水泥土雙向攪拌樁自動智能化施工研究與應用

于連娜 邊 超

天津深基工程有限公司 天津 300222

與傳統水泥土攪拌樁相比，水泥土雙向攪拌樁能夠有效解決冒漿問題，大幅度提高地基加固效果[1]。水泥土雙向攪拌樁由于具有造價低、工期短及土體加固效果好等優點，已成為目前應用最為廣泛的軟基處理方法之一[2]。

目前，我國水泥土雙向攪拌樁的施工多采用手動操作，施工現場隱蔽性強，可視性效果差，因此，在水泥土雙向攪拌樁施工過程中常常會發生水泥粉（漿）沿樁體分布不均勻等情況，從而降低了樁體施工質量，影響軟基加固效果[3-4]。

傳統的水泥土雙向攪拌樁施工方法已經落后于工程人員對于軟基處理的要求和標準。因此，本文以水泥土雙向攪拌樁智能化施工為研究方向，將水泥土雙向攪拌樁施工數字化、可視化，進而提升施工的精準性和可靠性。自動化施工降低了人為操作對樁體質量的影響，智能化控制噴灰均勻，壓力穩定，同時裝配有實時監控系統，能有效保證施工質量。

1 施工工藝研究內容

1.1 工藝比選

自2010年東南大學研究發明水泥土雙向攪拌樁施工工藝以來，原先的單向攪拌樁工藝逐漸被淘汰。目前，國內水泥土雙向攪拌樁施工工藝有2種，分別為干法和濕法。當地基土的天然含水率小于30%時宜采用濕法施工，當地基土的天然含水率大于30%時宜采用干法施工。

背景工程為引江濟淮工程（安徽段）白山船閘項目，水泥土攪拌樁總計約380萬延米，占工程總產值的40%，同時作為堤防防護樁，要兼備抗剪要求。根據工程實際地質情況（天然含水率為44.9%），結合水泥土雙向攪拌樁工藝性試樁成果，白山船閘軟基處理工程中的水泥土雙向攪拌樁采用干法施工工藝。

1.2 智能化施工工藝原理

水泥土雙向攪拌樁樁機的動力系統分別帶動安裝在內外同心鉆桿上的2組攪拌葉片，同時、同速地進行正反雙向切土，使鉆機在施工過程中形成全程復攪，充分攪拌土體，從而提高樁體攪拌的均勻性，增加樁身的強度，并能有效地改善復合地基的承載特性，從而提高軟土地基的承載力。

水泥土雙向攪拌樁智能化施工是通過智能樁機、云端服務器和信息傳輸系統對成樁深度、噴灰壓力、噴灰量、內外鉆桿電流和樁機機架垂直度等進行監測，實時采集的數據無線傳輸至監控主機，供監控主機完成分析與控制工作。同時對傳感器采集的施工數據進行分析，與設定的報警限值進行對比，如超出報警限值則響起警報，督促現場操作人員及時檢查糾正。

通過通信網絡或Internet網絡，憑借網絡信息的查詢、雙向傳輸，實時匯總到施工控制研究中心，經過智能化系統的分析計算與實時化、智能化的決策控制，實現水泥土雙向攪拌樁智能化施工控制。同時，將采集的數據上傳至云端服務器，通過PC端及移動端訪問，對現場施工進行實時監控，如圖1所示。

圖1 智能化施工原理

1.3 設備及功能

水泥土雙向攪拌樁智能化施工所需設備及功能如下：

1）智能操作電氣箱：是水泥土雙向攪拌樁智能化施工的核心部件，是施工控制中心，能夠通過通信網絡或Internet網絡進行雙向數據傳輸，經過系統的分析計算與決策控制，實現水泥土雙向攪拌樁智能化施工。

