樁頂擱置式自移動(dòng)打樁平臺(tái)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張北平

（中交四航局江門航通船業(yè)有限公司，江門 529145）

1 前言

四航局秘魯錢凱項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)海域常年遭受長(zhǎng)周期波強(qiáng)涌浪的影響，為提高樁基施工的效率、質(zhì)量與安全，專門設(shè)計(jì)制造了一套支撐在永久樁上的樁頂擱置式自移動(dòng)打樁平臺(tái)[1]。該平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）工作狀態(tài)：不大于6 級(jí)風(fēng)，水流流速不超過0.5 m/s，波浪周期10 s～18 s，波高不超過 3 m；

（2）自存狀態(tài)：不大于11 級(jí)風(fēng)，水流流速不超過1 m/s，波高不超過4.5 m；

（3）抗震設(shè)防烈度，8 級(jí)；

（4）打樁平臺(tái)移動(dòng)速度，約0.5 m/min；

（5）工作狀況下抱樁架承受的最大橫向力≯30 t；

（6）平臺(tái)主體尺寸：寬25 m、長(zhǎng)31.4 m；

（7）打樁平臺(tái)為裝配式，可采用集裝箱運(yùn)輸。

樁頂擱置式自移動(dòng)打樁平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)為箱梁框架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)具有一定的載荷承受能力以便布置各類施工輔助設(shè)備，平臺(tái)移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式為液壓油缸步履頂推驅(qū)動(dòng)，并共設(shè)置了兩種類型的7 套抱樁器。其中：前方3 套抱樁器為可移動(dòng)式抱樁器，左右兩側(cè)各2 套抱樁器為固定式抱樁器，滿足一個(gè)工位能完成7 根樁的沉樁作業(yè)；安裝有400 t 履帶吊、發(fā)電機(jī)組、液壓站、伸縮吊機(jī)、樁錘等施工作業(yè)設(shè)備。平臺(tái)總布置圖，見圖1 和圖2。

圖1 打樁平臺(tái)俯視圖

圖2 打樁平臺(tái)前視圖

樁頂擱置式自移動(dòng)打樁平臺(tái)的主要設(shè)備，見表1。

表1 平臺(tái)主要電氣設(shè)備

本樁頂擱置式自移動(dòng)打樁平臺(tái)具有平臺(tái)移動(dòng)控制及定位、抱樁器控制、打樁監(jiān)測(cè)功能、安全監(jiān)測(cè)功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)上主要施工設(shè)備的監(jiān)控。平臺(tái)控制系統(tǒng)分為：平臺(tái)移動(dòng)控制及定位系統(tǒng)、抱樁器控制系統(tǒng)、打樁監(jiān)控系統(tǒng)、平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并將各子系統(tǒng)的控制集成至控制室操控臺(tái)，形成統(tǒng)一的樁頂擱置式自移動(dòng)打樁平臺(tái)電控系統(tǒng)。

2 平臺(tái)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制功能

樁頂擱置式自移動(dòng)打樁平臺(tái)電控系統(tǒng)，由相關(guān)軟硬件配置組成。設(shè)置了工控機(jī)、PLC、GPS、UPS、控制面板、顯示器、視頻監(jiān)控設(shè)備及各類傳感器等,具備遠(yuǎn)程可視化操作，總體功能如下：

（1）定位系統(tǒng)。采用GPS 結(jié)合打樁平臺(tái)的液壓移動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)打樁平臺(tái)的精準(zhǔn)定位；

（2）平臺(tái)移動(dòng)功能。采用本地/遠(yuǎn)程兩種操控模式,對(duì)平臺(tái)移動(dòng)進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)控制，具備自動(dòng)行走功能；

（3）抱樁器開合控制；

（4）打樁監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)樁身的垂直度、貫入度、錘擊數(shù)等信息，并生成施工報(bào)表；

（5）安全監(jiān)測(cè)。包括平臺(tái)水平度的監(jiān)測(cè)、所受水平力的監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)施工的視頻監(jiān)控；

（6）設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。對(duì)主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息實(shí)時(shí)采集并顯示。

2.2 平臺(tái)移動(dòng)控制及定位系統(tǒng)

2.2.1 平臺(tái)移動(dòng)控制

平臺(tái)采用液壓油缸步履頂推的移動(dòng)方式。共設(shè)置了4 套驅(qū)動(dòng)輪組和2 套被動(dòng)輪組，每套驅(qū)動(dòng)輪組采用兩條驅(qū)動(dòng)油缸組成，滿足平臺(tái)雙向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力需求。

