基于GNSS的監測系統輔助大型土壩碾壓施工技術研究

龔 華

一、前言

土壩是以土、砂礫石等當地材料為主填筑的壩型。傳統的土壩填筑碾壓質量主要通過施工過程中的壓實參數（鋪層厚度、土石料性質、碾壓遍數、碾壓行車速度、激振力等）以及試坑檢測的壓實標準（壓實度或干密度、含水量和級配等）來控制。存在以下問題：傳統壓實檢測控制方法是事后檢測控制，不能及時處理過程中發現的問題；傳統壓實檢測控制方法屬于點式檢測控制，耗時較長，干擾施工流程，當個別檢測點不滿足要求時，難以界定重新碾壓的范圍；傳統的質量控制手段容易造成欠壓和超壓。

為解決傳統土壩碾壓過程中質量控制問題，安徽水安建設集團股份有限公司在定遠縣江巷水庫樞紐工程、山東省莊里水庫工程大壩碾壓過程中應用GNSS 定位等現代化技術，利用大數據采集手段，建立碾壓遍數、厚度、速度與壓實質量分析模型，對大型土壩的碾壓施工實施全過程可視化監測，提高了工程質量，保證了投資效益。

二、技術特點與適用范圍

（一）技術特點

1.結合GNSS 厘米級高精度定位技術通過對碾壓設備移動軌跡采集和定位，實現實時全程連續可視化跟蹤碾壓過程，實現由事后檢驗到過程控制的質量管理模式。

2.根據碾壓試驗中建立的壓實指標與碾壓速度、碾壓遍數等關聯關系，對碾壓作業時出現的欠壓、超壓、漏壓等情況，通過傳感器實現自動預警和報警，指導碾壓施工，保證土方填筑質量。

3.建立了協同工作平臺，做到與建設、施工、監理等單位數據共享，實現了項目多方協同管理。

（二）適用范圍

適用于大壩壩體連續作業的大面積土方碾壓工程，亦可適用于市政、公路大面積土方碾壓工程。

三、工藝原理

基于GNSS 的監測系統輔助大型土壩碾壓工藝核心是GNSS 監測系統的應用。在土壩碾壓過程中，根據不同填料與碾壓設備相互動態作用原理，利用振動碾主軸上的壓實度傳感器形成的振動響應信號，確定響應信號和壓實質量的關系，建立壓實指標關聯分析模型和實時反饋體系。

GNSS 監測系統包括GNSS 基準站組件和振動壓路機安裝組件。系統運行時，架設在控制點上的GNSS 基準站實時向壓路機上的GNSS 接收機發送差分信號，安裝在壓路機頂部的GNSS 接收機和無線電接收器，接收GNSS 信號和基站發送的差分信號進行實時定位；裝在壓路機振動碾主軸上的傳感器實時將壓實數據傳輸給安裝在駕駛室的顯示控制器及設備終端，使操作手和管理人員能夠實時掌握壓路機所在的三維位置、碾壓遍數、壓實厚度、壓實度等信息。

四、施工操作要點

（一）安裝GNSS 監測系統

1.基準站組件安裝

（1）在項目現場澆筑鋼筋混凝土基準站觀測墩，觀測墩埋深要大于凍土層，以防止土的松動或熱脹冷縮。

（2）組裝基站接收機、專用GNSS 天線、發射電臺等部件。

（3）安裝完成后，調試運行基準站，檢驗基準站差分穩定性、覆蓋距離、數據傳輸能力、抗干擾能力是否滿足現場施工要求。

2.壓路機組件安裝

（1）壓路機組件由工程接收機、壓實度傳感器、判向傳感器、工業級平板控制終端等部件組成。

（2）接收機為GNSS 數據傳感器，安裝在機頂，便于BDS 信號接收。

（3）壓實度傳感器安裝在壓輪中心位置，主要測量和記錄壓輪的振幅和頻率，引導操作手對壓實情況實時監控。

（4）判向傳感器焊接在壓路機大臂前端位置，伸出2cm；安裝時，要調整傳感器藍色感應頭處的箭頭方向朝著鋼輪轉動的方向。

（5）工業平板控制終端安裝在駕駛室駕駛員右手方向位置，工業平板控制終端精巧、可靠、結實，搭載Android 操作系統，集終端信息顯示、數據通信樞紐功能于一體，實時反映壓實狀態。

