塑料排水板打設(shè)深度及回帶長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

程英武，宋偉浩，馮波，孫文博，袁超哲

（1.中交上海航道局有限公司，上海 200002；2.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 200082）

0 引言

利用插板機(jī)插打塑料排水板對(duì)軟土地基進(jìn)行固結(jié)處理，塑料排水板需要按照設(shè)計(jì)要求插入設(shè)定深度，且標(biāo)準(zhǔn)要求塑料排水板的回帶長(zhǎng)度不得超過(guò)500 mm，回帶的根數(shù)不宜超過(guò)總根數(shù)的5%[1]，故監(jiān)測(cè)塑料排水板打入深度和回帶長(zhǎng)度對(duì)施工質(zhì)量有重要意義。

目前對(duì)塑料排水板打設(shè)深度測(cè)量方法有：記錄儀法、數(shù)字刻度法、電阻測(cè)量法和低壓脈沖反射法[2-4]。記錄儀法測(cè)量排水板深度不能供操作人員直觀觀察到排水板深度情況，也未具備回帶長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)功能。其余3種方法需要人工現(xiàn)場(chǎng)核驗(yàn)，由于施工區(qū)域排水板數(shù)量眾多，只能采取抽查形式且工作勞動(dòng)強(qiáng)度大。造成塑料排水板回帶的原因主要包括：淤泥由管靴位置進(jìn)入套管造成塑料排水板與管壁粘連；當(dāng)土體含水量過(guò)大或過(guò)于干硬都不能使管靴連同塑料排水板有效卡固在土體中，等等。為減少回帶而采取的措施包括：增加沖水裝置、增加鏈條長(zhǎng)度、改進(jìn)管靴、改進(jìn)打樁頭等[5-8]，但是針對(duì)回帶長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)的研究較為少見(jiàn)。

目前工程中應(yīng)用的軟基處理設(shè)備自動(dòng)化程度不高，尚未具備自動(dòng)監(jiān)測(cè)排水板打入深度和回帶長(zhǎng)度的功能，相關(guān)監(jiān)理任務(wù)需人工完成。為減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高數(shù)據(jù)采集的廣泛性和自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)獲取塑料排水板打設(shè)深度及回帶長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)基本原理與插板流程

1.1 基本原理

套管軟基處理設(shè)備利用振動(dòng)錘將套管插至土層設(shè)計(jì)深度，由卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引振動(dòng)錘將套管拔出，同時(shí)套管內(nèi)的塑料排水板與管靴在自身重力及土體阻力的作用下留存在土體內(nèi)。若采用非一次性管靴，套管上拔一定距離后，套管末端繩鏈將牽引管靴脫離土體。

插板時(shí)卷?yè)P(yáng)機(jī)離合器處于脫開(kāi)狀態(tài)，由振動(dòng)錘為套管提供插板動(dòng)力；拔出套管時(shí)卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)鋼絲繩提升振動(dòng)錘來(lái)完成。測(cè)深編碼器與卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒軸彈性連接，可實(shí)時(shí)獲取鋼絲繩的抽出長(zhǎng)度，進(jìn)而由PLC計(jì)算得出套管下插深度。塑料排水板盤繞在卷盤上，其自由端通過(guò)測(cè)長(zhǎng)裝置后從套管上端穿帶窗穿入并由下端穿出，通過(guò)管靴固定于樁尖。排水板測(cè)長(zhǎng)編碼器根據(jù)排水板的進(jìn)退量可得出通過(guò)測(cè)長(zhǎng)裝置的排水板長(zhǎng)度。

控制器通過(guò)測(cè)長(zhǎng)裝置采集排水板長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，且排水板插設(shè)過(guò)程中保持繃緊狀態(tài)，本次和上次打設(shè)記錄數(shù)據(jù)之差即為上次排水板的打設(shè)深度?？刂破魍ㄟ^(guò)測(cè)深編碼器獲取套管最終下插深度數(shù)據(jù)，該次的套管下插深度與塑料排水板打設(shè)深度之差即為回帶長(zhǎng)度。打設(shè)深度和回帶長(zhǎng)度準(zhǔn)確計(jì)算的關(guān)鍵在于確定數(shù)據(jù)的采集時(shí)刻及其在監(jiān)控系統(tǒng)中的自動(dòng)判定。

