超深振沖碎石樁施工智能化監控系統研發與應用研究

劉強 趙宇飛 楊帆 羅文君 杜曉凡

摘要：振沖碎石樁是處理軟弱地基的常見技術手段。應用該地基處理技術的大部分是隱蔽工程，施工過程質量控制的作用和意義遠大于施工結束之后的質量檢測。結合拉哇水電站中上游圍堰地基軟弱覆蓋層振沖碎石樁加固項目，運用BIM+GIS、數據精細化分析等技術，構建了超深碎石樁施工過程實時監控軟件系統。系統匯集振沖碎石樁施工過程深度、電流、填料量等實時數據，通過實時圖形展示施工過程、自動分析與評價施工質量，實現了超深振沖碎石樁施工過程實時監控，保證了施工質量，并為圍堰穩定施工建設提供強有力支撐。

關鍵詞：振沖碎石樁;實時監控;BIM+GIS;數據分析;拉哇水電站

中圖法分類號：TV553 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.011

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0065 - 07

0 引 言

振沖法地基處理最早由德國人S. Steuerman提出。1977年，中國引入振沖碎石樁施工技術，成功解決了官廳水庫軟弱地基的問題[1]，隨后該方法在中國得到了迅速推廣和應用。大量實際工程應用證明，該方法是軟弱地基加固處理的一種快速、有效的技術手段。但是大量的工程實踐也表明，應用地基處理的大部分是隱蔽工程，在工程施工結束后，不能對振沖碎石樁進行大量開放性檢查，只能依靠有限的動力觸探、滲透試驗以及載荷試驗來進行施工質量評價。對于隱蔽性工程來說，施工過程的質量控制作用與意義遠遠大于施工結束之后的質量檢測。以往振沖碎石樁施工過程的監控主要以人工現場設備控制、現場數據記錄為主，這樣的管理方式較為傳統，效率低下，也難以保證振沖碎石樁這種典型隱蔽工程的質量。近年來，在振沖碎石樁施工過程中，通過在施工設備上安裝傳感器，實現了對振沖施工過程中深度、電流、填料量等重要控制參數的實時采集與傳輸，結合實時監控和實時數據分析，有效保證了施工質量。

早在2003年左右，就有相關專家學者利用電腦控制系統開展振沖碎石樁施工過程的實時記錄，通過在振沖碎石樁施工機械上安裝相關的傳感器，對振沖施工過程中重要的施工參數進行實時監測;施工結束后，數據自動保存并生成相關報表，實現了振沖碎石樁施工信息的全過程記錄與分析[2-6]。近年來，在攪拌樁施工、振動沉管碎石樁、擠密砂樁等施工過程中，利用遠程自動監控系統進行了施工過程遠程實時監控[7-9]。這些技術的發展與應用，都為本文中利用數據實時傳輸模塊將施工機械重要施工參數進行實時傳輸、開發超深振沖碎石樁施工過程實時智能化監控系統，并對匯聚到系統中的實時數據進行實時展示與分析提供了重要參考。

本文結合拉哇水電站上游圍堰地基處理的振沖碎石樁施工過程[10]，基于振沖施工機械上安裝的不同傳感器，開展了超深振沖碎石樁施工過程實時智能化監控系統的研發與應用研究，為施工過程提供重要的監控平臺，保證了超深振沖碎石樁的施工質量控制。

1 軟件系統架構與功能設計

超深振沖碎石樁施工過程實時智能化監控系統主要是在振沖碎石樁施工工藝分析基礎上，針對振沖碎石樁施工中的成孔、成樁過程，利用接收到的相關數據，進行基于BIM+GIS技術的振沖碎石樁設計情況、施工進度、三維施工狀態、基礎信息、實時監控等信息的展示。通過這些信息的形象化實時分析與展示，為工程建設單位、施工單位以及監理單位施工過程的高效管理與應用提供了重要平臺。

1.1 軟件系統架構

該軟件系統架構從下而上主要分為5部分。

（1）基礎設施層。主要為在振沖碎石樁施工機械上安裝的相關數據采集與傳輸設備、租賃的云服務器與云儲存陣列，以及為整個系統運行提供的重要的基礎設施資源。

（2）數據層。主要將該系統運行所需的基礎數據進行系統歸類管理，其主要的數據類型有3類：①BIM+GIS圖形庫，將通過設計資料形成的振沖碎石樁模型、待加固地層、以及地形數據進行系統管理，為數據的展示提供重要三維模型載體;②原始施工數據庫，主要將實時傳輸到系統中每根樁的施工信息按照樁號等進行標簽化管理，為系統模塊應用提供唯一的數據源;③數據分析庫，將系統應用過程中利用原始施工數據庫加工形成的新數據進行按類系統管理，方便應用模塊快速調用。

（3）服務層。主要包括進行數據分析應用的不同算法集、搜索引擎等。

（4）應用層。主要為通過需求分析得到的、供用戶進行數據分析與應用展示的功能模塊，也是本軟件系統中最重要的數據分析與展示應用。

（5）用戶層。主要針對本軟件系統用戶進行的分權限分層次的用戶層管理。本超深振沖碎石樁施工過程智能化監控軟件系統主要架構示意如圖1所示。

1.2 功能設計

通過對目前工程中常見的攪拌樁、振動沉管碎石樁、擠密砂樁等施工監控系統調研分析，并結合拉哇水電站工程地基處理中精細化管理需求與現狀，進行了超深振沖碎石樁施工過程智能化監控軟件系統中的主要功能設計。功能設計主要內容包括：