（二）設置GNSS 系統基礎參數

1.基準站組件參數設置主要包含網絡、電臺、頻道、空中波特率、發射功率等，根據GNSS 系統的不同分類（GPS 系統、北斗系統等）、基準站的不同型號設置不同的參數。

2.壓路機組件參數設置主要包含網路、GNSS、振動傳感器、方向傳感器、差分、顏色、坐標等。振動、方向傳感器參數直接反應壓路機工作狀態，如壓實程度、穩定性、均勻性、行走軌跡。

（三）一次碾壓試驗

在壩基范圍內選定碾壓試驗的場地面積，場地面積不小于20m×30m，將試驗場地以長邊為軸線方向，劃分為10m×15m 的4 個試驗小塊。試驗前將壩基平整清理，并將表層壓實。通過一次碾壓試驗確定滿足設計要求、合理的碾壓技術參數（鋪土厚度、碾壓遍數、碾壓行駛速度、土料含水率、激振力），確定取土、卸料、平整、碾壓等施工方法；根據碾壓試驗確定的碾壓技術參數修正GNSS 監測系統參數，使GNSS 監測系統能夠科學合理實時地反映大壩碾壓全過程，進而實現碾壓質量的過程控制。

（四）二次碾壓試驗

1.確定壓實關聯度。平板控制終端內壓實關聯度參數根據不同土料設置為不同數值。用同一臺壓路機以弱振模式在確認已經碾壓合格(常規檢測合格)的路段上進行二次碾壓試驗，連續測試100m 采集并自動計算的平均值作為壓實關聯度（考慮工作關聯性，這項步驟可以在碾壓合格的一次碾壓試驗段上進行作業）。

2.建立模型。壩體填料根據現場土場運距、土質不同，需要從不同土場中取土填壩。根據一次碾壓試驗確定的碾壓參數，設置所對應壓路機組件中平板控制終端內碾壓參數，碾壓參數包括虛鋪厚度、行駛速度、碾壓遍數、激振力，建立與碾壓試驗一致的碾壓模型。

（五）校核壓實關聯度

用同一臺壓路機以弱振模式在已經碾壓合格(常規檢測合格)的路段上進行碾壓確定壓實關聯度后，在大壩碾壓工作段任選取200m 作為校核壓實關聯度試驗段（不同土料均要任選取200m）。碾壓工作按照設定的GNSS 監測系統基礎參數、壓實關聯度進行碾壓作業，碾壓結束后依據《水利水電工程單元工程施工質量驗收評定標準——土石方工程》（SL631-2012）要求進行壓實度常規試驗。壓實度滿足評定標準，可視為GNSS 監測系統中壓實關聯度參數可以應用于本工程碾壓工作。

（六）全過程連續可視化跟蹤碾壓

1.GNSS 監測系統應用前，將項目施工平面布置圖導入該系統，根據施工規范要求，劃分單元工程、施工工區等，對各單元工程或施工工區可以建立直觀、立體施工過程演示圖。項目管理人員可以應用GNSS 監測系統以單元工程、施工工區為單位，對該區域平面、立面的碾壓狀態進行科學匯總，詳實準確記錄，可以反映施工過程中可能出現質量缺陷的薄弱部位，為常規質量檢測薄弱部位提供定位支持，使抽檢更具說服力。

2.在實施碾壓過程中，GNSS 監測系統通過傳感器對施工區段的碾壓遍數（總數）、碾壓遍數（靜壓和振動）、碾壓速度超限次數、碾壓速度平均值、碾壓速度最終值、激振力數值、沉降量數據實時記錄，駕駛室中的平板控制終端對不符合碾壓參數的作業區域實行自動預警和報警，指導碾壓施工。

3.平板控制終端通過無線傳輸方式實時回傳至后臺服務器，后臺服務器會實時將數據通過網頁端發布出來，即管理人員在后方通過WEB 端實時查看每臺壓路機的位置、碾壓軌跡、碾壓遍數、行駛速度、振動頻率、壓實度狀態等，并且施工數據會在服務器中存檔。WEB 網頁終端管理人員賬戶根據參建單位需要，設立施工、監理、業主、設計單位賬號，各參建單位自行登錄該系統，即可實時觀測大壩填筑碾壓狀態。

