基于北斗RTK定位技術的高速公路路基CFG樁施工質量控制

張海寶，鄒佳成，彭澤峰，毛曉晴，劉 爽

(中建三局基礎設施建設投資有限公司，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場灌注而成。其黏結強度相對較好、負荷作用較為明顯、施工效益良好，因而作為近年來高速公路軟基開發與應用常用的地基處理方式之一。長螺旋管內泵壓成樁工藝作為CFG樁常用施工工藝，具有作業工效高、操作簡便的優勢。但由于軟土天然含水量高、抗剪強度低、固結系數小、流動性強，在施工時往往因提鉆速率與泵送量不匹配、施工區域地基承載力較低影響鉆機垂直度控制等因素造成斷樁、頸縮、竄孔、垂直度偏大、樁基偏位等質量通病，降低整個軟基處理區域的復合地基承載力，嚴重時將導致路基產生沉降，造成較大的直接或間接經濟損失。

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

1 CFG樁施工監測系統概況

1.1 監測系統組成

基于北斗RTK定位技術的CFG樁施工監測系統主要由定位定向單元、垂直度監測單元、鉆機電流傳感單元、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備包括基站、定位天線、定向天線。基站設置于其信號傳輸范圍內，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鉆桿頂，定向天線安裝于鉆機尾部。通過定位天線所采集的位置信息進行厘米級樁基定位，并結合定向天線數據進行鉆機姿態、方位計算分析，計算結果最終在鉆機駕駛室內操作終端上顯示為位置引導信息，指示鉆機向所選樁點處移動。

1.2.2垂直度監測單元

垂直度監測單元主要監測設備為傾角傳感器。傳感器采用強磁吸附于鉆機鉆桿機架底部法蘭盤上，用于采集鉆桿垂直度數據。

1.2.3鉆機電流傳感單元

鉆機電流傳感單元主要監測設備為安裝于鉆機電源位置的電流傳感器，采集數據為CFG樁施工全過程的鉆機電流信息。

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測設備為安裝于地泵電源位置的電流傳感器，采集數據為地泵作業時間內的電流信息。

1.2.5操作單元

操作單元主要設備為安裝于鉆機駕駛室內的操作終端。操作終端是基于北斗RTK定位技術的CFG樁施工監測系統的引導終端，鉆機操作員通過在終端上選擇樁區、導入樁點文件、點選樁點，由系統引導完成CFG樁施工全過程。同時，所有監測設備所采集的數據最終將在操作終端上經計算、處理后顯示為樁基偏位、垂直度、鉆進速率、鉆孔深度、鉆進過程中電流值等具體數值信息，指導鉆機操作員對施工過程進行調整，提高成樁質量。

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域CFG樁樁點信息文件的導入。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域內每根CFG樁的施工信息進行批量查看、處理與導出。以上兩項功能通過在云服務器上部署管理系統實現。

2 過程質量控制方法

2.1 樁區劃分及樁點文件導入

樁區劃分及樁點文件導入在管理系統上優先完成。樁區劃分與設計保持一致，樁點文件按劃分的樁區使用Excel文件格式導入系統。樁點文件信息主要包括樁號、坐標、樁頂標高及鉆孔深度等，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，因此設備使用前需進行校核、修正。在武漢東四環線高速公路化工互通采用現場已有4個控制點(施工區域東、西、南、北方向各1個)進行校核，路基CFG樁施工區域全部位于控制點的控制區域內，以確保校核準確性。控制點間距約為1.5km。經校核后，其定位精度可以達到±10mm+1×10-6mm，滿足規范要求。施工前由鉆機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鉆機進行樁位對正。

2.3 垂直度控制

垂直度監測單元采用傾角傳感器進行數據采集，傾角傳感器相關參數為：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0.01°。

傾角傳感器采集的數據以具體的垂直度數值、偏位方向顯示在操作終端上。鉆機操作人員只需根據終端上引導進行調整，確保施工垂直度滿足要求。經現場實測，傾角傳感器監測精度滿足要求。

