物聯(lián)網(wǎng)全過程管控水泥攪拌樁關(guān)鍵技術(shù)研究

何楊閩 浙江交工集團(tuán)股份有限公司 浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司

水泥攪拌樁通過采用強(qiáng)制機(jī)械拌和水泥與軟土后形成水泥土，并在水泥與軟土之間發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，使軟土固結(jié)提高地基的承載力，減小地基變形，目前已廣泛應(yīng)用于軟土地基處理。然而，由于水泥攪拌樁屬于隱蔽工程，其質(zhì)量控制指標(biāo)受人為因素影響較大，且成樁后的樁身質(zhì)量檢測具有一定的滯后性，若發(fā)現(xiàn)問題無法及時(shí)采取補(bǔ)救措施。可見，水泥攪拌樁施工具有高度的隱蔽性和不可控性，如何提高施工質(zhì)量管控水平一直備受關(guān)注。

國內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)水泥攪拌樁開展了系統(tǒng)研究，包括加固機(jī)理、施工工藝、質(zhì)量管控措施、成樁檢測技術(shù)等方面。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，智能監(jiān)控技術(shù)尤其是“物聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在水泥攪拌樁的施工監(jiān)測中逐漸得到應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的智能監(jiān)控技術(shù)還無法同時(shí)監(jiān)測水泥攪拌樁的漿液質(zhì)量、樁長、攪拌次數(shù)、噴漿流量、噴漿壓力、樁位及樁垂直度等參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)的一體化技術(shù)還不夠完善和全面。此外，部分?jǐn)?shù)據(jù)采集傳感器信號(hào)需要轉(zhuǎn)換，尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，不能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

針對(duì)上述問題，本文以“物聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)為載體，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，開展物聯(lián)網(wǎng)全過程管控水泥攪拌樁關(guān)鍵技術(shù)研究，以期解決隱蔽工程水泥攪拌樁施工數(shù)據(jù)不透明、質(zhì)量控制難度大、監(jiān)管投入高、信息反饋不及時(shí)等弊端。

1.工程概況

G25長深高速德清至富陽段擴(kuò)容湖州段土建第KTJ01標(biāo)段，路線全長14.363km。淺部分布有海積淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，軟土厚度1-9m不等，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，采用物聯(lián)網(wǎng)全過程管控的水泥攪拌樁進(jìn)行加固，全線水泥攪拌樁430389m。中部主要為沖湖積粉質(zhì)黏土，層厚10-20m，下伏基巖。

本文試驗(yàn)段選擇在一般路基段，該路段位于湖沼積平原區(qū)，地勢寬廣平坦，為農(nóng)耕地，線路在本段以填方通過，地基為軟土地基。試樁數(shù)量為44根，三角形分布形式，樁間距1.4m，樁長8m，共計(jì)448m。樁體采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，設(shè)計(jì)水灰比0.45～0.55，樁徑0.5m，設(shè)計(jì)水泥用量為55kg/m。

2.物聯(lián)網(wǎng)管控工作原理

本工程物聯(lián)網(wǎng)管控技術(shù)采用的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)主要由水泥凈漿自動(dòng)化制漿操作儀（后臺(tái)）和智能樁機(jī)系統(tǒng)（前臺(tái)）兩大部分組成，可以監(jiān)控水泥攪拌樁的各項(xiàng)指標(biāo)（樁長、流量、電流、鉆速、泥漿比重、用漿量、水泥用量、施工流程、施工持續(xù)時(shí)間）。其工藝原理可概述為：施工前，在前臺(tái)和后臺(tái)系統(tǒng)界面根據(jù)設(shè)計(jì)值設(shè)定初始值及允許誤差范圍，并對(duì)前臺(tái)現(xiàn)場各儀器進(jìn)行校正歸零，正式施工時(shí)通過現(xiàn)場儀器監(jiān)測獲得的實(shí)時(shí)施工參數(shù)，系統(tǒng)同步與初始值進(jìn)行對(duì)比，一旦實(shí)測值超出初始設(shè)定值的允許誤差范圍，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警指示，從而指導(dǎo)操作以滿足設(shè)計(jì)與施工要求。

水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量控制包括深度、流量、垂直度、密度等幾大要素，其中制漿是水泥攪拌樁施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水泥漿液的質(zhì)量直接關(guān)系到成樁質(zhì)量。其中，后臺(tái)水泥凈漿自動(dòng)化制漿操作儀的作用就是根據(jù)試驗(yàn)室給定的水泥漿配比，在其系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定，設(shè)備將自動(dòng)下料拌和制漿，可有效提高水泥漿液的質(zhì)量，界面如圖1所示。前臺(tái)智能樁機(jī)系統(tǒng)的作用是通過在樁機(jī)不同位置安裝深度傳感器、電磁流量計(jì)、密度傳感器等多種傳感器獲得實(shí)時(shí)施工參數(shù)，并與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖1 水泥凈漿智能化制備操作界面

圖2 前臺(tái)智能樁機(jī)系統(tǒng)組成示意圖

3.工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 工藝流程

水泥攪拌樁處理軟土地基物聯(lián)網(wǎng)全過程管控施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程圖