平臺(tái)移動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能如下：

（1）發(fā)送動(dòng)作指令給液壓泵站PLC，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停止液壓泵站，具有手動(dòng)/自動(dòng)選擇、前進(jìn)/停止/后退控制、急停等控制功能；

（2）采集液壓泵站數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)移動(dòng)行程測(cè)量功能。采用GPS和平臺(tái)移動(dòng)油缸行程傳感器結(jié)合實(shí)現(xiàn)，在控制室顯示平臺(tái)移動(dòng)的速度、位移量、功率、故障等；

（3）實(shí)現(xiàn)平臺(tái)移動(dòng)行程限位功能。設(shè)置軟件功能限位和行程開關(guān)限位；

（4）除液壓泵站的啟動(dòng)、停止和急?？刂撇捎糜簿€進(jìn)行遠(yuǎn)程控制外，其它液壓泵站與控制室之間的數(shù)據(jù)交換均采用網(wǎng)絡(luò)通訊控制；

（5）油缸上裝有行程傳感器，同時(shí)設(shè)置卡塊到位油缸換向檢測(cè)傳感器，確保步履卡塊到位后，進(jìn)行油缸換向，再實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)的下一步動(dòng)作控制。

2.2.2 平臺(tái)定位及抱樁器中心點(diǎn)定位

（1）通過GPS 實(shí)現(xiàn)打樁平臺(tái)的定位，并確定各抱樁器中心點(diǎn)坐標(biāo)。其中，前排抱樁器均具有整體橫移油缸所需行程，根據(jù)不同工位的不同樁間距固定在不同的位置，故其相對(duì)于平臺(tái)的坐標(biāo)需進(jìn)行修正；

（2）平臺(tái)定位系統(tǒng)，由3 套GPS 和2 套平臺(tái)傾斜儀組成：GPS 采用分體機(jī)形式，衛(wèi)星天線安裝于平臺(tái)三個(gè)角落，安裝高度約為2 m，固定GPS 衛(wèi)星天線的安裝桿相對(duì)平臺(tái)應(yīng)穩(wěn)固不搖動(dòng)；電源、GPS 主機(jī)和電腦置于操作室內(nèi)，操作室內(nèi)的電腦配備3 個(gè)RS232 串口的多串口卡，用于接收3 臺(tái)GPS 主機(jī)傳輸?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)；

（3）作業(yè)時(shí)，選取左右兩側(cè)各一個(gè)樁位的編號(hào)和坐標(biāo)導(dǎo)入定位系統(tǒng)中，輸入準(zhǔn)備打樁樁位編號(hào)，并選擇使用的抱樁器，啟動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，通過GPS 定位自動(dòng)移動(dòng)到指定位置附近，再通過平臺(tái)移動(dòng)油缸行程傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)定位，當(dāng)平臺(tái)移動(dòng)到位后輸出到位信號(hào)，平臺(tái)自動(dòng)停止移動(dòng)；平臺(tái)移動(dòng)設(shè)有本地操作功能，可在本地進(jìn)行手動(dòng)操作控制；

（4）平臺(tái)安裝傾斜儀，用于測(cè)量自身的水平姿態(tài)，并根據(jù)自身姿態(tài)可自動(dòng)修正抱樁器中心點(diǎn)坐標(biāo)；

（5）平臺(tái)位置坐標(biāo)和平臺(tái)傾斜度，可在控制室實(shí)時(shí)顯示。

2.3 抱樁器控制系統(tǒng)

平臺(tái)抱樁器數(shù)量共7 套，其中：前方3 套抱樁器為可移動(dòng)式抱樁器，左右兩側(cè)各2 套抱樁器為固定式抱樁器；單套抱樁器分為上層抱樁架和下層抱樁架，上、下層抱樁架分別各設(shè)置1個(gè)行程600 mm夾樁開閉油缸，下層工作平臺(tái)設(shè)置1 個(gè)行程1 000 mm 收放油缸，其中前1/前2/前3 抱樁器另外再設(shè)置了1 個(gè)行程2 600 mm整體橫移油缸。油缸布置示意圖，如圖3 所示。

圖3 抱樁器油缸布置示意圖

平臺(tái)抱樁器油缸共24 個(gè)，每個(gè)油缸配置1 個(gè)三位四通電磁閥單獨(dú)控制，并配置獨(dú)立的就地操作盒，具備就地/遠(yuǎn)程切換控制功能：

