傾斜巖層下沖孔灌注樁斜巖處理施工技術分析

滿 鑫 中鐵二十二局集團市政工程有限公司工程師

1 研究背景

巖溶地區復雜多變的地質條件給工程帶來了巨大的基礎問題，傾斜巖層在巖溶區是常見的不良地質情況，對傾斜巖層處理不當往往會導致嚴重的工程事故。在傾斜巖層條件下進行樁基礎施工時，如果采用傾斜的巖石面作為持力層，如果樁頂承受較大的荷載，可能造成樁基礎沉降過大，導致事故發生。同時，在沖孔灌注樁樁基礎施工時也可能導致嚴重的施工事故。

為了研究巖溶地區沖孔灌注樁的安全穩定施工，學者們對巖溶地區傾斜巖層條件下樁基礎的施工技術進行研究分析。王澤林等基于寧波-舟山港衢山港區鼠浪湖礦石中轉碼頭工程研究了斜巖條件下大直徑嵌巖樁的施工方法[1]；金暉基于微機自動控制系統，提高了沖孔灌注樁斜巖施工的效率[2]；蒙江濤等對巖溶地區傾斜巖層中鉆孔灌注樁的施工技術進行了總結[3]；陳景輝通過實際工程總結了深層大傾斜巖面下鉆孔灌注樁的施工方法[4]；凌勁參考實際工程，建立數值模型分析了斜巖條件下樁基礎的承載特性[5]。

工程實踐證明，巖溶地區的巖面標高復雜多變，多存在傾斜巖面，穿越傾瀉斜巖面的樁在入巖施工時經常存在卡錘、每次進尺小甚至無法進尺的問題，造成施工進度過慢、施工成本增加的問題。目前針對斜巖傾斜角度的研究仍然較少，在施工過程中，判斷沖孔灌注樁斜巖需要依靠人工進行全過程實時監測，存在人為判斷不準確、不及時等問題，且發現斜巖后，需要進行人工測量并計算得到斜巖的傾斜角度，導致費時費力、人工成本高和施工效率低。

2 工程概況

廣州北站綜合交通樞紐開發建設項目（二期）安置區地塊二位于廣州市花都區廣州北站南側，工業大道東旁粵花小區附近，屬廣州北站綜合交通樞紐項目的配套工程。項目主要包括住宅樓、商鋪和相應配套（幼兒園、派出所等），住宅樓高度在81.8～97.8 m，其他公建配套建筑高度均不大于24 m。本工程結構形式為剪力墻結構，住宅樓抗震設防為丙類，幼兒園抗震設防為乙類。基礎擬采用鉆（沖）孔灌注樁樁基礎、微風化灰巖作為基礎持力層。

3 基于視頻監測技術的沖孔灌注樁施工工藝及斜巖處理方法

3.1 傾斜巖層條件下沖孔灌注樁施工特點

在進行沖孔灌注樁樁基礎施工時，由于存在傾斜巖層，沖錘沖擊的平面位置存在較大的強度差，強度較弱的一側在快速沖進的沖錘沖擊下發生較大的下沉位移；強度大的一側下沉位移小，導致沖錘發生傾斜。如果未及時發現傾斜巖層并對其進行處理，由于沖錘沖進施工，沖錘斜向沖進斜巖處樁孔孔壁，會造成斜巖處孔徑增大，形成斜孔，破壞孔壁甚至發生塌孔事故。因此需要在施工過程中及時發現傾斜巖層的存在，并處理斜巖，保證沖錘沖進的位置為一個同等強度的平面，使沖錘能夠平穩沖進，以此提高施工效率，避免施工事故。為了實現沖孔灌注樁斜巖的高效判別及處理，本文引入視頻監測技術，將其應用于沖孔灌注樁施工中，完成斜巖的智能判別及處理施工，形成基于視頻檢測技術的沖孔灌注樁施工工藝，其施工流程如圖1所示。

圖1 基于視頻監測技術的沖孔灌注樁施工工藝流程

3.2 基于視頻監測技術的沖孔灌注樁斜巖判別及處理施工工藝

3.2.1 沖孔灌注樁施工準備

首先鋪設沖孔灌注樁施工流水線，進行樁位的定位及放樣，埋設一定深度的鋼護筒，由工程師檢查樁位放樣及鋼護筒施工質量，通過檢查后，沖孔灌注樁樁機就位。

3.2.2 視頻監測技術判別斜巖及處理

（1） 安裝相機及反光條裝置

在沖孔灌注樁樁機附近放置兩臺相機，并將其固定在三腳架上，用于從不同方位實時監測沖孔灌注樁施工的過程，在沖錘上方的鋼絲繩上等距安裝多條反光條，為相機提供明確的跟蹤目標，并監測沖錘沖進深度，如圖2所示。

