基于北斗RTK定位技術(shù)的高速公路路基CFG樁施工質(zhì)量控制

張海寶，鄒佳成，彭澤峰，毛曉晴，劉 爽

(中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430065)

0 引言

水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)由一定比例的水泥、粉煤灰、碎石及石屑混合料現(xiàn)場灌注而成。其黏結(jié)強(qiáng)度相對較好、負(fù)荷作用較為明顯、施工效益良好，因而作為近年來高速公路軟基開發(fā)與應(yīng)用常用的地基處理方式之一。長螺旋管內(nèi)泵壓成樁工藝作為CFG樁常用施工工藝，具有作業(yè)工效高、操作簡便的優(yōu)勢。但由于軟土天然含水量高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、流動性強(qiáng)，在施工時往往因提鉆速率與泵送量不匹配、施工區(qū)域地基承載力較低影響鉆機(jī)垂直度控制等因素造成斷樁、頸縮、竄孔、垂直度偏大、樁基偏位等質(zhì)量通病，降低整個軟基處理區(qū)域的復(fù)合地基承載力，嚴(yán)重時將導(dǎo)致路基產(chǎn)生沉降，造成較大的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失。

武漢東四環(huán)線高速公路化工互通路基CFG樁工程量近50萬m3，施工范圍內(nèi)地質(zhì)條件變化大、布樁形式多、樁長及樁頂標(biāo)高差異大，造成現(xiàn)場管理難度大。為解決這一問題，現(xiàn)場采用北斗RTK定位技術(shù)，針對長螺旋管內(nèi)泵壓成樁工藝進(jìn)行高精度、全過程的施工質(zhì)量管控。經(jīng)過近半年的應(yīng)用總結(jié)及更新，通過采用該技術(shù)進(jìn)行路基CFG樁施工質(zhì)量控制已初見成效。

1 CFG樁施工監(jiān)測系統(tǒng)概況

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

基于北斗RTK定位技術(shù)的CFG樁施工監(jiān)測系統(tǒng)主要由定位定向單元、垂直度監(jiān)測單元、鉆機(jī)電流傳感單元、混合料泵送電流傳感單元、操作單元、施工信息及成果管理單元等組成。

1.2 各單元功能簡介

1.2.1定位定向單元

定位定向單元主要設(shè)備包括基站、定位天線、定向天線。基站設(shè)置于其信號傳輸范圍內(nèi)，為定位定向單元傳輸位置信息。定位天線安裝于長螺旋鉆機(jī)鉆桿頂，定向天線安裝于鉆機(jī)尾部。通過定位天線所采集的位置信息進(jìn)行厘米級樁基定位，并結(jié)合定向天線數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆機(jī)姿態(tài)、方位計算分析，計算結(jié)果最終在鉆機(jī)駕駛室內(nèi)操作終端上顯示為位置引導(dǎo)信息，指示鉆機(jī)向所選樁點處移動。

1.2.2垂直度監(jiān)測單元

垂直度監(jiān)測單元主要監(jiān)測設(shè)備為傾角傳感器。傳感器采用強(qiáng)磁吸附于鉆機(jī)鉆桿機(jī)架底部法蘭盤上，用于采集鉆桿垂直度數(shù)據(jù)。

1.2.3鉆機(jī)電流傳感單元

鉆機(jī)電流傳感單元主要監(jiān)測設(shè)備為安裝于鉆機(jī)電源位置的電流傳感器，采集數(shù)據(jù)為CFG樁施工全過程的鉆機(jī)電流信息。

表1 樁點文件格式

1.2.4混合料泵送電流傳感單元

混合料泵送電流傳感單元主要監(jiān)測設(shè)備為安裝于地泵電源位置的電流傳感器，采集數(shù)據(jù)為地泵作業(yè)時間內(nèi)的電流信息。

1.2.5操作單元

操作單元主要設(shè)備為安裝于鉆機(jī)駕駛室內(nèi)的操作終端。操作終端是基于北斗RTK定位技術(shù)的CFG樁施工監(jiān)測系統(tǒng)的引導(dǎo)終端，鉆機(jī)操作員通過在終端上選擇樁區(qū)、導(dǎo)入樁點文件、點選樁點，由系統(tǒng)引導(dǎo)完成CFG樁施工全過程。同時，所有監(jiān)測設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)最終將在操作終端上經(jīng)計算、處理后顯示為樁基偏位、垂直度、鉆進(jìn)速率、鉆孔深度、鉆進(jìn)過程中電流值等具體數(shù)值信息，指導(dǎo)鉆機(jī)操作員對施工過程進(jìn)行調(diào)整，提高成樁質(zhì)量。