（1）就地操作采用自復(fù)位按鈕，遠(yuǎn)程操作采用工控機(jī)+自復(fù)位按鈕或手柄結(jié)合；

（2）抱樁器集中監(jiān)控系統(tǒng)，將全部油缸、液壓站控制集成至控制室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、屏顯，包含液壓站的啟動(dòng)/停止控制、平臺(tái)移動(dòng)/抱樁器控制選擇等功能，并實(shí)時(shí)顯示液壓站的運(yùn)行狀態(tài)以及各抱樁器油缸的位置、狀態(tài)、故障報(bào)警等。

2.4 打樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

打樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，功能如下：

（1）監(jiān)測(cè)樁身垂直度、貫入度、錘擊數(shù)等參數(shù)；

（2）顯示打樁開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等；

（3）記錄每根已打樁的樁號(hào)、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、貫入度、錘擊數(shù)等信息，數(shù)據(jù)可自動(dòng)保存，并生成施工報(bào)表；

（4）未打樁樁號(hào)記錄顯示。

2.4.1 樁身垂直度測(cè)量

樁身垂直度對(duì)單樁豎向抗壓承載力有很大的影響，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。打樁平臺(tái)通過在單臺(tái)抱樁器上安裝1 個(gè)雙軸傾斜儀、上、下層固定的對(duì)稱位置各安裝4 套激光測(cè)距儀，收集其測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至控制電腦，計(jì)算出樁身中心坐標(biāo)，通過比對(duì)上、下層的樁身中心在X、Y 方向的偏差來(lái)測(cè)定樁身豎向傾斜角，如誤差超過設(shè)定值則發(fā)出告警提示，需對(duì)樁身垂直度進(jìn)行調(diào)整。傳感器安裝示意圖，如圖4 所示。

圖4 傳感器安裝示意圖

平臺(tái)在抱樁器上、下層固定的對(duì)稱位置各安裝4套扶樁滾輪，通過8 套扶樁滾輪，進(jìn)行樁身垂直度的調(diào)整和管樁夾緊。當(dāng)檢測(cè)出樁身垂直度的偏差超過設(shè)定值時(shí)，通過顯示界面的操作指示，采用液壓方式同步驅(qū)動(dòng)相同方向扶樁滾輪的伸縮對(duì)樁身垂直度進(jìn)行調(diào)整，使之滿足設(shè)計(jì)要求；通過振動(dòng)錘對(duì)鋼管樁進(jìn)行穩(wěn)樁，并持續(xù)觀測(cè)樁身垂直度情況，發(fā)現(xiàn)偏差立即停錘并重新校正；當(dāng)樁身入土超過一定深度時(shí)，嚴(yán)禁使用抱樁器扶樁滾輪進(jìn)行強(qiáng)行糾偏，穩(wěn)樁完成再次測(cè)量樁身垂直度，符合要求后更換液壓沖擊錘開始沉樁作業(yè)。

2.4.2 貫入度測(cè)量

貫入度檢測(cè)的目的，主要是判斷鋼管樁是否沉樁到位。打樁平臺(tái)貫入度測(cè)量，采用樁基貫入度檢測(cè)儀完成，主要由激光多普勒測(cè)速測(cè)長(zhǎng)儀、PLC 控制器、觸摸屏、安裝機(jī)架組成。激光多普勒測(cè)速儀測(cè)速應(yīng)用的是差分激光多普勒原理，激光器發(fā)出的光平均分成兩束后射出，在被測(cè)物體表面再次匯聚，探測(cè)器接收反射光；當(dāng)被測(cè)物體平面移動(dòng)速度為零時(shí)，反射光與探測(cè)光頻率相同；當(dāng)速度不為零時(shí)，反射光相對(duì)探測(cè)光會(huì)發(fā)生頻移，測(cè)速儀通過快速傅里葉變換解算頻移大小，得出被測(cè)物體精準(zhǔn)的移動(dòng)速度和長(zhǎng)度[2]。

將樁基貫入度檢測(cè)儀垂直安裝固定于離樁表面1 000～1 200 mm 處，并保證其與被檢測(cè)樁的垂直度；儀器上電后向樁表面打出光束，用于測(cè)量樁的運(yùn)動(dòng)速度和行程，通過通訊接口與電腦連接，在定制軟件上可設(shè)置和記錄參數(shù)；基樁準(zhǔn)備沖擊下沉?xí)r，給儀器接入一次控制信號(hào)，將系統(tǒng)內(nèi)積分長(zhǎng)度清零，基樁受沖擊的下沉、反彈到靜止過程，儀器全程測(cè)量基樁在垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)積分計(jì)算整個(gè)過程的移動(dòng)距離，達(dá)到測(cè)量樁身貫入度的目的。