1.2 插板流程

軟基處理設(shè)備打入塑料排水板遵循固定流程，打設(shè)排水板前需預(yù)先在計(jì)劃施工區(qū)域放線定樁，也即人工按照施工規(guī)范標(biāo)記打樁位置。套管軟基處理設(shè)備按照既定樁位，依次完成移機(jī)定位、套管至設(shè)定深度、提管至設(shè)定高度、割斷排水板、卷板并安裝樁靴、檢驗(yàn)并記錄打設(shè)數(shù)據(jù)。完成上述步驟后，需要判定本次打設(shè)是否合格，如不符合規(guī)范要求需要重新在樁位附近補(bǔ)打排水板，合格則移機(jī)至下一樁位按照流程繼續(xù)打設(shè)。

2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

軟基處理設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。HMI用于顯示設(shè)備施工數(shù)據(jù)、配置作業(yè)參數(shù)。PLC控制器用于接收處理各傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行邏輯運(yùn)算并控制各執(zhí)行器完成指定動(dòng)作，包括判定套管深度和板長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)刻。測(cè)長(zhǎng)裝置用于采集通過(guò)該裝置的排水板長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。套管深度編碼器與卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒軸柔性連接，用于實(shí)時(shí)獲取鋼絲繩卷收長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器運(yùn)算處理后得出校正后的套管深度數(shù)據(jù)。通過(guò)傾角傳感器獲取套管的傾斜角度，用于計(jì)算某根排水板的垂直度。履帶電機(jī)用于為設(shè)備提供移機(jī)動(dòng)力，振動(dòng)錘、油泵、離合器、制動(dòng)器和卷?yè)P(yáng)機(jī)用于完成設(shè)備插板操作。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 The structure of monitoring system

2.2 測(cè)長(zhǎng)裝置

工程實(shí)踐表明利用編碼器測(cè)量塑料排水板消耗量切實(shí)可行，但編碼器安裝形式會(huì)對(duì)半長(zhǎng)測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響。由于卷盤上排水板處于持續(xù)消耗狀態(tài)，其外徑隨之發(fā)生變化，若利用編碼器直接測(cè)量卷盤轉(zhuǎn)數(shù)，難以準(zhǔn)確計(jì)算排水板消耗量，為此設(shè)計(jì)了排水板長(zhǎng)度測(cè)量裝置，裝置實(shí)物見(jiàn)圖2。另外，由于設(shè)備套管由振動(dòng)錘驅(qū)動(dòng)插入土體，故在插板作業(yè)時(shí)設(shè)備會(huì)劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法利用傳感器直接測(cè)量套管打入深度，但牽引振動(dòng)錘的鋼絲繩的伸出長(zhǎng)度可直接測(cè)量，因而可根據(jù)鋼絲繩伸出長(zhǎng)度間接計(jì)算套管打入深度。由于鋼絲繩在卷筒上排布不均，無(wú)法直接通過(guò)編碼器測(cè)量通過(guò)卷筒轉(zhuǎn)數(shù)/角度計(jì)算鋼絲繩長(zhǎng)度變動(dòng)量，故依照相同原理設(shè)計(jì)了鋼絲繩伸出長(zhǎng)度測(cè)量裝置。

圖2 塑料排水板測(cè)長(zhǎng)裝置實(shí)物圖Fig.2 The length measuring device for plastic drainboard

