彭 勃

中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000

水泥攪拌樁施工具有高度的隱蔽性，地質(zhì)條件、施工工藝、施工水平和人為因素均影響攪拌樁施工質(zhì)量。施工缺陷難以全面預(yù)見，攪拌樁樁身質(zhì)量的評價具有滯后性，使得成樁后發(fā)現(xiàn)問題難以補救。而且，水泥攪拌樁施工質(zhì)量直接影響到路基的穩(wěn)定性，整體工程的營運質(zhì)量及工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性；水泥攪拌樁施工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計要求，會造成極大的安全隱患和不可估量的損失。

水泥攪拌樁軟基處理施工質(zhì)量控制現(xiàn)狀是目前基本上采用現(xiàn)場旁站監(jiān)督和工后抽查驗證，不能有效保證整體施工質(zhì)量?；谲浕幚淼碾[蔽性與重要性，以及多年來水泥攪拌樁施工存在水泥用量難以保證，水泥摻量的分布均勻性難以準(zhǔn)確監(jiān)控的難題。現(xiàn)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水泥攪拌樁施工監(jiān)測自動化系統(tǒng)的精確監(jiān)測與控制，全面實時反饋至施工現(xiàn)場作為施工作業(yè)修正指導(dǎo)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水泥攪拌樁施工自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

在線監(jiān)控記錄系統(tǒng)是智能施工系統(tǒng)的“眼睛”和“大腦”，負(fù)責(zé)監(jiān)控施工參數(shù)的同時記錄下施工的整個過程。該系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分，硬件部分為實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測的各類傳感器，包括人機(jī)交互部分——記錄儀，數(shù)據(jù)采集部分——傳感器及相關(guān)配件。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工質(zhì)量工藝流程見圖1。智能樁機(jī)是系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行施工，同時依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動調(diào)整。智能自動漿泵根據(jù)樁機(jī)指令進(jìn)行送漿。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工質(zhì)量工藝流程

1.1 系統(tǒng)硬件部分

1.1.1 人機(jī)交互部分

用于水泥攪拌樁施工監(jiān)控的大屏幕液晶顯示器安裝在監(jiān)控中心。深層攪拌樁監(jiān)控施工記錄儀安裝在水泥攪拌樁施工現(xiàn)場，是水泥攪拌樁施工的操作平臺。自動攪拌后臺在線制漿記錄儀，是水泥攪拌樁施工制漿操作后臺。

1）智能樁機(jī)。

智能樁機(jī)由電磁流量傳感器、密度傳感器、壓力傳感器、深度位移傳感器、電流互感器、傾角傳感器及樁機(jī)記錄儀組成。智能樁機(jī)最大限度地實現(xiàn)了施工的自動化，根據(jù)設(shè)計要求對施工進(jìn)行精確控制，施工過程在無人干預(yù)下按既設(shè)參數(shù)運行。自動制漿站在節(jié)約人工的同時實現(xiàn)批量式自動制漿，每筆制漿數(shù)據(jù)包括水泥用量、水灰比等即時上傳，防止人為偷減材料問題的產(chǎn)生。在線監(jiān)控系統(tǒng)對施工過程做到全程實時監(jiān)測并記錄形成檔案，成樁過程中的數(shù)據(jù)即時在線傳輸?shù)椒?wù)器。業(yè)主、監(jiān)理、項目部可實時查看現(xiàn)場施工情況。

智能樁機(jī)是系統(tǒng)施工的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，智能樁機(jī)實現(xiàn)了施工的自動化，同時對施工進(jìn)行精確控制。原來的普通樁機(jī)一根樁最多只分兩段，智能樁機(jī)可以對每根樁分?jǐn)?shù)段處理，最小可以0.1 m 一段，而且可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對漿量進(jìn)行智能動態(tài)控制。

