龍瑞公路采用攪拌樁物聯網監控系統的應用研究

陳建偉 朱小龍 魏曉陽 李桂龍 畢經緯 王帥

摘 要：采用水泥攪拌樁實時監控系統，在線監控施工參數，科學指導施工。通過對施工樁長、水泥摻量、水灰比、電流、下鉆速度、提升速度、施工時間等參數的采集，實時了解單根樁基施工質量，保證施工質量和進度。通過和檢測報告的對比，表明監控系統的有效性和準確性。

關鍵詞：水泥攪拌樁;物聯網監控系統;施工參數;作業成效

中圖分類號：U445.551 文獻標識碼：A

1 項目概要

1.1 項目簡介

龍瑞公路瑞安段工程屬浙江省重點交通建設項目。北起龍灣與瑞安交界處，起點樁號為K0+000，工程途經塘下、汀田、莘塍、上望、東山五個鎮街，南至飛云江北岸瑞八公路，終點樁號為K12+344，路線總長10.7 km。公路土建部分按照雙向六車道一級公路80 km/h標準設計，兼顧了城市道路功能，全線采用整體式路基，路基寬度50 m、42 m和48 m三種。本項目施工工程段為K5+364～K5+530。

本項目位于沖海積平原區，根據地質報告，場地內不良地質作用不發育。特殊性巖土主要為軟土（淤泥、塘泥），易造成不均勻沉降和過量沉降等。為了工程施工的質量和安全，采用水泥攪拌樁對部分軟基路段進行處理。

1.2 軟基處理特點

以水泥土攪拌樁為代表的軟基處理施工質量保障是沿海地區工程建設的突出難點。軟基處理施工具有高度的隱蔽性，土質條件、施工工藝、施工水平等因素都會影響攪拌樁施工和成樁質量，難以全面預見，且對攪拌樁樁身質量的評價具有滯后性，成樁后發現問題難以補救。

鑒于省內近年來部分高速公路項目軟基施工中出現的問題，本項目擬開展基于物聯網技術的攪拌樁施工信息化管控系統應用，并針對當前前后臺銜接不及時、裝備水平低造成施工總體控制難度大等問題，在此基礎上，進一步進行基于集成化智能樁機設備與物聯網信息化技術的軟基處理施工控制改造，通過對國內現有軟基處理尤其是攪拌樁機裝備水平的智能化改造，結合物聯網信息化技術，實現從前臺施工、后臺制漿控制、前后臺整體控制、平臺端實時監控、樁機施工成效分析、樁體成樁質量評估等，建立國內領先的攪拌樁智能施工控制與在線監控分析一體化系統。

本項目的研究旨在為公路攪拌樁軟基工程科學施工和運營管理提供技術和理論支撐，力爭成為省內軟基處理信息化施工示范項目。

2 攪拌樁物聯網監控系統

基于水泥土攪拌樁施工現狀，利用傳感器技術、物聯網技術，開發智能監控系統，對樁長、漿量、灰量、下鉆速度、提鉆速度、電流、水泥摻量、水灰比、流量等進行監測，實現智能巖土，如圖1所示。

（1）解決當前軟基處理施工存在的一系列難題，如不按規范操作、前后臺脫節、無法在線實時監控等，實現智能施工。

①開發出無線變頻系統，前后臺間實現獨立自主控制，避免了銜接不及時造成的工程質量隱患與材料浪費;②開發出在線實時制漿監控系統，可實現精確制漿與數據推送;③開發出定位與樁長實時監測系統，實現樁機與樁位的精確定位與隨時可查，樁長得到了充分的保證。

（2）將先進的物聯網技術與巖土工程測試技術巖土工程專業技術結合，建立施工質量實時監控與分析系統，大大提高信息化及專業化施工水平，如圖1所示。

①代替人工加強現場施工質量監督;②能夠做到監測數據采集、傳輸與保存的安全性、保密性尤其是真實性。

（3）利用高度信息化的施工監控與分析系統實現對每根樁質量及整個場地施工質量的全面、專業的評估與分析，指導后續施工及檢測工作，如圖2所示。

①指標能夠及時反饋，對施工質量的評估放到施工進行時，而大大避免了進行事后處理;②對施工質量的評估不僅是滿足設計條件，且可隨場地條件而做出相應針對性調整。

3 本工程監控系統應用方案設計

3.1 現場實施計劃

樁機控制系統由控制臺、電流互感器、深度傳感器、流量傳感器、傾角傳感器、密度傳感器等數字化設備組成，可方便地安裝在不同類型的樁機上，對成樁過程及關鍵質量參數進行控制。具體為在施工現場設備上安裝與擬監測參數對應的傳感器，信號經由傳感器有線傳輸至現場記錄儀，再通過無線信號傳至電信基站，最后采用互聯網技術實現隨時隨地的在線監測。現場測試通過傳感儀器及現場記錄儀完成，記錄儀配有專門的信號接收、轉換、發送模塊，數據分析系統由自動記錄模塊、報警模塊及專業分析模塊部分組成。以此實現從現場信號采集、轉換、發送到施工質量評價反饋、不合格參數報警等功能。