4.GNSS 監測系統自帶實時數據庫、歷史數據報表，實現了對碾壓作業進行在線讀取和歷史回放，歷史數據報表可以下載、導出、打印，可以作為施工過程資料存檔。

（七）檢測驗收

碾壓結束后，確定土壩檢測頻次為1 次每100～200m3。為更好地反映壩體填筑質量，在滿足常規檢測基礎上，重點對實時監測反映的薄弱部位（如接頭位置、碾壓超速、超壓以及其他超出參數范圍部位等）進行抽檢，如薄弱位置滿足壓實要求，則基本可以反映本單元工程滿足施工要求，反之，采取開挖、換填等措施對薄弱部位進行施工處理，徹底消除存在的質量隱患。

五、質量控制要點

（一）碾壓質量控制要點

平行于大壩軸線采用進退法碾壓，每兩遍的搭接處要錯位，嚴禁漏壓和過壓；碾壓速度按確定的碾壓參數嚴格控制，隨時檢查碾壓機具的性能（如頻率、振幅）；填筑時，邊坡部位超填要滿足規范要求，以保證削坡后邊坡壓實度能滿足設計標準；嚴格控制土的上限含水率不超過設計上限。

（二）GNSS 監測系統使用控制要點

1.施工過程中在同一個作業面有兩臺及以上壓路機作業，注意要點如下：

（1）每層填料，每臺壓路機必須在固定的區域進行碾壓。例如某一作業面有兩臺壓路機進行碾壓，那么可以將壩體分為左、右半幅用兩臺壓路機分別進行碾壓，如果是三臺壓路機則將壩體分為左、中、右三幅，依此類推。

（2）在每層填料碾壓的過程中，壓路機不能交替碾壓。

（3）在實際碾壓過程中，必須保證全程打開GNSS 監測系統進行數據記錄，壓路機換輪時要將繪圖關閉，換完輪后再將繪圖打開進行碾壓。

2.如果同一臺壓路機需要在幾個不同作業面作業時，注意要點如下：

（1）如果此壓路機在另一個作業面前一層的規定區域有碾壓數據，那么可以直接進行碾壓，如果沒有前一層的數據，在填料前，壓路機需要在壩體上靜壓一遍獲取前一層上表面高程信息。

（2）如果此壓路機在第一個作業面的碾壓工作還沒有完成，但需要臨時到另一個作業面進行碾壓，先將在第一個作業面的工作打印出一份報告，然后將地圖重置，等再回到第一個作業面完成之前未完成的作業后，打印剩下的報告。

（3）壓路機在轉換作業面的時候將繪圖關閉。

（4）GNSS 監測系統會將壓路機作業全過程數據真實地記錄在數據卡中，為保證數據完整統一，在施工應用中，不得頻繁地調動壓路機。

六、效益分析

（一）經濟效益分析

1.提高機械使用效率。GNSS 監測系統的平板控制終端可以直觀地給操作手提供實時的碾壓狀態，在壓實過程中反映每一層的壓實程度，在合適的時間進行常規檢測，優化了碾壓遍數，防止欠壓、過壓及漏壓。尤其在夜間施工，為操作者提供便利，提高施工質量。

2.節約人員成本。減少重復檢測時間，節約檢測人員成本；提高機械工作效率，節約操作人員成本；縮短大壩施工周期，節約管理人員成本。

3.降低油耗。應用GNSS 監測系統輔助大壩碾壓作業，操作手可以直接觀測大壩碾壓實際情況，不會出現盲目碾壓，減少返工率，促進碾壓作業的高質量發展；同時也可以做到最大限度減少搭輪錯壓寬度，避免錯壓、欠壓及超壓，提高工作效率，降低機械油耗。

（二）社會效益分析

1.推動信息化技術在工程施工中的深入應用。GNSS 監測系統是基于大數據、互聯網技術下，進行項目多方協同管理、動態管理、全過程監管的信息化技術，實踐證明該技術不僅能夠節本增效，還滿足高質量發展要求，滿足時代發展要求，對信息化技術在工程中的應用起到了很好的助推作用。

2.創新項目管理模式。GNSS 監測系統的應用改變了項目生產以傳統手工管理為主的管理模式和業務流程，使廣大管理人員從繁瑣的手工勞動中解放出來，不僅擴大了項目管理的覆蓋面，還能使管理工作有的放矢，提高管理效率，降低管理成本■