2）全自動灰罐：配備稱重傳感器、壓力傳感器及自動化操作氣閥、蝶閥等設施，能夠實現自動送灰、泄壓上料、噴灰量控制及數據上傳等功能。

3）絞龍（螺旋輸送機）：一端與全自動灰罐連接，一端與水泥罐連接，通過信號線與控制中心進行信息傳輸，能夠根據所需灰量進行自動供灰。

4）螺桿式空氣壓縮機：粉噴樁施工的送氣、送灰及壓力來源，能夠根據氣壓變化自動進行供氣、停氣。

5）儲氣罐：與空氣壓縮機相連接，主要起到穩定氣壓、儲存空氣的作用。

6）干燥機：對施工所用的空氣進行干燥，防止空氣中的水分與水泥接觸造成水泥結塊堵管等現象。

7）監控系統：對傳感器采集的施工數據進行分析，如超出報警值則響起警報，督促現場操作人員及時檢查糾正。

8）PC端及移動端：通過訪問云端服務器網址，實施對施工現場每臺樁機的實時監控。

1.4 主要施工工藝

樁機按照測量點位移動至施工位置后，由樁機操作手輸入樁基編號，開始進行樁基施工，樁基施工采用兩攪一噴（下鉆時邊攪拌邊噴灰、提鉆時只攪拌不噴灰）施工工藝，相關控制均通過氣閥啟閉完成。水泥土雙向攪拌樁智能化施工設備如圖2所示。

圖2 智能化施工設備示意

1.4.1 下鉆

樁機下鉆時排壓閥、補料閥處于閉合狀態，補壓閥處于開啟狀態，噴灰閥及噴氣閥交替啟閉，完成噴灰作業。具體工藝如下：

灰罐排壓閥、補料閥、絞龍關閉，補壓閥打開，內外鉆桿正常運行，鉆桿下鉆進入地面以下20 cm（空鉆深度，可變）后，系統根據設定開始自動噴灰、噴氣，設定每米所需灰量為63 kg，空鉆時系統只設定間隔噴氣作業，以避免鉆桿堵桿。當鉆進深度大于空鉆長度后，系統執行噴灰流程，每米中的0～80 cm段設定噴灰時長為1 s，噴氣時長為2 s，系統計算時長1.5 s，每次噴灰量為10～15 kg，噴灰、噴氣交替進行，0～80 cm段的噴灰、噴氣循環間隔時間不定（根據系統計算自動調整，計算間隔時間超過7 s自動進行一次噴氣作業，以防鉆頭噴灰孔阻塞）。每米中的80～100 cm段設定噴灰時間為0.3～0.5 s，噴氣時間為2 s，以實現計量精度，系統根據鉆桿下鉆深度運算當前位置所需灰量，并與已噴灰量對比，當已噴灰量與所需灰量差值大于噴灰參數（可變）并且已噴灰量未達到設定的每米所需灰量63 kg時，延遲1.5 s（可變）系統自動執行噴灰、噴氣循環，噴灰、噴氣時間根據每米鉆進深度自動切換。每米中的0～80 cm段噴灰、噴氣頻率低，每次灰量大，每米中的80～100 cm段噴灰噴氣頻率高，每次灰量小。系統計算每米噴灰量并實時打印出已完成每米灰量、時間，當鉆進深度大于設計鉆進深度時，系統自動切換，只執行噴氣作業。

1.4.2 提鉆

樁機提鉆時，噴灰閥、補壓閥處于閉合狀態，排壓閥、補料閥處于開啟狀態，至灰罐內水泥達到設定量（1 300 kg）后關閉（此工作在提鉆完成前結束），噴氣閥間隔性啟閉送氣直至提鉆完成。具體工藝如下：

操作人員按下提鉆控制按鈕后，系統自動判斷當前灰罐質量是否大于工程樁所需灰量。灰罐質量小于工程樁所需灰量時，灰罐排壓閥打開將灰罐內空氣排出，當壓力小于20 kPa后，延時10 s打開補料閥。補料閥打開后延時5 s打開絞龍，為灰罐補料。

