智能樁基質量控制系統在CFG 樁基施工中的應用

王國梁

中鋼集團工程設計研究院有限公司，遼寧 大連 116021

0 引言

隨著我國基建技術的高速發展，建筑物樓層的不斷增高，使得對建筑物基礎的要求變的越來越高。越來越多的軟弱地基加固處理方法順應這個時代的要求被提出來，水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）作為軟弱地基加固處理方法中較為經濟高效的一種施工方法被廣泛的應用于高層、超高層建筑以及道路施工當中。CFG 樁是英文Cement Fly-ash Gravel的縮寫，意為水泥粉煤灰碎石樁，由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機械制成的具有一定強度的可變強度樁。有時候可以用低強度的素混凝土作為原料。CFG樁與樁間土、褥墊層共同作用形成剛性樁復合地基。適用于沙土、粉土、粘性土、淤泥質土和已自重固結的素填土等地基［1］，具有承載力強、時間效應佳、后期沉降較小、適用范圍廣等特點［2］。

1 施工現狀

以長螺旋鉆孔管內泵壓混合料成樁施工為例，樁基施工過程中需要對各項施工參數進行嚴格的控制，包括樁位、樁長、持力層電流值、垂直度、拔管速率、樁身混合料充盈度等。否則就會導致施工過程中以及及成樁后的各種問題：樁位偏移、樁長不足、斷樁、樁身夾泥等嚴重的樁身質量問題。由于CFG 樁施工后禁止一切大型設備進入的特殊性，造成了斷樁、問題樁處理難度大，處理費用高，處理工時長等問題。傳統的控制措施是增加項目管理人員全程監督指導施工并手工記錄各項施工參數，現場施工指揮人員和鉆機操作手相互配合，這就大大地增加了施工難度和施工成本，并且施工參數的控制更偏向于施工人員的施工經驗，并不是每一根樁基的成樁質量都得到十足的保證。智能樁基質量控制系統通過互聯網和傳感器技術很好的解決了這些難題。

2 智能樁基質量控制系統

智能樁基質量控制系統由北斗衛星定位模塊、樁身垂直度控制模塊、樁長控制模塊、鉆機動力電流控制模塊、泵送流量控制模塊、施工信息傳輸模塊、電子顯示屏終端和互聯網樁基數字化施工平臺組成。各個模塊通過安裝在CFG 鉆機上的各種傳感器和定位裝置，收集整理各種相關的施工參數，并通過電子顯示屏將這些施工參數實時的展現給鉆機操作手，指導操作手的鉆進作業，當施工參數與設計要求的出現偏差時，就會觸發系統內置的報警裝置，提醒鉆機操作手及時糾正。同時施工信息傳輸模塊會將施工完成的每一根樁的施工信息實時上傳到互聯網樁基數字化施工平臺上，項目管理人員只需登錄樁基數字化施工平臺，就可以不用到施工現場就能實時的獲得每一根樁的施工參數，保證施工質量。

在正式的CFG 樁施工正式開始前，需要對一定數量的具有代表性的CFG 樁進行試樁，并進行相應的低應變檢測和單樁承載力檢測，試樁成功，并且得到鉆機鉆進速度、拔管速度、混合料各項指標，泵送速度，持力層電流值等施工參數，修改完善施工工藝后就可以按照得到的施工參數指導大面積的樁基施工作業。使用智能樁基質量控制系統能夠直觀準確的獲得施工參數，對后續的施工具有指導性意義。

3 施工參數控制

3.1 樁位偏差

普通CFG 鉆機施工時為了確保樁位準確，需要測量人員使用測量儀器精準的定位出每一根樁基坐標樁，施工人員用鋼釬子在坐標樁位上打出垂直地面的空腔，并灌入石灰粉，以此標記樁位，當鉆機鉆進時，由鉆桿帶出的泥土在地面上形成一個個土堆，容易造成相近樁位標記被掩蓋，使得測量人員和施工人員工作量巨大，而且容易造成樁位偏差。智能樁基質量控制系統通過裝在鉆機鉆桿上方的定位天線，實現對樁位信息的監控。施工前，測量人員只需將每根樁位坐標輸入，北斗衛星定位系統就能通過安置在空曠位置的基準站獲取天線位置信息，通過計算鉆機鉆桿位置與設計樁位坐標的相對坐標，就可以獲得鉆機的實時位置偏差，引導鉆機操作手對樁位信息的精準定位。