1.2.6施工信息及成果管理單元

施工信息管理單元的主要功能為施工段落的劃分及各區(qū)域CFG樁樁點信息文件的導(dǎo)入。成果管理單元為施工信息匯總的載體，通過成果管理單元對各區(qū)域內(nèi)每根CFG樁的施工信息進(jìn)行批量查看、處理與導(dǎo)出。以上兩項功能通過在云服務(wù)器上部署管理系統(tǒng)實現(xiàn)。

2 過程質(zhì)量控制方法

2.1 樁區(qū)劃分及樁點文件導(dǎo)入

樁區(qū)劃分及樁點文件導(dǎo)入在管理系統(tǒng)上優(yōu)先完成。樁區(qū)劃分與設(shè)計保持一致，樁點文件按劃分的樁區(qū)使用Excel文件格式導(dǎo)入系統(tǒng)。樁點文件信息主要包括樁號、坐標(biāo)、樁頂標(biāo)高及鉆孔深度等，格式如表1所示。

2.2 樁點定位

由于安裝在鉆桿頂部的定位天線與鉆桿中心存在一定偏差，因此設(shè)備使用前需進(jìn)行校核、修正。在武漢東四環(huán)線高速公路化工互通采用現(xiàn)場已有4個控制點(施工區(qū)域東、西、南、北方向各1個)進(jìn)行校核，路基CFG樁施工區(qū)域全部位于控制點的控制區(qū)域內(nèi)，以確保校核準(zhǔn)確性。控制點間距約為1.5km。經(jīng)校核后，其定位精度可以達(dá)到±10mm+1×10-6mm，滿足規(guī)范要求。施工前由鉆機(jī)操作人員在操作終端上點選樁位，終端將顯示具體移動方向及距離以引導(dǎo)鉆機(jī)進(jìn)行樁位對正。

2.3 垂直度控制

垂直度監(jiān)測單元采用傾角傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傾角傳感器相關(guān)參數(shù)為：測量方向x-y(360°模塊雙軸)；量程±90°；零點最大誤差0.1°；交叉軸最大誤差4%，中誤差2%；相對精度為±15°量程內(nèi)0.01°。

傾角傳感器采集的數(shù)據(jù)以具體的垂直度數(shù)值、偏位方向顯示在操作終端上。鉆機(jī)操作人員只需根據(jù)終端上引導(dǎo)進(jìn)行調(diào)整，確保施工垂直度滿足要求。經(jīng)現(xiàn)場實測，傾角傳感器監(jiān)測精度滿足要求。

2.4 鉆進(jìn)速率及鉆深控制

施工過程中鉆進(jìn)速率通過衛(wèi)星定位測量安裝在鉆桿頂部的定位天線高程變化由系統(tǒng)計算得出。系統(tǒng)自行對定位天線高程變化數(shù)據(jù)按單位時間進(jìn)行采集、計算，轉(zhuǎn)換為實時鉆進(jìn)速率顯示在終端上，指導(dǎo)鉆機(jī)操作員控制下鉆速度以適應(yīng)淤泥質(zhì)黏土層、砂層、粉質(zhì)黏土層等不同地層的施工要求。

施工鉆進(jìn)時采用鉆深控制、標(biāo)高校核的方式確保施工樁長滿足要求。由于受施工場地的影響，往往一個施工區(qū)域內(nèi)場地不能做到完全平整，可能存在10～20cm的標(biāo)高誤差。此時若全部使用場地的平均標(biāo)高進(jìn)行控制，則有可能造成個別場地標(biāo)高較高位置有效樁長不足。因此，系統(tǒng)在使用鉆深控制的基礎(chǔ)上采用標(biāo)高進(jìn)行校核。當(dāng)鉆進(jìn)過程中的鉆機(jī)電流值下降到界限值以下時，系統(tǒng)將自動通過鉆深數(shù)據(jù)計算此時鉆進(jìn)的實際樁底標(biāo)高HL，并與設(shè)計樁底標(biāo)高H0進(jìn)行比對。若HL>H0，操作終端上將會發(fā)出提示引導(dǎo)鉆機(jī)機(jī)手繼續(xù)向下鉆進(jìn)。

施工過程中終端上將會隨時顯示鉆機(jī)電流傳感單元采集的電流數(shù)據(jù)。通過電流數(shù)據(jù)的變化判斷鉆進(jìn)過程中地層的變化，以指導(dǎo)操作人員控制不同地層的鉆進(jìn)速率。也可將鉆深數(shù)據(jù)與地質(zhì)勘察報告進(jìn)行比對，若有與報告不符情況及時向設(shè)計單位反映，并調(diào)整施工順序或跳打間距，避免發(fā)生竄孔。