補料過程中設備提鉆噴氣繼續作業，排壓閥一直開啟。當灰罐質量達到設定質量后（1 300 kg），系統自動關閉絞龍，延時7 s后，關閉排壓閥及補料閥，再經過5 s后打開補壓閥，為灰罐補充壓力，灰罐補料在設備提鉆過程中進行。

提鉆完成后，前臺自帶微型打印機打印施工小票，樁機移位至下一施工位置繼續進行樁基作業。

樁機施工全過程數據均可在樁機智能化施工前臺顯示，作為操作手操作依據，監控數據同步完整傳輸至PC端和移動端，實現實時監控。

1.5 施工控制要點

1）目前市場上水泥土攪拌樁施工以手動操作為主，操作手文化程度較低，對自動化操作控制學習接受能力低，要加強培訓。

2）所有攪拌樁機在智能化操控系統安裝前要確保設備性能穩定，在電流表、電壓表、壓力表、電子秤等裝置安裝完成后，要重新進行計量標定并定時校核。

3）每臺設備均要配備完整的計量監測自動記錄系統，對深度、流量、壓力、電流、傾斜度等各個技術指標進行自動監測、記錄及打印。

4）確保后臺設備的封閉性（尤其是灰罐和絞龍的軟連接處），防止水泥受潮結塊堵塞噴灰管，影響施工效率。

2 工藝實施效果

施工結束后，按照設計規范要求對攪拌樁樁體進行了取芯完整率、無側限抗壓強度、標貫試驗。

2.1 取芯完整率

采用自動化施工的攪拌樁14 d齡期取芯率平均為92.69%，28 d齡期取芯率平均為93.51%，芯樣完整率遠超手動操作所施工的樁基（14 d齡期取芯率平均為82.81%，28 d齡期取芯率平均為87.77%）。

2.2 無側限抗壓強度

采用智能自動化施工的攪拌樁1 4 d 抗壓強度為2.7 MPa，28 d抗壓強度為3.1 MPa。采用人工手動操作的攪拌樁14 d抗壓強度為1.8 MPa，28 d抗壓強度為2.6 MPa。

2.3 標貫試驗

采用人工手動操作施工的攪拌樁在深度3～5 m范圍內，標貫擊數偏低，為6.44～13.76擊，其他深度貫入擊數一般在30擊左右；采用智能化施工的攪拌樁，樁身貫入擊數總體上較高，樁貫入擊數均在30擊以上。

綜上檢測結果可知，采用自動化施工的攪拌樁樁體質量優于手動操作的攪拌樁樁體質量，并且樁體更為均勻。

3 效益評估

3.1 社會效益

由項目部自主研發的水泥土攪拌樁智能化操作系統得到了業主、監理及行業內其他單位的認可，提升了企業知名度，開拓了后續施工市場。

3.2 安全、環保效益

水泥土雙向攪拌樁自動化施工通過后臺全自動灰罐，采取自動供灰的方式替代了原手動操作施工中的手動加灰，減少了揚塵污染，同時避免了水泥粉塵對后臺操作手的身體健康造成傷害。

3.3 質量效益

自動化施工降低了人為操作對樁體質量的影響，智能化控制噴灰均勻，壓力穩定，同時裝配有實時監控系統，施工質量能得到有效保證。

3.4 經濟效益

水泥土雙向攪拌樁自動化施工采用自動上料、送灰、噴灰的工作方式，每臺設備每班只需1人即可完成全部施工操作，而原先的手動操作采用半自動上料、手動送灰、噴灰，每臺設備每班需要2～3人才能完成整個施工作業，自動化施工降低了人工成本（平均每米成本降低1.0～1.5元），同時也降低了勞動強度。

4 結語

項目部自主研發的水泥土雙向攪拌樁自動化施工及監測系統處于全國領先地位，現已在白山船閘項目得到了全面推廣應用，后續項目部將會在軟基處理等方面繼續深入研究，使施工工藝不斷地得到優化創新，為新技術的研究工作增磚添瓦。另外，本文所總結的施工技術，也可為類似工程的施工提供借鑒。