30000.37210.40000.35330.35000.43980.55000.30090.30000.31570.20000.35330.35000.60290.60000.35330.35000.32150.20000.35340.35000.60420.60000.35340.35000.33740.35000.35350.35000.60550.60000.35350.35000.33670.35000.35350.35000.60680.60000.35350.35000.33590.35000.35330.35000.60800.60000.35330.35000.33490.35000.35270.35000.60870.60000.35270.35000.33360.3500

表4 預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)參數(shù)的絕對(duì)誤差 (%)

Table 4 The absolute error between stimulation result and monitoring parameters (%)

誤差絕對(duì)誤差平均絕對(duì)誤差10號(hào)中樁19號(hào)中樁20號(hào)中樁28號(hào)中樁3.4416.000.502.562.8815.370.802.092.720.870.731.381.310.922.6812.320.850.982.6411.001.050.962.5635.651.300.902.4436.351.550.820.306.980.9420.040.3057.850.940.480.9460.750.970.700.973.601.000.921.003.801.001.131.004.030.941.330.944.310.771.450.774.001.444.191.2416.49

4 中柱施工分析

4.1 鋼管柱調(diào)平

在中柱施工過(guò)程中，鋼管柱的安裝和調(diào)平時(shí)間較長(zhǎng)。傳統(tǒng)的鋼管柱施工先對(duì)鋼管柱進(jìn)行分節(jié)安裝，采用校正架通過(guò)自重與螺栓的反復(fù)調(diào)節(jié)來(lái)控制鋼管柱的中心線與垂直度。四點(diǎn)一線的調(diào)垂方式為保持卡盤(pán)中心、鋼管柱的柱底中心、柱頂中心、兩道縱向軸線中心這四點(diǎn)在同一直線上，確保鋼管柱的垂直度。一體化吊裝調(diào)垂機(jī)可以對(duì)鋼管柱實(shí)施一體化的安裝和調(diào)垂工作，通過(guò)液壓調(diào)整鋼管柱垂直度可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速調(diào)平。在中柱施工中采用一體化調(diào)垂機(jī)替代傳統(tǒng)的鋼管柱施工可以極大地提高中柱的施工效率，縮短中柱施工周期。

4.2 混凝土灌注

水泥漿凝結(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)施工方法和工程進(jìn)度有很大影響，需要對(duì)凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，以檢驗(yàn)其是否滿足混凝土施工所提出的要求。鋼管柱灌注施工用時(shí)易受混凝土性質(zhì)和攪拌質(zhì)量等因素影響，灌注時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使混凝土上部結(jié)塊，造成樁身混凝土夾渣，因此要嚴(yán)格控制灌注施工用時(shí)，避免對(duì)灌注樁質(zhì)量和中柱施工周期造成影響。

5 結(jié)論

中樁中柱施工是影響整體地鐵車(chē)站施工周期的關(guān)鍵因素，且資源消耗量巨大。合理進(jìn)行施工監(jiān)控有助于提高工程效率，節(jié)省施工成本的同時(shí)為綠色施工提供保障。研究結(jié)果表明：

(1)根據(jù)中柱施工工藝參數(shù)規(guī)律分析，鉆進(jìn)速度正常是保證工程效率的重要因素，需要根據(jù)地層狀況進(jìn)行調(diào)整。增大地層⑦與地層⑨的水資源用量可加強(qiáng)泥漿對(duì)樁孔的護(hù)壁效果，提高泥漿攜渣能力。

(2)使用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)建立了輸入數(shù)據(jù)選為鉆孔深度、鉆進(jìn)速度和扭矩，輸出參數(shù)為成孔時(shí)間的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型對(duì)4個(gè)樁的工況進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與施工情況相符，提供了根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)簡(jiǎn)單快速的對(duì)中樁成孔工況進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。

(3)采用一體化吊裝調(diào)垂機(jī)替代傳統(tǒng)鋼管柱的吊裝及調(diào)垂施工可以有效提高中柱的施工效率；避免灌注施工用時(shí)過(guò)長(zhǎng)影響灌注樁的質(zhì)量。