2.5 提鉆速率及灌注量控制

提鉆速率監(jiān)測方法與鉆進(jìn)速率監(jiān)測方法相同。監(jiān)測提鉆速率與灌注量的目的是做好提鉆與泵送混合料的配合，避免提鉆過快造成頸縮、斷樁及提鉆過慢造成堵管、擴(kuò)孔、竄孔等問題。灌注量通過混合料泵送電流傳感單元采集數(shù)據(jù)控制。在使用前先根據(jù)一段時間內(nèi)混合料的泵送量、泵送次數(shù)、地泵電流變化大致計算出平均每次的泵送量，在系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)設(shè)置，設(shè)置完成后通過采集的地泵電流數(shù)據(jù)進(jìn)行泵送量的大致估算。

例如，地泵設(shè)置為A工況時，施工1根CFG樁共泵送混凝土V1(m3)。根據(jù)混合料泵送電流傳感單元采集的數(shù)據(jù)，全過程中電流共發(fā)生N1次突變，每次突變電流峰值為M1。則可得出地泵在A工況下單次泵送量V0=V1/N1。調(diào)整地泵為B工況繼續(xù)試驗并重復(fù)進(jìn)行計算，如此將多次試驗后采集的電流峰值、泵送量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，大致確定電流突變峰值與單次泵送量的關(guān)系，在后續(xù)施工中通過電流傳感器數(shù)據(jù)判斷樁基施工灌注量，以在確保樁基施工質(zhì)量的前提下節(jié)約材料。

3 應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場隨機(jī)抽取樁基進(jìn)行驗證，部分試驗數(shù)據(jù)如表2～6所示。

經(jīng)驗證，該技術(shù)在樁點定位、垂直度、鉆深、鉆進(jìn)速率、電流值方面所采集的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)相對偏差在允許范圍內(nèi)。武漢東四環(huán)線高速公路化工互通路基CFG樁施工已全面采用該技術(shù)進(jìn)行過程管控。與傳統(tǒng)施工質(zhì)量過程管控相比，基于北斗RTK定位技術(shù)的高速公路路基CFG樁施工質(zhì)量控制技術(shù)具有以下優(yōu)勢。

表2 樁點定位控制驗證 m

表3 垂直度控制驗證

表4 鉆進(jìn)速率控制驗證

表5 鉆深控制驗證 m

表6 電流值控制監(jiān)測驗證 A

1)定位準(zhǔn)確。采用北斗RTK定位技術(shù)控制的樁基定位、鉆桿垂直度、鉆深準(zhǔn)確且精度高。

2)通過數(shù)據(jù)化信息，實現(xiàn)了鉆進(jìn)速率、提鉆速率的定量控制與穿越不同地層時的動態(tài)調(diào)整。確保了樁基施工質(zhì)量，避免了頸縮、斷樁等樁基施工質(zhì)量問題。現(xiàn)場對已施工的樁基按設(shè)計要求進(jìn)行了低應(yīng)變、取芯法檢測，單樁承載力及復(fù)合地基承載力試驗，試驗結(jié)果良好。

3)在確保施工質(zhì)量的前提下節(jié)約了材料。通過提鉆速率、鉆深及泵送量的協(xié)調(diào)控制，與傳統(tǒng)人工控制相比更準(zhǔn)確，有效避免了灌注混合料的浪費現(xiàn)象。現(xiàn)場施工過程中，樁間土開挖后切除的樁頭基本未發(fā)生超高過多現(xiàn)象。施工過程中灌注量的監(jiān)測控制為施工過程材料用量的校核提供了參考。

4)完整保留了施工過程記錄，施工過程可追溯。

4 結(jié)語

通過基于北斗RTK定位技術(shù)的高速公路路基CFG樁施工質(zhì)量控制研究與應(yīng)用，實現(xiàn)了對應(yīng)用長螺旋管內(nèi)泵壓成樁工藝施工的高速公路路基CFG樁全方位、全過程、高精度、動態(tài)化的施工質(zhì)量管控；提高了現(xiàn)場施工的標(biāo)準(zhǔn)水平、信息化水平及施工質(zhì)量，克服了傳統(tǒng)施工方式中可能發(fā)生的質(zhì)量通病，降低了管理難度；同時，為北斗RTK定位技術(shù)的深化應(yīng)用及路基CFG樁的施工信息化管控提供了思路，為后續(xù)類似項目應(yīng)用該技術(shù)提供了借鑒經(jīng)驗。