2）智能樁機(jī)傳感器作用。

深度傳感器安裝在鉆機(jī)井架上，用于測量鉆機(jī)鉆進(jìn)深度，從而可以控制水泥攪拌樁的樁長。電磁流量計在鉆機(jī)原有的注漿管道上選擇適合處斷開注漿管，用于測量水泥漿液的流量，控制水泥攪拌樁施工的用漿量。傾角傳感器安裝在轉(zhuǎn)架上，控制水泥攪拌樁機(jī)前后左右的傾斜角度，通過傾角測量能保證鉆桿與地面的垂直度［1］。密度傳感器在鉆機(jī)原有的注漿管道上選擇適合處斷開注漿管，然后將密度裝置串接進(jìn)去，安裝時必須垂直放置密度裝置，用于測量水泥漿液的水灰比。

1.1.2 操作界面

1）開機(jī)界面。

開機(jī)界面最上面一行顯示了機(jī)器號和是否在線，中間部分為主要功能按鈕，按不同按鈕進(jìn)入不同功能。

2）記錄界面。

按記錄按鈕進(jìn)入記錄功能，沒開始記錄前顯示藍(lán)界面，根據(jù)提示輸入樁號，按開始進(jìn)入記錄功能，打樁完成后按完成按鈕，再次出現(xiàn)藍(lán)界面，輸入下一根樁號可以進(jìn)入下一根樁的記錄。

3）記錄詳情界面。

記錄時的主監(jiān)控界面，以數(shù)值與圖表的方式顯示當(dāng)前傳感器狀態(tài)、數(shù)值，顯示部分統(tǒng)計信息，提供操作按鈕，用于控制記錄進(jìn)程。

1.1.3 全自動制漿站

該自動拌漿機(jī)由電控柜、攪拌機(jī)、儲漿筒、水泵、空壓機(jī)、氣動閥、螺旋輸送機(jī)及電子傳感器等組成。LD-BZ 系列自動拌漿機(jī)是由水泥罐、螺旋送漿機(jī)、拌漿筒、儲漿筒、水泵、電控柜及電子配料儀器等組成，是一種準(zhǔn)確計量、自動化程度高的拌漿設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于SMW 工法、三軸攪拌樁加固、二軸攪拌樁加固、旋噴樁等樁基工程。全自動制漿站設(shè)計合理、運輸方便、攪拌效率高，具有配料傳感稱重、電子顯示、精度高、安裝維修簡單等特點。

1.2 系統(tǒng)軟件部分

軟件部分由信號接收、數(shù)據(jù)整理、綜合分析、成果反饋等子系統(tǒng)構(gòu)成，軟硬件之間通過無線方式實時連通。

1.2.1 系統(tǒng)登錄

安裝好軟件后雙擊圖標(biāo)啟動軟件，登錄用戶名，密碼可向管理員索取，不同用戶名有不同的功能，對應(yīng)不同的項目。

1.2.2 實時監(jiān)測

雙擊一覽表上的設(shè)備，打開實時詳情子窗口，如果雙擊的設(shè)備為在線制漿站則顯示制漿站的制漿記錄，如果雙擊的設(shè)備為樁機(jī)則顯示樁機(jī)的工作情況，可以同時打開多個水泥攪拌樁監(jiān)控記錄儀實時察看子窗口。

1.2.3 打樁過程全程記錄

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁系統(tǒng)能實時自動生成深度與漿量曲線、深度與電流曲線。深度與漿量曲線反映打樁過程中深度與漿量之間的關(guān)系。深度與電流曲線反映下鉆和提鉆過程中電流數(shù)值變化大小。第一次下鉆和提鉆過程中，由于土質(zhì)較硬，鉆桿負(fù)荷大，反映出電流數(shù)值大；第二次下鉆過程中，由于已經(jīng)鉆過一次，土質(zhì)已經(jīng)均勻，鉆桿負(fù)荷較小，反映出電流數(shù)值小。

2 材料與設(shè)備

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工所需要的大屏幕液晶顯示器、施工記錄儀、自動化在線制漿記錄儀、傳感器及儀器設(shè)備見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁主要設(shè)備配置