綜合龍瑞公路現場地質情況和施工情況，本次將投入1臺樁機記錄儀和1臺制漿記錄儀設備。

（1）通過對攪拌樁施工關鍵控制參數的監測，結合設計指導指標參數與允許合理范圍，同時綜合判斷地質條件、土層性質等，實現施工過程中的適時、合理的監控，為成樁質量提供保障。

●實現攪拌樁各個物理參數監測記錄：（深度、電流、漿液密度、漿液流量、噴漿壓力、樁機傾角等）。

●實現攪拌樁實施過程實時記錄（p/25 cm）。

●實現樁機和攪拌樁位置信息自動導入（RTK技術或深度傳感器技術）。

●實現漿量（流量）實時控制。

●實現樁機上行下行速度控制。

●實現樁機數據實時上傳到云端服務器。

●實現異常情況報警和保護。

主要儀器與技術說明：

1）施工記錄儀：應安裝放在鉆機的操作平臺上便于操作人員觀察和操作的位置，使用時需將電磁流量計、深度傳感器、傾角傳感器等分別連接到主機旁邊板對應的接口，并連上電源線，然后將電源線插入220 V的交流電上。

2）RTK定位技術：基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不足一秒鐘。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態;可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知數解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果。

3）電磁流量計：在鉆機原有的注漿管道上選擇適合處斷開注漿管，然后將流量裝置串接進去。安裝時必須讓電磁流量計的箭頭所指的方向與水泥漿實際流動方向一致，根據原有注漿管口徑大小的不同選擇相應的變徑管，在連接處應用卡箍或鐵絲緊固。

4）傾角傳感器：傾角傳感器安裝在轉架上，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。傾角傳感器測量兩個方面的角度：一個前后方面的角度，另一個左右方面的角度，通過傾角測量能保證鉆桿與地面的垂直度。

5）密度傳感器：在鉆機原有的注漿管道上選擇適合處斷開注漿管，然后將密度裝置串接進去。安裝時必須垂直放置密度裝置，然后根據原有注漿管口徑大的不同選擇相應變徑管。

6）電流互感器：在樁機電控柜內找到相應的三相火線的其中一根，套入電流互感器，用螺絲固定好互感器即可。

7）深度傳感器：包括光電編碼器一只、傳動部件機座。其中，光電編碼器是由傳動鋼絲繩經傳動部件帶動傳動。在鉆機井架上，選擇合適位置鉆孔，用螺絲將測深器牢固固定在井架上，將壓緊輪松開，把傳動鋼絲繩放入壓緊輪與傳動輪之間，再微調測深器底座，使傳動鋼絲繩處于正常的驅動位置，然后固定底座及調整壓緊輪與傳動輪的壓緊力，以保證傳動鋼絲繩移動時，不打滑帶動轉動輪轉動，使光電編碼器轉動與鋼絲繩直線位移相一致。

（2）后臺標準制漿系統。對于攪拌樁等化學固結法地基加固技術，材料準備是第一步，針對濕法水泥攪拌樁，后臺制漿的精確控制是漿液質量的保證，也是成樁效果的關鍵。

目前，攪拌樁施工多采用封閉式后臺，雖然能夠由電控柜實現下料、拌和等，但對于監理工作而言，這些是不夠的。鑒于此，在不改變現有后臺的基礎上，通過開發安裝自動化在線制漿記錄儀，搭配稱重傳感器、視頻監控等，可實現對后臺制漿的嚴格、實時在線與精確控制，同時，將后臺制漿參數實時推送至前臺及平臺端，實現前后臺及平臺端的數據及時共享，確保前后臺數據一致，對材料用量的控制建立了充分的保障。

（3）前后臺間無線變頻控制系統。攪拌樁施工過程中，往往需要根據土層條件合理控制噴漿量，且因施工工藝的不同（兩攪一噴、四攪兩噴、四攪三噴等）及現場工況（堵管、樁機故障等），需要及時開關漿泵，目前一般采用人工溝通實現，存在溝通不及時的現象，造成施工過程雜亂、材料浪費及質量管樁難以保證的問題。

針對施工過程中前后后無法有效銜接造成的漿量難以及時控制、材料浪費等問題，采用無線變頻控制技術，通過在后臺漿泵處安裝調速電機與變頻器，前臺無線遙控，從而將原有的前后臺相互配合才能實現低效的漿液控制，提升為僅依靠前臺樁機操作人員根據工況獨立、及時、高效地完成控制目標。

3.2 在線實時監控運營

（1）在線實時監控平臺的簡介。在線實時監控平臺基于B/S架構，通過用戶賬號授權登入，可基于施工客觀數據為工程所有參與方提供滿足各自需要的原始數據及成果報表，并根據不同交互、權限及管理要求設置業務流程、實現如超限報警及處置等管理功能。在線實時監控平臺具備以下特點：

●在指定的服務器上部署;

●滿足至少100臺樁機同時施工使用;

●滿足至少200個賬戶同時使用;

●支持所有主流瀏覽器：Chro me、IE10及以上、FireFox;