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 監(jiān)測設(shè)備安裝

深度傳感器安裝包含光電編碼器和光電編碼器支架。鋼絲繩作為架子，鏈條機(jī)作為轉(zhuǎn)盤；在鉆機(jī)立架上選擇合適位置將光電編碼器支架安裝在鉆機(jī)和鉆桿外降鋼絲繩之間，并且將此鋼絲繩緊貼于支架上的滑輪槽，鏈條機(jī)安裝在鉆機(jī)立架合適位置。電磁流量計(jì)一般安裝在鉆機(jī)支架托盤處的兩邊。安裝時(shí)，注意流量計(jì)內(nèi)泥漿流向必須與流量器上的流向箭頭指向一致，將其固定在托盤邊處并使流量計(jì)的流向箭頭朝上。電流互感器安裝在電控柜里連接動(dòng)力頭電機(jī)的三根火線，把互感器的孔套到一根火線上。

如圖4所示，將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主機(jī)安放在樁機(jī)上方便人員操作的合適位置，一般放在電控柜上。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主機(jī)安裝好后，插入深度傳感器、電磁流量計(jì)及電流互感器的信號(hào)線，所有信號(hào)線都用不同的航空插頭和固定方向，注意插頭孔數(shù)和方向。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主機(jī)

3.2.2 攪拌樁鉆機(jī)定位

攪拌機(jī)到達(dá)施工作業(yè)場地后通過縱橫向移位，鉆頭對(duì)準(zhǔn)孔位，誤差不大于50mm。鉆機(jī)就位后，調(diào)節(jié)液壓支腿，調(diào)整樁機(jī)平臺(tái)使之水平，前后采用水平尺控制，左右采用鉛錘控制，保證鉆機(jī)垂直度偏差不超過1.5%。

3.2.3 鉆進(jìn)噴漿下沉

采用后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)水泥凈漿智能化制備泥漿，依據(jù)試驗(yàn)室給定的水泥漿配比，進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定后，設(shè)備將進(jìn)行自動(dòng)下料拌和。如圖5所示，登錄在線實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，通過前臺(tái)智能樁機(jī)系統(tǒng)中不同傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋，可在線查看單樁云平臺(tái)每延米平均數(shù)據(jù)等，可視化繪制出時(shí)間-深度-流量-速度-電流-漿量等關(guān)系曲線，并可將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為excel表的形式。

圖5 時(shí)間-深度-流量-速度-電流-漿量等關(guān)系曲線

4.應(yīng)用效果

成樁28天后，根據(jù)要求選取一定數(shù)量的樁基，采用雙管單動(dòng)取樣器鉆取芯樣做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和單樁承載力檢測。其中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.80-1.80MPa之間，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。對(duì)于樁長10m水泥攪拌樁，其單樁承載力不低于157kN，同樣滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

此外，傳統(tǒng)工藝施工需每臺(tái)設(shè)備每班制需配備2名制漿人員，1名機(jī)械輔助定位人員，2名樁機(jī)操作人員，1名技術(shù)記錄人員，以及相應(yīng)監(jiān)管及記錄數(shù)據(jù)錄入處理人員1名，每臺(tái)設(shè)備折算配置7人。而采用物聯(lián)網(wǎng)全過程管控技術(shù)，每兩臺(tái)設(shè)備僅需配1名制漿人員進(jìn)行電控按鈕操作，2名機(jī)械輔助定位人員，3名樁機(jī)操作人員。無需專項(xiàng)配置監(jiān)管人員和記錄數(shù)據(jù)錄入處理人員，每臺(tái)設(shè)備折算配置為3人，節(jié)省4名勞動(dòng)力。

以應(yīng)用工程中全部水泥攪拌樁施工量430389m為計(jì)算依據(jù)，每臺(tái)機(jī)每臺(tái)班施工200m，共需2152臺(tái)班。經(jīng)計(jì)算，可節(jié)省人工成本：2152臺(tái)班×200元/臺(tái)班/人×4人=172.16萬元；物聯(lián)網(wǎng)增加費(fèi)用按1.4元/m計(jì)取，設(shè)備成本將增加：430389m×1.4元/m=60.25萬元。因此，采用本技術(shù)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益111.91萬元。

5.結(jié)論

依托G25長深高速德清至富陽段擴(kuò)容湖州段土建工程，本文開展物聯(lián)網(wǎng)全過程管控水泥攪拌樁關(guān)鍵技術(shù)研究，主要結(jié)論如下：

（1）采用物聯(lián)網(wǎng)管控技術(shù)解決了隱蔽工程水泥攪拌樁施工數(shù)據(jù)不透明、質(zhì)量控制難度大、監(jiān)管投入高、信息反饋不及時(shí)等弊端，顯著提高了水泥攪拌樁的施工質(zhì)量和施工水平。

（2）前臺(tái)智能樁機(jī)系統(tǒng)通過安裝成套先進(jìn)監(jiān)控設(shè)備來記錄查詢施工過程原始數(shù)據(jù)及成果報(bào)表，實(shí)現(xiàn)攪拌樁質(zhì)量全數(shù)字化、施工全過程跟蹤、可反饋和可追溯。

（3）后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)制漿系統(tǒng)智能制備水泥漿，有效減少了泥漿的浪費(fèi)和對(duì)周圍環(huán)境的污染，符合目前綠色施工、節(jié)能環(huán)保的響應(yīng)。