基于物聯網技術的靜壓法預應力管樁施工全過程監控系統應用研究*

陳 飛,金建敏,柯小環,奚 進,陳 毅,葉觀寶,樊 皝

(1.浙江交投高速公路建設管理公司,浙江 杭州 310024; 2.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092)

0 引言

為了適應城市建設和交通工程的需要,預應力管樁被廣泛應用于軟土地區。預應力管樁常用錘擊法、靜壓頂壓法和靜壓抱壓法進行施工,具有承載力高、穿透能力強、施工速度快、污染小等優點[1-3]。然而,預應力管樁也具有隱蔽工程的特點,工序繁雜,工藝流程銜接緊密,易出現樁身傾斜、樁頂移位等問題,給工程質量監管帶來了困難[4-5]。

目前對于預應力管樁樁身質量的管控措施主要是施工期間的人工旁站監督和施工結束后的樁身質量抽樣檢測[6-9]。但施工期間的人工旁站監督很難對管樁樁身質量進行全面把控;施工后的樁身質量抽樣檢測往往存在一定的滯后性,沉樁完成后如發現問題難以采取有效的補救措施;同時受抽樣比例限制,樁身質量隨機抽檢難以實現所有樁的質量管控。因此,有必要對預應力管樁施工開展全過程遠程監測系統的應用研究,從而掌握每根預應力管樁的施工質量,實現全過程質量控制。

近年來,物聯網技術飛速發展,在隱蔽工程質量監管方面的應用被逐漸推廣,基本實現對預應力管樁施工全過程的實時監測,但目前相關研究較少,尚未形成完整、系統的監控體系。基于此,本文介紹一種基于物聯網技術的軟土地基處理方法施工全過程在線實時監控系統。該監控系統可實時跟蹤預應力管樁施工過程中的數據,并提供反饋和實時處理結果,可有效提高隱蔽工程施工質量管理水平,創新工程管理理念和方式,提高工程管理的科學性。

1 監控系統前端

靜壓法預應力管樁實時監控系統可實時監控管樁施工過程中的時間、樁長、樁位、壓樁力、深度、傾斜度等,并實時記錄和分析數據。通信結構和現場如圖1,2所示。

圖1 智能監控系統通信結構Fig.1 Communication structure of intelligent monitoring system

圖2 智能監控系統現場示意Fig.2 Intelligent monitoring system on site

靜壓法預應力管樁實時監控系統硬件部分包括監控記錄儀、傾角傳感器、深度傳感器和壓力傳感器,基本信息如表1所示。當設備滿足施工條件時,按照要求安裝各傳感器并采集現場數據,采集數據前需對傳感器進行標定,確保采集數據的合理性和有效性。

表1 監控系統關鍵儀器設備Table 1 Key instruments and equipment for monitoring system

1.1 監控記錄儀

靜壓法預應力管樁施工記錄儀應安裝在鉆機操作平臺上合適位置處,便于工作人員觀察和操作,操作界面如圖3所示。使用時需將傾角傳感器、深度傳感器和壓力傳感器分別連接到主機側板的對應接口,并連接電源線,電源線另一端插入220V的交流電源。

圖3 靜壓法預應力管樁監控記錄儀系統操作Fig.3 System operation of static pressure prestressedpipe pile monitoring recorder

1.2 傾角傳感器

傾角傳感器一般安裝在轉架上,頂壓樁機安裝在樁管夾具上部和軌道滑輪附近。傾角傳感器的安裝只需搭配固定底座即可完成,用焊機將鐵塊焊接到鉆架高度1/5處,然后用2根φ4螺桿將傾角傳感器固定到鐵塊上。傾角傳感器通過測量前后向和左右向2個方向的角度,確保鉆桿與地面的垂直度始終符合設計和施工要求。

1.3 深度傳感器

深度傳感器由光電編碼器和傳動部件機座組成,光電編碼器通過傳動滾輪傳動,傳動滾輪由傳動部件帶動。靜壓抱壓法中,靜壓抱壓樁機通過2個無線測距傳感器實時監測2個傳感器之間的距離數據,若夾持油路油壓傳感器和下壓油路油壓傳感器同時監測到數據,且數據值大于預設數值,此時無線測距傳感器記錄2個測距傳感器之間的距離;在持續下壓過程中,每隔5s或25cm(取決于使用的監測標準)記錄一次距離數據;完成所有壓樁過程后,累計位移即為這根樁的壓樁深度。

1.4 壓力傳感器

拆卸液壓管道上原有的油管,通過三通將壓力傳感器安裝上去。大部分靜力壓樁機的靜壓力來自于液壓機構,通過壓力傳感器可實時監控油壓變化,判斷樁機狀態,并記錄其夾抱狀態和壓樁、拔樁狀態,輔助深度傳感器測量壓樁深度。