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 傳統(tǒng)水泥攪拌樁施工效益分析

傳統(tǒng)水泥攪拌樁施工方法的質(zhì)量管理，基本上采取“一人一機(jī)”的現(xiàn)場旁站監(jiān)控方法，嚴(yán)防施工班組偷工減料和不按照試樁工藝參數(shù)施工。2018年5月至2019年8月，施工期共計15 個月，施工高峰全線有95 臺鉆機(jī)施工，一般施工狀態(tài)下投入70 臺鉆機(jī)進(jìn)行施工。按照“一人一機(jī)”的現(xiàn)場旁站監(jiān)控方法，需安排70 個監(jiān)理員和70 個技術(shù)員現(xiàn)場旁站監(jiān)控質(zhì)量。每一施工段安排一人進(jìn)行現(xiàn)場施工管理，全部施工段安排4 個測量員進(jìn)行樁位測量放樣。傳統(tǒng)常規(guī)水泥攪拌樁施工質(zhì)量經(jīng)濟(jì)效益分析見表2。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工效益分析

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工，實現(xiàn)施工智能自動化，盡量減少人工操作。按照“一工點一人”的現(xiàn)場旁站監(jiān)控方法，安排30 個監(jiān)理員和30 個技術(shù)員現(xiàn)場旁站監(jiān)控質(zhì)量。每一施工段安排一人進(jìn)行現(xiàn)場施工管理，全部施工段安排4個測量員進(jìn)行樁位測量放樣。相比傳統(tǒng)常規(guī)水泥攪拌樁施工方法的旁站監(jiān)控質(zhì)量管理，減少了40 個監(jiān)理員和40 個技術(shù)員。同時，還避免了人工操作中的不確定性，在節(jié)約人工成本的同時，提高了施工質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工提高了成樁精度，可以對成樁過程分多段進(jìn)行精確控制，根據(jù)地層情況進(jìn)行不同摻入量的控制，再根據(jù)系統(tǒng)反饋信號確保摻入量達(dá)標(biāo)。具體經(jīng)濟(jì)效益分析見表3。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控與傳統(tǒng)常規(guī)水泥攪拌樁施工效益對比

由表2可知，用于水泥攪拌樁施工質(zhì)量監(jiān)控的人員總費用為2858萬元。由表3可知，用于水泥攪拌樁施工質(zhì)量監(jiān)控的人員總費用為1576萬元。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控相比傳統(tǒng)常規(guī)水泥攪拌樁施工質(zhì)量監(jiān)控的人員費用減少1282 萬元，降低了工程造價，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益［2］。

表2 傳統(tǒng)常規(guī)水泥攪拌樁施工質(zhì)量經(jīng)濟(jì)效益分析

表3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工質(zhì)量經(jīng)濟(jì)效益分析

4 應(yīng)用實例

G25 德清至G60 桐鄉(xiāng)高速聯(lián)絡(luò)線湖州段工程第LTJ01 合同段，起訖里程為LYK0+847（LZK0+843）～LK12+997，線路全長12.150 km，位于德清縣乾元鎮(zhèn)及鐘管鎮(zhèn)境內(nèi)。湖州段穿越水網(wǎng)密布的杭嘉紹平原沿湖沿河沼積地區(qū)，水資源豐富，地質(zhì)條件較差，軟土路段不均勻分布，軟土主要為流塑狀淤泥和軟塑—流塑狀淤泥土，軟基處理工程量大，水泥攪拌樁設(shè)計數(shù)量共計105710根，合計長1887 870 m。其中，深度大于10 m雙向水泥攪拌樁設(shè)計數(shù)量共計100493根，合計長1826 339 m，深度小于10 m單向水泥攪拌樁設(shè)計數(shù)量共計5217根，合計長61531 m，全部采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工質(zhì)量。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁施工監(jiān)測系統(tǒng)，全線完成水泥攪拌樁檢測6464 根，其中，單向水泥攪拌樁3665 根，雙向水泥攪拌樁2799 根。全線單向水泥攪拌樁（樁長小于10 m）合格率為93.5%，全線雙向水泥攪拌樁（樁長大于10 m）合格率為85.4%，傳統(tǒng)水泥攪拌樁施工質(zhì)量合格率為50%～60%，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控水泥攪拌樁合格率整體提高了30%～34%，合格率相比傳統(tǒng)施工方法顯著提高。軟基科技課題組根據(jù)浙江省檢測標(biāo)準(zhǔn)，對400根水泥攪拌樁進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、鉆孔取芯芯樣的硬度或狀態(tài)檢驗、室內(nèi)芯樣的無側(cè)限抗壓強度試驗和樁體質(zhì)量指標(biāo)CMPQD 值4 個方面的試驗指標(biāo)檢測，根據(jù)檢測指標(biāo)得出樁身質(zhì)量綜合評價，進(jìn)行了抽檢對樁身質(zhì)量綜合評價，評價結(jié)果為：共抽檢177 根，合格樁155 根，合格率為87.6%。軟基路段路基填筑沉降情況LK7+655～LK7+794 路段，共4103根，合計長82060 m。軟基路基在已經(jīng)填筑1.6 m 高度的情況下，經(jīng)過4個月的沉降觀測，最大累計沉降量37 mm，沉降速率0.2 mm/d；最小累計沉降量14.5 mm，沉降速率0.01 mm/d，完全符合設(shè)計要求。