圖2 安裝相機裝置及反光條

安裝多條反光條可防止第一條反光條隨沖錘沖進后進入樁孔后導致相機跟蹤目標丟失。控制終端為平板電腦，由施工人員控制。裝置安裝示意圖如圖3所示。

圖3 沖孔灌注樁斜巖視頻監測簡圖

（2） 視頻監測系統實時監測

相機裝置與電腦控制終端通過無線網絡進行連接，實時監測沖孔灌注樁施工過程，視頻數據實時傳輸至電腦控制終端，形成視頻監測系統，連接關系如圖4所示。

圖4 視頻監測系統

（3） 視頻處理

在建立視頻監測系統后，開始沖孔灌注樁施工。相機設備實時監測施工過程，并將視頻數據傳輸至電腦控制終端，電腦控制終端接收到視頻數據后，由視頻監測系統軟件對視頻圖像進行實時處理，將帶有反光條的鋼絲繩從視頻圖像中與背景圖像分離，以此提高圖像處理效率。視頻圖像處理過程為：灰度化處理→目標邊緣檢測→目標背景分割處理，如圖5所示。

圖5 視頻圖像處理過程 （a）視頻圖像 （b）灰度化 （c）邊緣監測 （d）分割處理

（4） 斜巖傾斜角度判別

控制系統實時監控并處理視頻中每一幀圖像的反光條，判斷鋼絲繩是否發生明顯偏位，并由控制終端通過智能算法計算反光條的豎向位移及偏位情況，從而計算出斜巖的傾斜角度，并根據反光條偏位情況判別沖孔灌注樁樁底是否存在斜巖。

通過布置兩臺不同方位的相機同時對沖孔灌注樁施工過程進行實時監測，兩臺相機監測面與鋼絲繩偏位情況的幾何關系如圖6所示。

圖6 相機監測面與鋼絲繩偏位幾何關系圖

反光條的豎向位移及水平位移計算公式如下：

其中，Hji、Xji分別為沖錘第i次沖進后相機j監測到反光條的豎向位移、水平偏位位移。反光條偏位角度計算公式如下：

由此得到反光條偏移角度為：

預測斜巖傾斜角度為：

（5） 斜巖處理

視頻監測系統實時監控沖孔灌注樁施工過程，當發現存在斜巖時，系統自動發出警報，提醒施工人員停止施工，并通過智能算法預估所需拋填片石的用量。計算公式如下：

公式7中，R為樁孔的直徑，d為較樁孔內斜巖最高點高出的厚度，常取1 m。

根據斜巖傾斜角度預估拋填片石用量，并對斜巖進行處理，如圖7所示。拋填片石后，首先進行低錘密擊，夯實填料，然后進行高錘重擊，反復沖錘至斜巖處理平整，然后繼續沖孔灌注樁施工，視頻監測系統持續監測施工過程。

圖7 沖孔灌注樁斜巖拋填片石處理

3.2.3 沖錘施工至設計標高

完成斜巖處理后繼續沖進施工，視頻監測系統軟件根據式（1）自動監測沖錘沖進深度，在達到設計標高時，系統自動發出提示，施工人員根據提示停止施工，提出沖錘。

3.2.4 清孔

提出沖錘后，對沖孔灌注樁樁基礎采用氣舉反循環法進行兩次清孔施工工藝。

（1）第一次清孔。在沖孔灌注樁樁基礎施工至設計標高后，提出沖錘，移走沖孔灌注樁樁機，進行第1次清孔施工。在樁孔頂部安裝導管夾板工具，下放導管，并將氣管連接好，綁扎于導管外側，導管接口與泥沙分離設備連接。氣管與空壓機連接，啟動機器開始從小到大送氣，反復循環進行清孔，完成第一次清孔后，進行終孔檢查，對孔斜、孔徑等的質量進行檢查。

（2）第二次清孔。下放鋼筋籠、導管、氣管，按照第一步清孔步驟進行二次清孔。

3.2.5 沖孔灌注樁灌注水下混凝土

完成兩次清孔施工后，采用剛性導管往樁孔中灌注水下混凝土，灌注過程中應時刻注意首次澆筑量、導管埋深等。灌注完成后，測量混凝土面的標高并記錄，完成沖孔灌注樁的施工，對混凝土強度及樁位進行檢查，并報工程師審批，審批完成后即可進行下一道工序。

4 經濟效益分析

在廣州北站綜合交通樞紐開發建設項目（二期）工程項目中，若按照傳統方法，則每臺樁基均需要施工人員進行實時監控，平均每天需要人工費用1.2萬元、管理費用1萬元、水電費等其他費用2萬元，如表1所示。通過成功應用基于視頻監測的沖孔灌注樁斜巖判別及處理技術，共縮短30天工期，節省126萬元。

表1 經濟效果分析

5 結語

本文基于傾斜巖層條件下沖孔灌注樁施工存在的施工難題，提出了基于視頻監測技術的沖孔灌注樁斜巖判別及處理施工方法，并引入視頻監測技術對沖孔灌注樁施工過程中的反光條及鋼絲繩進行實時監測，實現了沖孔灌注樁斜巖的智能識別及智能化施工，節省了人力、物力，提高了施工效率，并取得較高的經濟效益。