物聯網全過程管控水泥攪拌樁關鍵技術研究

何楊閩 浙江交工集團股份有限公司 浙江交工金筑交通建設有限公司

水泥攪拌樁通過采用強制機械拌和水泥與軟土后形成水泥土，并在水泥與軟土之間發生一系列物理和化學反應，使軟土固結提高地基的承載力，減小地基變形，目前已廣泛應用于軟土地基處理。然而，由于水泥攪拌樁屬于隱蔽工程，其質量控制指標受人為因素影響較大，且成樁后的樁身質量檢測具有一定的滯后性，若發現問題無法及時采取補救措施。可見，水泥攪拌樁施工具有高度的隱蔽性和不可控性，如何提高施工質量管控水平一直備受關注。

國內外已有很多學者對水泥攪拌樁開展了系統研究，包括加固機理、施工工藝、質量管控措施、成樁檢測技術等方面。隨著現代計算機的發展，智能監控技術尤其是“物聯網+”技術在水泥攪拌樁的施工監測中逐漸得到應用。然而，現有的智能監控技術還無法同時監測水泥攪拌樁的漿液質量、樁長、攪拌次數、噴漿流量、噴漿壓力、樁位及樁垂直度等參數，監控系統的一體化技術還不夠完善和全面。此外，部分數據采集傳感器信號需要轉換，尚未實現數字化和網絡化，不能實時遠程監控。

針對上述問題，本文以“物聯網+”技術為載體，結合實際工程應用，開展物聯網全過程管控水泥攪拌樁關鍵技術研究，以期解決隱蔽工程水泥攪拌樁施工數據不透明、質量控制難度大、監管投入高、信息反饋不及時等弊端。

1.工程概況

G25長深高速德清至富陽段擴容湖州段土建第KTJ01標段，路線全長14.363km。淺部分布有海積淤泥、淤泥質粉質黏土，軟土厚度1-9m不等，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低等特點，采用物聯網全過程管控的水泥攪拌樁進行加固，全線水泥攪拌樁430389m。中部主要為沖湖積粉質黏土，層厚10-20m，下伏基巖。

本文試驗段選擇在一般路基段，該路段位于湖沼積平原區，地勢寬廣平坦，為農耕地，線路在本段以填方通過，地基為軟土地基。試樁數量為44根，三角形分布形式，樁間距1.4m，樁長8m，共計448m。樁體采用42.5號普通硅酸鹽水泥，設計水灰比0.45～0.55，樁徑0.5m，設計水泥用量為55kg/m。

2.物聯網管控工作原理

本工程物聯網管控技術采用的在線實時監控平臺主要由水泥凈漿自動化制漿操作儀（后臺）和智能樁機系統（前臺）兩大部分組成，可以監控水泥攪拌樁的各項指標（樁長、流量、電流、鉆速、泥漿比重、用漿量、水泥用量、施工流程、施工持續時間）。其工藝原理可概述為：施工前，在前臺和后臺系統界面根據設計值設定初始值及允許誤差范圍，并對前臺現場各儀器進行校正歸零，正式施工時通過現場儀器監測獲得的實時施工參數，系統同步與初始值進行對比，一旦實測值超出初始設定值的允許誤差范圍，系統會發出報警指示，從而指導操作以滿足設計與施工要求。

水泥攪拌樁的成樁質量控制包括深度、流量、垂直度、密度等幾大要素，其中制漿是水泥攪拌樁施工的關鍵環節，水泥漿液的質量直接關系到成樁質量。其中，后臺水泥凈漿自動化制漿操作儀的作用就是根據試驗室給定的水泥漿配比，在其系統中進行數據設定，設備將自動下料拌和制漿，可有效提高水泥漿液的質量，界面如圖1所示。前臺智能樁機系統的作用是通過在樁機不同位置安裝深度傳感器、電磁流量計、密度傳感器等多種傳感器獲得實時施工參數，并與設計參數進行實時比對，其結構組成如圖2所示。