水泥攪拌樁施工質(zhì)量直接關(guān)系到地基加固的成效。因此，要加大施工質(zhì)量控制的力度，將水泥攪拌樁質(zhì)量控制貫穿施工的全過程，堅持全過程的施工監(jiān)控和事后檢測。水泥攪拌樁加固處理軟基提高了地基承載力，避免了軟土路基產(chǎn)生工后沉降和沉降差異造成的高速公路運營安全隱患，從而可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水泥攪拌樁施工監(jiān)測自動化系統(tǒng)，根據(jù)影響攪拌樁樁身質(zhì)量的重要施工參數(shù)，在水泥攪拌樁機(jī)上安裝各種類型的傳感器。將所采集到的施工信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場的樁機(jī)記錄儀，樁機(jī)記錄儀將采集的各種信號參數(shù)傳輸?shù)诫娦呕?，電信基站傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)器，再由互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心?；ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)器與現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心可以互相傳輸數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，再由互聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦、PC機(jī)、手持設(shè)備，業(yè)主、監(jiān)理單位、項目部等相關(guān)單位可隨時查看施工情況。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水泥攪拌樁施工監(jiān)測自動化系統(tǒng)，由自動記錄子系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)在線反饋子系統(tǒng)及報警子系統(tǒng)組成。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水泥攪拌樁施工在線實時監(jiān)測自動化系統(tǒng)，可監(jiān)測鉆進(jìn)深度、噴漿量和噴漿壓力、漿液密度、提升速率、攪拌次數(shù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳與記錄。實現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)的實時采集、實時上傳，智能分析單樁施工過程中的水灰比、樁體水泥漿液的段漿量、水泥漿液噴漿總量、樁長、轉(zhuǎn)速等。以此實現(xiàn)從現(xiàn)場信號采集、轉(zhuǎn)換、發(fā)送到在線實時反饋不合格參數(shù)遠(yuǎn)程報警等功能。

在線監(jiān)控系統(tǒng)對施工過程做到全程實時監(jiān)測并記錄形成檔案，成樁過程中的數(shù)據(jù)即時在線傳輸?shù)椒?wù)器。施工管理人員可實時了解施工過程中工藝參數(shù)的變化情況，以最快的速度采取相關(guān)措施進(jìn)行調(diào)整，從而保證了施工質(zhì)量，避免了施工資源浪費。在線監(jiān)控系統(tǒng)不受地域限制，隨時隨地查看現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場施工情況作出有效分析判斷，實時反饋至施工現(xiàn)場作為施工作業(yè)修正指導(dǎo)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程多人實時在線監(jiān)測，極大地提高了工作效率。

運用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立一套完善的水泥攪拌樁智能施工監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，不僅僅對于水泥攪拌樁施工技術(shù)的發(fā)展是一個促進(jìn)，對軟基處理的各種工法都能夠起到積極作用，而且對我國的施工水平也必將會產(chǎn)生巨大的推動作用。