2.4 鉆進速率及鉆深控制

施工過程中鉆進速率通過衛星定位測量安裝在鉆桿頂部的定位天線高程變化由系統計算得出。系統自行對定位天線高程變化數據按單位時間進行采集、計算，轉換為實時鉆進速率顯示在終端上，指導鉆機操作員控制下鉆速度以適應淤泥質黏土層、砂層、粉質黏土層等不同地層的施工要求。

施工鉆進時采用鉆深控制、標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，往往一個施工區域內場地不能做到完全平整，可能存在10～20cm的標高誤差。此時若全部使用場地的平均標高進行控制，則有可能造成個別場地標高較高位置有效樁長不足。因此，系統在使用鉆深控制的基礎上采用標高進行校核。當鉆進過程中的鉆機電流值下降到界限值以下時，系統將自動通過鉆深數據計算此時鉆進的實際樁底標高HL，并與設計樁底標高H0進行比對。若HL>H0，操作終端上將會發出提示引導鉆機機手繼續向下鉆進。

施工過程中終端上將會隨時顯示鉆機電流傳感單元采集的電流數據。通過電流數據的變化判斷鉆進過程中地層的變化，以指導操作人員控制不同地層的鉆進速率。也可將鉆深數據與地質勘察報告進行比對，若有與報告不符情況及時向設計單位反映，并調整施工順序或跳打間距，避免發生竄孔。

2.5 提鉆速率及灌注量控制

提鉆速率監測方法與鉆進速率監測方法相同。監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據控制。在使用前先根據一段時間內混合料的泵送量、泵送次數、地泵電流變化大致計算出平均每次的泵送量，在系統中進行預設置，設置完成后通過采集的地泵電流數據進行泵送量的大致估算。

例如，地泵設置為A工況時，施工1根CFG樁共泵送混凝土V1(m3)。根據混合料泵送電流傳感單元采集的數據，全過程中電流共發生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。調整地泵為B工況繼續試驗并重復進行計算，如此將多次試驗后采集的電流峰值、泵送量數據進行擬合，大致確定電流突變峰值與單次泵送量的關系，在后續施工中通過電流傳感器數據判斷樁基施工灌注量，以在確保樁基施工質量的前提下節約材料。

3 應用效果分析

現場隨機抽取樁基進行驗證，部分試驗數據如表2～6所示。

經驗證，該技術在樁點定位、垂直度、鉆深、鉆進速率、電流值方面所采集的數據與現場測量數據相對偏差在允許范圍內。武漢東四環線高速公路化工互通路基CFG樁施工已全面采用該技術進行過程管控。與傳統施工質量過程管控相比，基于北斗RTK定位技術的高速公路路基CFG樁施工質量控制技術具有以下優勢。

表2 樁點定位控制驗證 m

表3 垂直度控制驗證

表4 鉆進速率控制驗證

表5 鉆深控制驗證 m

表6 電流值控制監測驗證 A

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

2)通過數據化信息，實現了鉆進速率、提鉆速率的定量控制與穿越不同地層時的動態調整。確保了樁基施工質量，避免了頸縮、斷樁等樁基施工質量問題。現場對已施工的樁基按設計要求進行了低應變、取芯法檢測，單樁承載力及復合地基承載力試驗，試驗結果良好。

3)在確保施工質量的前提下節約了材料。通過提鉆速率、鉆深及泵送量的協調控制，與傳統人工控制相比更準確，有效避免了灌注混合料的浪費現象。現場施工過程中，樁間土開挖后切除的樁頭基本未發生超高過多現象。施工過程中灌注量的監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 結語

通過基于北斗RTK定位技術的高速公路路基CFG樁施工質量控制研究與應用，實現了對應用長螺旋管內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、動態化的施工質量管控；提高了現場施工的標準水平、信息化水平及施工質量，克服了傳統施工方式中可能發生的質量通病，降低了管理難度；同時，為北斗RTK定位技術的深化應用及路基CFG樁的施工信息化管控提供了思路，為后續類似項目應用該技術提供了借鑒經驗。