2 監控系統管理平臺

在規范和設計要求指導下,傳感器實時監測樁機工作情況,實現管樁施工全過程監控,避免了人工干預的影響。施工期間傳感器實時采集數據并自動上傳平臺,支持施工現場記錄儀、PC端、手機APP實時數據同步展示,實時預警及反饋處理,過程數據回放。

2.1 實時數據監測

監控平臺通過傳感器跟蹤管樁施工全過程(見圖4),實時監測、采集和上傳數據,支持每根樁施工全過程可視化模擬和多速率(正常、快速、極速)回放。

圖4 實時數據監測平臺Fig.4 Real-time data monitoring platform

2.2 生產記錄

監控平臺存儲預應力管樁施工全過程的數據記錄,可自動生成數據列表和曲線圖,如樁位、垂直度、深度-時間曲線、深度-壓力曲線等(見圖5),通過全過程生產記錄實現數據的可反饋和可追溯。

圖5 生產記錄Fig.5 Production record

2.3 預警系統

靜壓法預應力管樁施工全過程監控系統提供實時預警處理,基于提前錄入的預警標準判斷施工過程中出現的異常數據并報警顯示,通過短信或郵件等方式向相關人員推送,支持預警系統閉環工作。

同時,設立各級監控中心,遠程監控施工過程并提供數字化展示。管樁開始施工后,監控系統實時監測樁機工作情況,將數據上傳至監控中心,一旦發現異常數據,監控中心將及時反饋至施工現場,查明異常原因,采取必要的解決措施。監控中心控制整個系統,可同時監控分布于各個項目的對應系統。用戶登錄平臺輸入指令可獲取施工數據,還可直接打印基于數據生成的各類圖表,以形成報表。施工現場記錄儀可存儲施工信息,采集的所有數據存儲于系統服務器,可隨時調閱查看。

3 現場應用

3.1 工程簡介

瑞蒼高速公路龍麗溫至甬臺溫復線聯絡線工程項目位于浙南低山區和沿海丘陵平原區,水網密布,軟土分布廣泛,軟基處理形式多樣,工程量大,施工周期長。聯絡線軟土主要分布在海積平原區,K18+618—K22+900(軟土厚度13～19m)、 K24+610—K24+765(軟土厚度1～3m)、K25+005—K27+660(軟土厚度14～24m)、K28+810—K39+687.361路段軟土厚度超過20m。全線軟基路段總計17 969.361m。

軟土地基施工是本項目的重點,其質量保障是本項目的難點。為避免和及時發現施工過程中可能出現的樁身傾斜、樁頂移位、壓樁力過大等問題,本項目全面應用基于物聯網技術的靜壓法預應力管樁施工全過程監控系統,遠程實時監控施工進程。

3.2 施工質量控制要求

本文基于瑞蒼高速第2,3,4標段施工圖設計方案中預應力管樁施工質量檢驗項目(見表2)對各標段施工現場預應力管樁進行施工質量檢驗。

表2 預應力管樁施工質量檢驗項目Table 2 Construction quality inspection items of PHC piles

預應力管樁施工設計要求最大單樁承載力設計值<1 000kN,樁間距允許誤差值為±100mm,樁體垂直度≤1%,樁身無明顯缺陷。第2標段設計樁長21～22m,設計壓樁力481～489kN;第3標段設計樁長30～48m,設計壓樁力255～2 011kN;第4標段設計樁長31～42m,設計壓樁力667～1 501kN。

3.3 監測系統現場實施

3.3.1第2標段

第2標段SK0+209—SK0+060_674號管樁樁長、壓力、最大壓力隨時間變化曲線如圖6所示。該樁樁間距2.4m,成樁時間964s。平均壓樁力560.18kN,大于設計壓樁力481kN,滿足要求;施工樁長21.74m,大于設計樁長21m,滿足要求;最大垂直度0.21%,小于1%,滿足要求。

圖6 SK0+209—SK0+060_674號管樁監測數據Fig.6 Monitoring data of pipe pile SK0+209—SK0+060_674

第2標段SK0+209—SK0+060_669號管樁樁長、壓力、最大壓力隨時間變化曲線如圖7所示。該樁樁間距2.7m,成樁時間770s。平均壓樁力506.17kN,大于設計壓樁力481kN,滿足要求;施工樁長21.06m,大于設計樁長21m,不滿足要求;最大垂直度0.26%,小于1%,滿足要求。

圖7 SK0+209—SK0+060_669號管樁監測數據Fig.7 Monitoring data of pipe pile SK0+209—SK0+060_669