3.2 樁基深度

在樁基施工過程中，施工人員通過標記在鉆機上的刻度信息來獲得樁長深度信息。但因為施工條件惡劣，鉆機刻度常常模糊不不清，清理又費時費力。隨著傳感器技術的發展，出現了安裝在鉆機卷揚機內的位移傳感器，通過計算卷揚機轉數計算成樁深度，但后期投入使用發現因為誤轉以及卷揚機半徑變化等影響導致誤差較大，智能樁基質量控制系統通過鉆桿頂部的天線獲得鉆頭標高信息，實現實時監控成樁深度變化。

3.3 樁身垂直度

因為CFG 樁基主要承受豎向荷載，所以控制好樁基的垂直度是樁基良好受力狀態的重要保證，同時，因為CFG 樁長度較長，樁基垂直度不好在施工中容易導致樁基“串孔”的狀況，影響成樁質量。最常用的手段是通過安裝在鉆機上的重力錘進行控制。本系統安裝在鉆機桅桿兩側的雙傾角傳感器，將成樁垂直度信息實時的顯示在電子顯示屏上。更加直觀準確的將垂直度信息反饋給鉆機操作手。

3.4 提管速度

在樁基施工中提管的速度至關重要，需要混凝土泵操作手和鉆機操作手的密切配合。當鉆機鉆進完成后，現場指揮通知鉆機操作手，將鉆桿稍稍提起，以便為鉆頭下的閥門打開騰出空間，隨后通知泵車操作手開始泵送混凝土，現場根據經驗當樁內混凝土埋過鉆頭0.5 米左右，鉆機手開始提鉆，并且提鉆速度與混凝土泵送的速度相配合，始終保持混凝土埋過鉆頭的狀態，以保證混合料充盈度。如果提鉆速度太快，鉆頭提離開混凝土面就會造成樁內夾泥，斷樁的嚴重質量問題。如果提鉆速度過慢，就會造成提不起鉆桿，甚至導致泵車故障泵管堵塞等問題，會嚴重影響施工進度。智能樁基質量監控系統通過安裝在泵車內的傳感器，記錄泵送次數，單次混凝土泵送量，就能得到泵送混凝土速度，天線記錄深度信息得到鉆機提鉆速度。并都直觀的反應在電子顯示屏上，便于操作手控制樁基施工。

3.5 持力層電流值

在現階段的樁基施工中，大多數還是依靠現場施工人員的施工經驗來判斷樁基是否已經進入了持力層，判斷方法是：當鉆頭進入持力層時，鉆機鉆進較慢甚至沒有進尺，鉆機機身出現輕微抖動，卷揚機的鋼絲繩處于松弛狀態。這就是鉆頭進入持力層的信號［3］。智能樁基質量控制系統通過安裝在鉆機配電系統的電流表測得鉆機動力系統的電流值，實現對鉆進過程的監控。當鉆頭鉆進到軟弱地層時，鉆機動力系統受到的阻力較小，記錄的電流值較小。當鉆頭進入持力層時，動力系統突然間受到較大的阻力，電流明顯增大，就可以確定鉆頭進入了持力層。實時的電流值直接在電子顯示屏上顯示出來。讓鉆機操作手更直觀的判斷鉆機的鉆進狀態。

4 結語

智能樁基質量控制系統通過傳感器技術和互聯網技術實現了樁基施工參數的全面過程控制。方便項目管理人員遠程實時有效地監控現場的施工情況。既保證了施工質量，又提高了施工效率，擺脫了樁基質量只能依靠施工經驗的現狀。實現了樁基數字化施工時代［4］。