圖1 水泥凈漿智能化制備操作界面

圖2 前臺智能樁機系統組成示意圖

3.工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

水泥攪拌樁處理軟土地基物聯網全過程管控施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程圖

3.2 操作要點

3.2.1 監測設備安裝

深度傳感器安裝包含光電編碼器和光電編碼器支架。鋼絲繩作為架子，鏈條機作為轉盤；在鉆機立架上選擇合適位置將光電編碼器支架安裝在鉆機和鉆桿外降鋼絲繩之間，并且將此鋼絲繩緊貼于支架上的滑輪槽，鏈條機安裝在鉆機立架合適位置。電磁流量計一般安裝在鉆機支架托盤處的兩邊。安裝時，注意流量計內泥漿流向必須與流量器上的流向箭頭指向一致，將其固定在托盤邊處并使流量計的流向箭頭朝上。電流互感器安裝在電控柜里連接動力頭電機的三根火線，把互感器的孔套到一根火線上。

如圖4所示，將物聯網監控主機安放在樁機上方便人員操作的合適位置，一般放在電控柜上。物聯網監控主機安裝好后，插入深度傳感器、電磁流量計及電流互感器的信號線，所有信號線都用不同的航空插頭和固定方向，注意插頭孔數和方向。

圖4 物聯網監控主機

3.2.2 攪拌樁鉆機定位

攪拌機到達施工作業場地后通過縱橫向移位，鉆頭對準孔位，誤差不大于50mm。鉆機就位后，調節液壓支腿，調整樁機平臺使之水平，前后采用水平尺控制，左右采用鉛錘控制，保證鉆機垂直度偏差不超過1.5%。

3.2.3 鉆進噴漿下沉

采用后臺標準水泥凈漿智能化制備泥漿，依據試驗室給定的水泥漿配比，進行數據設定后，設備將進行自動下料拌和。如圖5所示，登錄在線實時監控平臺，通過前臺智能樁機系統中不同傳感器的實時監測反饋，可在線查看單樁云平臺每延米平均數據等，可視化繪制出時間-深度-流量-速度-電流-漿量等關系曲線，并可將相關數據導出為excel表的形式。

圖5 時間-深度-流量-速度-電流-漿量等關系曲線

4.應用效果

成樁28天后，根據要求選取一定數量的樁基，采用雙管單動取樣器鉆取芯樣做無側限抗壓強度試驗和單樁承載力檢測。其中，無側限抗壓強度在0.80-1.80MPa之間，滿足設計強度要求。對于樁長10m水泥攪拌樁，其單樁承載力不低于157kN，同樣滿足設計強度要求。

此外，傳統工藝施工需每臺設備每班制需配備2名制漿人員，1名機械輔助定位人員，2名樁機操作人員，1名技術記錄人員，以及相應監管及記錄數據錄入處理人員1名，每臺設備折算配置7人。而采用物聯網全過程管控技術，每兩臺設備僅需配1名制漿人員進行電控按鈕操作，2名機械輔助定位人員，3名樁機操作人員。無需專項配置監管人員和記錄數據錄入處理人員，每臺設備折算配置為3人，節省4名勞動力。

以應用工程中全部水泥攪拌樁施工量430389m為計算依據，每臺機每臺班施工200m，共需2152臺班。經計算，可節省人工成本：2152臺班×200元/臺班/人×4人=172.16萬元；物聯網增加費用按1.4元/m計取，設備成本將增加：430389m×1.4元/m=60.25萬元。因此，采用本技術產生直接經濟效益111.91萬元。

5.結論

依托G25長深高速德清至富陽段擴容湖州段土建工程，本文開展物聯網全過程管控水泥攪拌樁關鍵技術研究，主要結論如下：

（1）采用物聯網管控技術解決了隱蔽工程水泥攪拌樁施工數據不透明、質量控制難度大、監管投入高、信息反饋不及時等弊端，顯著提高了水泥攪拌樁的施工質量和施工水平。

（2）前臺智能樁機系統通過安裝成套先進監控設備來記錄查詢施工過程原始數據及成果報表，實現攪拌樁質量全數字化、施工全過程跟蹤、可反饋和可追溯。

（3）后臺標準制漿系統智能制備水泥漿，有效減少了泥漿的浪費和對周圍環境的污染，符合目前綠色施工、節能環保的響應。