第2標段CK0+718.283—CK0+689.5_D1274號管樁樁長、壓力、最大壓力隨時間變化曲線如圖8所示。該樁樁間距2m,成樁時間1 053s。平均壓樁力628kN,大于設計壓樁力481kN,滿足要求;施工樁長19.30m,小于設計樁長21m,不滿足設計要求;最大垂直度1.12%,大于1%,不滿足要求。

圖8 CK0+718.283—CK0+689.5_D1274號管樁監測數據Fig.8 Monitoring data of pipe pile CK0+718.283—CK0+689.5_D1274

3.3.2第3標段

第3標段AK0280—AK0330_D1536號管樁樁長、壓力、最大壓力隨時間變化曲線如圖9所示。該樁樁間距2.3m,成樁時間1 367s。平均壓樁力 1 158.66kN, 大于設計壓樁力1 124kN,滿足設計要求;施工樁長40.05m,大于設計樁長40m,滿足設計要求;最大垂直度0.07%,小于1%,滿足設計要求。

圖9 AK0280—AK0330_D1536號管樁監測數據Fig.9 Monitoring data of pipe pile AK0280—AK0330_D1536

第3標段AK0280-AK0330_D1523號管樁樁長、壓力、最大壓力隨時間變化曲線如圖10所示。該樁樁間距2.9m,成樁時間1 372s。平均壓樁力941.06kN,小于設計壓樁力1 124kN,不滿足設計要求;施工樁長40.20m,大于設計樁長40m,滿足要求;最大垂直度0.03%,滿足要求。

圖10 AK0280—AK0330_D1523號管樁監測數據Fig.10 Monitoring data of pipe pile AK0280—AK0330_D1523

第3標段AK0+592-AK0+658_7398號管樁樁長、壓力、最大壓力隨時間變化曲線如圖11所示。該樁樁間距1.6m,成樁時間956s。平均壓樁力 3 849.01kN, 大于設計壓樁力437kN,滿足要求;施工樁長34.02m,大于設計樁長34m,不滿足設計要求;最大垂直度0.21%,小于1%,滿足要求。

圖11 AK0+592—AK0+658_7398號管樁監測數據Fig.11 Monitoring data of pipe pile AK0+592—AK0+658_7398

3.3.3第4標段

第4標段HKO+325—HKO+424_3A59號管樁樁長、壓力、最大壓力隨時間變化曲線如圖12所示。該樁樁間距2.3m,成樁時間722s。平均壓樁力987.22kN,大于設計壓樁力686kN,滿足設計要求;施工樁長32.27m,大于設計樁長32m,滿足設計要求;最大垂直度0.12%,小于1%,滿足設計要求。

圖12 HKO+325-HKO+424_3A59號管樁監測數據Fig.12 Monitoring data of pipe pile HKO+325-HKO+424_3A59

第4標段AK0480-AK0577_1526號管樁樁長、壓力、最大壓力隨時間變化曲線如圖13所示。可知該樁樁間距2.7m,成樁時間643s。平均壓樁力810.12kN,大于設計壓樁力686kN,滿足設計要求;施工樁長32.09m,小于設計樁長32m,不滿足設計要求;最大垂直度0.11%,小于1%,滿足要求。

圖13 AK0480—AK0577_1526號管樁監測數據Fig.13 Monitoring data of pipe pile AK0480—AK0577_1526

4 結語

1)靜壓法預應力管樁施工全過程監控系統包括前端和管理平臺兩部分。監控系統前端由監控記錄儀、傾角傳感器、深度傳感器和壓力傳感器組成,可對管樁施工情況進行實時監測,實時采集施工數據并自動上傳。監控系統管理平臺通過傳感器對管樁施工全過程進行實時跟蹤、記錄和反饋,實現施工過程可視化模擬和數據回放。

2)工程實踐表明,該監控系統可實現對預應力管樁施工全過程的實時追蹤與反饋,并對施工數據進行實時處理和分析,從而及時發現預應力管樁施工過程中可能出現的諸如管樁不垂直、壓樁力過大、壓樁速度過快、壓樁樁長不足等問題并提供報警信息。有效規避了傳統施工質量監測方法在隱蔽工程中應用時存在的滯后性和片面性等局限,提高了預應力管樁施工質量的真實性和有效性。

3)將基于物聯網技術的靜壓法預應力管樁施工全過程實時監控系統應用到隱蔽工程的監測中,可獲取所有管樁的詳細施工數據和圖表信息。進一步結合大數據分析實現信息化施工,研究建立樁身質量綜合評價體系和單樁承載力預測模型,可實現管樁施工質量的實時監測和全面把控,極大地提升施工現場管理水平,提高工程質量管理的科學性和合理性,創新工程管理理念和管理方式。