2.4.3 錘擊數(shù)記錄

打樁錘采用液壓沖擊錘，可通過實(shí)時(shí)記錄打樁錘液壓系統(tǒng)油缸壓力的變化，并根據(jù)變化區(qū)間判斷打樁錘擊次數(shù)，達(dá)到檢測(cè)和記錄每根樁的錘擊數(shù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至操控臺(tái)進(jìn)行分析處理。

2.5 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包含平臺(tái)水平度的監(jiān)測(cè)、平臺(tái)所受水平力的監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)施工的視頻監(jiān)控。

（1）平臺(tái)水平度的監(jiān)測(cè)，通過GPS 結(jié)合傾斜儀進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)監(jiān)測(cè)到平臺(tái)傾斜角超過設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)禁止平臺(tái)移動(dòng)操作，待確定問題并消除報(bào)警后解除鎖定；

（2）平臺(tái)所受水平力的監(jiān)測(cè)，通過在上、下兩層抱樁器的扶樁滾輪上各安裝4 個(gè)銷軸傳感器，測(cè)量鋼管樁對(duì)各個(gè)扶樁滾輪的作用力，通過軟件分析，推算出平臺(tái)所受的水平力；當(dāng)監(jiān)測(cè)到水平力超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警并提示如何調(diào)節(jié)扶樁滾輪，減低平臺(tái)所受水平力進(jìn)而消除報(bào)警；

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工的視頻監(jiān)控，通過在平臺(tái)作業(yè)區(qū)域設(shè)置8 臺(tái)攝像機(jī)，分別安裝于平臺(tái)上、下方的4 個(gè)角落，顯示器設(shè)置于控制室，具備單畫面/多畫面切換顯示、視頻錄制保存等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)作業(yè)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.6 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

平臺(tái)安裝有發(fā)電機(jī)組、振動(dòng)錘、沖擊錘、液壓動(dòng)力站等設(shè)備，需要對(duì)平臺(tái)主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，通過PLC 采集設(shè)備信號(hào)，并傳輸至操作室控制系統(tǒng)，在軟件界面上建立模擬平臺(tái)并布置各設(shè)備，直觀顯示各設(shè)備施工狀態(tài)，點(diǎn)擊可進(jìn)入相應(yīng)設(shè)備專用界面顯示該設(shè)備的相關(guān)參數(shù)。

（1）柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)控

對(duì)集裝箱靜音式發(fā)電機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，發(fā)電機(jī)組具備RS485 通訊接口，提供開放式Modbus 通訊協(xié)議，采集至設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、油壓、電壓、電流、頻率、功率等重要參數(shù)。

（2）其它主要設(shè)備監(jiān)控

對(duì)振動(dòng)錘、樁錘、液壓動(dòng)力站等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并集成至設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的啟停狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、故障報(bào)警等信號(hào)。

（3）設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向儀，監(jiān)測(cè)并記錄施工期間的風(fēng)速、風(fēng)向信息。

3 結(jié)語(yǔ)與建議

本平臺(tái)在制作完成后，進(jìn)行了試樁試驗(yàn)并在秘魯錢凱項(xiàng)目得到了實(shí)際應(yīng)用和驗(yàn)證：

（1）平臺(tái)移動(dòng)速度約0.5 m/min，定位精度為±2 cm；

（2）抱樁器開合動(dòng)作正常；

（3）樁身監(jiān)測(cè)功能正常，數(shù)據(jù)可自動(dòng)保存，并生成實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表；可實(shí)時(shí)顯示樁身垂直度并進(jìn)行預(yù)警提示和操作指示；實(shí)現(xiàn)了打樁過程中貫入度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度達(dá)到0.05%以上，同時(shí)可設(shè)置終錘標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)使樁機(jī)自動(dòng)停機(jī)；通過打樁錘液壓系統(tǒng)油缸壓力的變化進(jìn)行的錘擊數(shù)統(tǒng)計(jì)次數(shù)準(zhǔn)確；

（4）平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的受力情況和水平姿態(tài)，并通過攝像頭實(shí)現(xiàn)了對(duì)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)施工全方位的監(jiān)控；

（5）設(shè)備監(jiān)控功能正常，發(fā)電機(jī)組、液壓泵站等主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)可在操作室實(shí)時(shí)屏顯。

本樁頂擱置式自移動(dòng)打樁平臺(tái)電控系統(tǒng)，集合了平臺(tái)的主要控制功能，并集成至操作控制室，如有需要可通過光纜或無(wú)線傳輸方式將系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至智慧工地等綜合系統(tǒng)，進(jìn)一步提升施工的信息化數(shù)字化管理水平。