●在線實時監控平臺提供如下功能：

具備在線一覽、記錄報表、統計報表、記錄檢索、專家系統、信息管理、權限管理等多功能模塊。

查詢施工過程原始數據及成果報表，包括各樁成樁深度、成樁時間、用漿量、鉆速、泥漿比重、施工流程、施工持續時間等關鍵施工數據信息;查看、顯示單樁的各傳感器數據曲線;相關數據均能以Excel的格式輸出、存檔、打印。

（2）實時監控數據處理分析。根據現場施工情況，每月對已施工的樁基根據重要施工參數（樁長、摻量、施工時間等）對單樁質量進行評價統計分析。

3.3 工后檢測驗證分析

3.3.1 檢測方法

根據水泥攪拌樁施工28天取芯檢測及靜載試驗結果，與施工過程中的監測結果進行比較分析，并對施工過程在單樁質量評價體系進行微調，為后續水泥攪拌樁施工質量評價建立一套完整有效的質量評價體系。

鉆芯取樣：1）采用直徑108 mm 鉆頭鉆進（特殊情況下可采用直徑91 mm鉆頭），用回轉鉆進方法，嚴格控制回次進尺，每回次不超過1.5 m。鉆進深度超過施工樁長0.5 m，并取出樁底土樣進行描述記錄，據此確定實際樁長和端承情況。2）當孔底有殘留芯樣或浮泥時，標準貫入試驗前要進行清孔。孔內取樣時應保證殘留浮土厚度不大于取土器廢土段長度。3）芯樣取出后，依次擺放整齊，及時填寫回次芯樣牌，每回次均選取有代表性芯樣樣品進行無側限抗壓強度試驗。每根樁至少取三個芯樣，遇加固效果較差土層時，可采用取土器取樣。芯樣不成形，無法取得芯樣時，在記錄表內說明。檢測過程中，至少能在樁體取出的芯樣中選取一個無側限抗壓強度試驗芯樣，否則該樁判定為不合格樁。4）原狀芯樣立即進行芯樣描述并編號，注明時間、地點、監測孔號、深度、取樣人等，填寫水泥土芯樣標簽表。每根樁鉆探完成后，及時對所取芯樣進行拍照。5）芯樣應及時密封保存，并在3d內進行無側限抗壓強度試驗。

3.3.2 與檢測報告對比分析

根據檢測公司提供的檢測報告，檢測項目為基樁完整性（鉆芯法），現場取樣檢測6個樁，檢測報告見附件。

（1）K5+364-K5+384段右幅43#。根據系統平臺顯示，該樁施工樁長為15.61 m，累計灰量2 192.04 kg，平均灰量140.42 kg/m，經計算，實際摻量為18.2%。檢測報告中，實測樁長15.70 m，設計樁長為15 m，設計摻量為12%～20%，設計水泥用量≥125 kg/m。

（2）K5+364-K5+384段右幅45#。根據系統平臺顯示，該樁施工樁長為15.90 m，累計灰量2 277.36 kg，平均灰量143.23 kg/m，經計算，實際摻量為18.6%。檢測報告中，實測樁長15.90 m，設計樁長為15 m，設計摻量為12%～20%，設計水泥用量≥125 kg/m。

（3）K5+364-K5+384段右幅123#。根據系統平臺顯示，該樁施工樁長為14.05 m，累計灰量2 155.56 kg，平均灰量153.42 kg/m，經計算，實際摻量為19.9%。檢測報告中，實測樁長14.20 m，設計樁長為15 m，設計摻量為12%～20%，設計水泥用量≥125 kg/m。

（4）K5+384-K5+540段右幅157#。根據系統平臺顯示，該樁施工樁長為14.14 m，累計灰量1 933.92 kg，平均灰量136.76 kg/m，經計算，實際摻量為17.8%。檢測報告中，實測樁長14.30 m，設計樁長為13 m，設計摻量為12%～20%，設計水泥用量≥125 kg/m。

（5）K5+384-K5+540段右幅175#。根據系統平臺顯示，該樁施工樁長為14.48 m，累計灰量1 977.84 kg，平均灰量136.58 kg/m，經計算，實際摻量為17.7%。檢測報告中，實測樁長14.40 m，設計樁長為13 m，設計摻量為12%～20%，設計水泥用量≥125 kg/m。

（6）K5+384-K5+540段右幅179#。根據系統平臺顯示，該樁施工樁長為14.23 m，累計灰量1 881.96 kg，平均灰量132.25 kg/m，經計算，實際摻量為17.2%。檢測報告中，實測樁長14.20 m，設計樁長為13 m，設計摻量為12%～20%，設計水泥用量≥125 kg/m。

經與檢測報告對比分析得出，這6個樁都滿足設計要求，監測平臺數據有效。

4 結論

采用水泥攪拌樁實時監控系統，在線監控施工參數，科學指導施工。通過對施工樁長、水泥摻量、水灰比、電流、下鉆速度、提升速度、施工時間等參數的采集，實時了解單根樁基施工質量，保證施工質量和進度。通過和檢測報告的對比，表明監控系統的有效性和準確性。