淺析樁基自動化施工的技術應用特點

文｜中國鐵路設計集團有限公司 陳志勝

【關鍵字】隱蔽工程；樁基自動化施工；傳感器；北斗定位

樁基施工在鐵路施工領域一直是最廣泛、最重要的路基軟基處理的一種方式，但是由于其隱蔽性的特點，對樁基的質量監管一直是路基施工管理的重點和難點。在以往的鐵路建設中，樁基施工過程主要依靠施工單位人工記錄，監理旁站的形式進行監管，最后再以樁基檢測的方式（包括樁身完整性檢測、地基承載力試驗等）抽樣檢測成樁質量。采用這種形式，存在施工過程記錄不規范、信息不準確的風險，指標值對于經驗要求較高，無法具體量化，也嚴重浪費人力成本，這也只是樁基施工過程中的數據記錄，對于成樁質量的管理也只能依靠抽查檢測的方式進行，使得軟基施工過程存在極大的風險。

本文通過介紹一種樁基自動化施工技術，有效提高樁基施工過程的自動化水平，獲取多項施工技術參數，提高過程監控質量，通過結合在鐵路工程項目上的應用，充分釋放人力物力，使得樁基施工的每個環節都有跡可循，為鐵路樁基施工質量提供全方位的施工過程數據。

一、系統介紹

圖1 樁基自動監控技術硬件模塊

樁基監控管理系統主要是依靠天線定位模塊、進料測量模塊、持力層電流測量模塊等實時反饋現場樁機狀態，包括打樁速度、深度、傾斜度、振動電機的電流情況等基礎數據，并依靠通訊實時上傳至服務器，實時記錄樁機施工數據，施工質量可追溯，對工地施工質量進行規范化管理。

其主要分為定位模塊（北斗天線模塊）、進料測量模塊（流量傳感器）、顯示模塊（平板電腦）、集成模塊（集線盒）、主控模塊（主控控制）、傳感器（持力層電機電流傳感器、傾斜傳感器）、電源模塊、通訊模塊（無線天線）八大模塊。

二、關鍵技術研究

1、定位模塊（北斗定位系統）

樁基定位模塊主要是依靠建立的北斗衛星定位連續運行參考站，采用北斗高精度定位天線進行高精度定位，包括樁機精確位置、樁位放樣、樁身深度等數據參數。

首先，建立樁機三維方向模型，確定樁機姿態位置，利用安裝在樁機設備上的定位天線精準確定樁機位置；其次，如圖2所示，樁點導航定位，利用高精度定位設備為樁點導航提供信息，施工人員在選擇對應的樁點后，可以根據樁機模型和導航偏離值進行樁點導航；最后，樁深測量，利用布設在樁管頂端的定位設備，通過鉆頭在地面的高程，得出鉆頭進入地下的相對高差，從而得出樁深信息，并可通過該系統自動提示樁深達標情況。

表1 樁基自動監控技術八大模塊功能定位

圖2 樁基自動監控系統導航界面

圖3 樁基自動監控系統數據傳輸流程圖

圖4 設計樁點數據導入

2、主控模塊

主控模塊，主要是由主控控制器、WIFI 無線天線和4G 天線組成，對整個系統平臺的數據傳輸進行全方位的管控。包括樁位設計數據的傳輸、現場樁基設備的數據采集、傳入后臺服務器進行數據處理、成果數據遠程發布在系統及移動端等各個環節，均由主控模塊進行管理，可以說此模塊為整個管理系統的大腦。

3、傳感器

傳感器模塊主要包括布設在樁機設備上的一系列傳感器的總稱，其主要包括垂度傳感器、電流傳感器、入料流量傳感器等。

垂度傳感器也叫做傾角傳感器，其監測原理是將感應器件在位置傾斜時發生的與大地引力方向的夾角變化這一物理量轉化為模擬信號輸出，將傳感器安裝在樁桿上，實時傳輸樁桿姿態數據至控制終端上。

電流傳感器采用的是電磁式電流互感器，通過交流電引起的傳感線圈的電磁感應變化來反映電流的大小，結合高程定位模塊確定的鉆孔深度來確定終孔電流值的大小。

入料傳感器，即混凝土灌入量傳感器，主要安裝在泵機設備上，用于監測每次泵機推送的混凝土量的多少，從而作為重要參數來確定每個樁體的混凝土灌入量。

三、項目應用

本系統在在建某條鐵路項目中進行了應用，在站場路基施工前，進行軟基處理時，利用安裝在樁機設備上的自動監控設備對整個路基范圍的樁基進行監控施工。

首先，在后臺管理系統中建立項目信息，導入設計樁點數據，然后建立工點模型。其中設計樁點數據包括點號、坐標、高程、樁深等參數，為指導樁點施工提供依據。

其次，結合配置的施工底圖，根據系統顯示的施工狀態，在北斗衛星信號固定的情況下，可實時顯示與樁點設計數據的坐標差值，導航到樁點位置進行施工，同時檢核確定高程定位數據的準確性。可保證樁點施工位置的準確性，同時，減少測量人員樁點放樣的工作，提高現場施工效率，減少技術人員投入。

再次，樁點正式開始施工時，在施工過程中需要檢核傳感器是否可以正常運作，否則會影響施工過程數據、樁深、持力層電流和灌入量等參數；在確保外部傳感器連接正確后，過程中需時刻注意相關傳感器的數據參數，包括垂直度傳感器、持力層電流傳感器、流量傳感器等，這些傳感器的監測數據將直接決定著樁體施工質量的好壞。

通過現場300 多個樁點的施工應用，與傳統人工記錄相比，在人員成本和數據精度上有明顯的提高。系統的硬件設備在施工現場嘈雜、高溫、振動、揚塵等惡劣環境下運行良好，在監測數據準確性、系統運行穩定性上保持了很高的水準，保證了監測數據的實時上傳，優化提高了現場的施工水平。

圖5 后臺工點模型建立

圖6 后臺設計樁點導航施工

圖7 后臺施工中傳感器參數

圖8 樁基自動化系統電腦端平臺

四、總結

工程施工過程中的質量監管一直是項目管理中的重點和難點，尤其對于隱蔽工程，對其施工的過程管控一直缺少有效的手段，樁基自動化監控填補了樁基施工過程中的監控空白。該技術以北斗高精度定位技術為基礎，依靠一系列的傳感器設備，實現對樁基施工的全過程監控，由原來的結果控制轉變為過程控制。同時過程數據實時上傳至后臺管理平臺，便于管理人員遠程監管，該系統經過一系列的工程應用，其穩定性、可靠性均得到了實際驗證，有效提高了樁基施工的質量管控和信息化水平。