以排水板測(cè)長(zhǎng)裝置為例說(shuō)明裝置構(gòu)成及測(cè)量原理。如圖2所示，排水板測(cè)長(zhǎng)裝置主要由1根測(cè)長(zhǎng)滾軸、1根壓緊滾軸、1個(gè)多圈絕對(duì)值編碼器構(gòu)成。為保證排水板帶動(dòng)測(cè)長(zhǎng)滾軸和壓緊滾軸流暢轉(zhuǎn)動(dòng)，兩滾軸均采用輕質(zhì)尼龍材料制作。測(cè)長(zhǎng)滾軸位于支座上方，一端與多圈絕對(duì)值編碼器軸柔性連接。壓緊滾軸位于測(cè)長(zhǎng)滾軸下方，兩端可在支座U形槽內(nèi)活動(dòng)。通過(guò)調(diào)整壓緊滾軸兩端硬質(zhì)彈簧的定位螺母，可調(diào)整壓緊滾軸相對(duì)位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)兩軸對(duì)排水板壓力，保證排水板可帶動(dòng)測(cè)長(zhǎng)滾軸無(wú)相對(duì)滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。由編碼器采集測(cè)長(zhǎng)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)，并根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與測(cè)長(zhǎng)滾軸外圍周長(zhǎng)關(guān)系計(jì)算得出消耗排水板長(zhǎng)度。

2.3 系統(tǒng)測(cè)量原理與實(shí)現(xiàn)

在振動(dòng)錘驅(qū)動(dòng)套管插入土體的過(guò)程中，塑料排水板保持緊繃狀態(tài)，卷?yè)P(yáng)機(jī)離合器處于脫開(kāi)狀態(tài)，卷筒在抱閘和振動(dòng)錘的雙重作用下緩慢釋放鋼絲繩，期間鋼絲繩會(huì)劇烈抖動(dòng)，故無(wú)法根據(jù)鋼絲繩的釋放長(zhǎng)度直接得到套管下插深度。可近似認(rèn)為鋼絲繩釋放長(zhǎng)度與套管下降距離存在函數(shù)關(guān)系，采用先期試驗(yàn)與數(shù)據(jù)擬合的方法得出兩者關(guān)系式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)套管插入深度的間接測(cè)量。當(dāng)套管插入預(yù)定深度或觸及無(wú)法穿透的硬土層時(shí)，可認(rèn)為插板結(jié)束，應(yīng)關(guān)閉振動(dòng)錘，接合卷?yè)P(yáng)機(jī)離合器，松開(kāi)抱閘后開(kāi)啟卷?yè)P(yáng)機(jī)拉動(dòng)套管上升并脫離土層。在套管上升期間，鋼絲繩處于緊繃狀態(tài)，排水板因回帶處于松弛卷曲狀態(tài)，此時(shí)排水板測(cè)長(zhǎng)裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)不能正確表征排水板插入深度。

通過(guò)上述流程分析可知，為準(zhǔn)確計(jì)算排水板的打設(shè)深度和回帶長(zhǎng)度，需要嚴(yán)格把控兩編碼器的數(shù)據(jù)記錄時(shí)刻。每次打設(shè)流程中從排水板穿管裝靴、樁尖觸地至套管下插結(jié)束過(guò)程中，排水板都處于緊繃狀態(tài)，其中PLC可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)感知判斷的節(jié)點(diǎn)只有套管下插瞬間，故可選取該節(jié)點(diǎn)作為板長(zhǎng)數(shù)據(jù)記錄時(shí)刻。只有在排水板處于緊繃狀態(tài)的前提下，記錄相鄰兩次打設(shè)同一流程節(jié)點(diǎn)板長(zhǎng)數(shù)據(jù)后取差值，才能計(jì)算得出上次打設(shè)的排水板有效打設(shè)深度。在此基礎(chǔ)上，上次插板結(jié)束時(shí)套管樁尖實(shí)際深度與排水板有效打設(shè)深度之間的差值，即為上次打設(shè)回帶長(zhǎng)度。

PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算的流程圖如圖3所示。

圖3 PLC數(shù)據(jù)采集與計(jì)算流程圖Fig.3 The flowchart of PLC data acquisition and calculation

PLC通過(guò)一個(gè)RS485串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取參數(shù)設(shè)定值并上傳設(shè)備作業(yè)數(shù)據(jù)。PLC通過(guò)一個(gè)RS485串口同時(shí)與鋼絲繩編碼器和排水板編碼器相連接，以自由口通訊方式分時(shí)主動(dòng)輪詢獲取編碼器測(cè)量值。利用最小二乘法對(duì)測(cè)深編碼器數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)套管實(shí)際位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次項(xiàng)擬合，得到兩變量之間的關(guān)系式，利用該方法較為準(zhǔn)確地測(cè)得了套管的下插深度數(shù)值。

開(kāi)始插板作業(yè)前通過(guò)HMI設(shè)定打設(shè)深度、套管提升高度等參數(shù)，調(diào)整套管管尖位置至“套管提升高度”，將排水板穿過(guò)套管，折疊后由管靴固定在管尖位置并將插管樁尖自由降落至樁位點(diǎn)。操作人員進(jìn)行套管下插操作時(shí)，各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為：油泵啟動(dòng)、離合器脫開(kāi)、制動(dòng)器處于解除制動(dòng)狀態(tài)、振動(dòng)錘啟動(dòng)，當(dāng)滿足上述4個(gè)條件時(shí)，排水板處于緊繃狀態(tài)，PLC判定套管開(kāi)始下插并瞬時(shí)記錄排水板測(cè)長(zhǎng)編碼器數(shù)據(jù)Dn1。

實(shí)際作業(yè)中，作業(yè)區(qū)域土層復(fù)雜多變，套管會(huì)觸及無(wú)法穿透的硬土層或含水量極高的軟泥層，導(dǎo)致套管的實(shí)際下插深度會(huì)少于或多于設(shè)計(jì)深度，故PLC控制器無(wú)法根據(jù)套管實(shí)時(shí)打入深度是否達(dá)到設(shè)計(jì)深度作為下插結(jié)束的依據(jù)。切實(shí)可行的做法是：在套管下插過(guò)程中，操作人員關(guān)停振動(dòng)錘并提升套管時(shí)，記錄此刻的套管插入深度，該深度必為該次打設(shè)的套管最終打設(shè)深度。打設(shè)結(jié)束操作在設(shè)備狀態(tài)層面的表現(xiàn)是：振動(dòng)錘停振、卷?yè)P(yáng)機(jī)提升振動(dòng)錘、油泵啟動(dòng)、離合器合排、制動(dòng)解除，PLC檢測(cè)到上述條件都滿足時(shí)，立即根據(jù)鋼絲繩編碼器數(shù)值計(jì)算并記錄此時(shí)的套管深度數(shù)據(jù)Dn2。

假設(shè)上一次打設(shè)作業(yè)中分別在套管下插操作記錄排水板測(cè)長(zhǎng)編碼器數(shù)據(jù)Dn-11，在套管下插結(jié)束提升套管操作時(shí)，記錄套管深度Dn-12。則上次插板作業(yè)時(shí)排水板深度為Dn1-Dn-11，回帶長(zhǎng)度為Dn-12-（Dn1-Dn-11）。

3 工程應(yīng)用

在廈門機(jī)場(chǎng)大小嶝造地（約15 km2）陸域形成及地基處理工程項(xiàng)目中，將配備排水板打設(shè)深度以及回帶長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟基處理設(shè)備用于軟基加固，利用該系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)打設(shè)的排水板打設(shè)深度及回帶長(zhǎng)度自動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)與人工測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，結(jié)果顯示該系統(tǒng)對(duì)打設(shè)深度的測(cè)量誤差為±60 mm，回帶誤差為±82 mm，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度要求。通過(guò)對(duì)打設(shè)深度及回帶長(zhǎng)度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以供施工人員及時(shí)判斷某次打設(shè)是否合乎規(guī)范，對(duì)于未達(dá)標(biāo)樁位可及時(shí)按相應(yīng)施工要求補(bǔ)打排水板，提高了軟基處理項(xiàng)目的工程質(zhì)量，同時(shí)也大大降低了監(jiān)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用也為后續(xù)軟基處理設(shè)備的自動(dòng)化、信息化的升級(jí)改造打下基礎(chǔ)，提供數(shù)據(jù)支撐。