（1）工程概覽。通過該模塊能夠對拉哇水電站工程中振沖碎石樁設計總樁數、總延米、填料總方量以及樁深、樁數分布情況進行圖像化展示，并且對不同施工單位的日完成量、完成進度等情況進行圖形化展示，便于工程施工管理者根據實際情況進行工程進度動態優化與調整。

（2）三維視圖。本模塊主要利用BIM+GIS技術，對振沖碎石樁的待加固地層情況、振沖樁幾何特征情況、施工進展情況、不同樁的設計與施工對比情況等進行展示，可為工程施工管理人員提供形象化的設計、施工狀況展示。

（3）施工記錄與實時監控。施工記錄主要將振沖碎石樁施工過程信息按照1條/s的頻率進行標簽化的系統管理，為數據的分析處理提供唯一的數據源;實時監控主要對正在施工的振沖碎石樁進行施工過程中深度、電流以及填料量的實時展示，并且通過數據的動態驅動，在界面中進行施工過程曲線、實時樁形以及施工現狀的動畫展示，當施工過程中的控制參數不滿足設計所需的技術要求時，將觸發警報，提示工程施工管理人員采取相關措施保證施工過程嚴格按照施工控制指標進行。

（4）曲線分析。該模塊為施工結束后的振沖碎石樁生成標準的時間-深度曲線、時間-電流曲線、時間-填料量曲線，并自動生成施工完成后振沖碎石樁的可能樁形。這些曲線可為施工質量評價提供重要參考。

（5）質量分析。該模塊能夠在振沖碎石樁施工結束后，通過對施工曲線進行精細化分析，提取振沖樁成樁過程中每一個波峰波谷的時間參數，對成樁過程中的加密電流、留振時間進行分析計算，并在此基礎上評價振沖碎石樁的施工質量。

（6）施工報表。該模塊中主要進行施工結束后的振沖碎石樁施工記錄以及單樁施工質量驗收評定表的自動化生成，這些自動化生成的報表可作為施工質量評價的重要參考資料進行存檔。

2 軟件系統開發關鍵技術

在本軟件系統開發過程中，充分參考了以往類似軟件系統，并且針對拉哇水電站覆蓋層振沖碎石樁加固深度超過常規深度的主要挑戰，通過利用近幾年應用較廣的BIM+GIS、大數據挖掘等技術，進行了軟件系統功能模塊的開發。在軟件系統開發過程中，應用了BIM+GIS、數據實時分析展示、數據挖掘分析3個主要關鍵技術。

2.1 BIM+GIS技術

本軟件系統開發過程中，主要利用BIM技術進行振沖碎石樁的設計三維立體化展示，并且對每根樁的坐標、樁深、所穿過的地層都進行單獨的圖層分塊管理。同時利用開源的GIS資源，建立施工區域的地形模型，通過振沖樁設計模型、待加固地層地質模型的耦合嵌套，形成了模擬真實振沖施工碎石樁施工區域的施工管理底圖。建立的BIM+GIS底圖能在Web端進行輕量化展示。

在拉哇水電站超深振沖碎石樁施工過程實時智能化監控軟件系統開發過程中：①提出了基于構件合并和邊疊法綜合的輕量化方法，實現在不影響應用效果的前提下，去除冗余重復信息，保留必要的模型屬性及幾何圖形信息，達到模型輕量化的應用需求;②利用基于模型動態加載方法和WebGL、ActiveX與云技術融合的三維模型展示以及交互引擎技術，實現樁設計信息與地質體模型基于Web訪問的模型動態加載和高效交互渲染;③基于搭建的振沖碎石樁施工過程智能化監控軟件平臺，利用主流建模軟件輕量化插件，研發了基于Web端應用的WebGL和ActiveX圖形平臺，實現模型交互、渲染和展示等圖像化多應用模式，如圖2～3所示。

2.2 數據實時分析展示技術

通過匯聚到軟件系統中的超深振沖碎石樁施工過程實時信息，對其進行實時流程化分析與計算，實現動態數據驅動的施工過程圖形化展示，并實現施工過程的云端遠程實時監控。振沖碎石樁施工過程的動態展示界面如圖4所示，能夠實時展示振沖施工中的過程參數。

數據實時分析和展示時，安裝在施工機械設備上的深度傳感器、電流傳感器以及填料稱量傳感器可能由于漂移、機械抖動等原因產生較大偶然誤差，因而在數據實時分析展示過程中，要通過過濾處理將這些偶然誤差去除，得到真實反映實時施工狀態的信息、圖形化的實時展示。偶然誤差過濾是實時數據分析展示的重要基礎工作。在偶然誤差過濾中，使用的偶然誤差判斷標準充分考慮了振沖碎石樁施工工藝特點，對其造孔過程中的進尺速率、成樁過程中的上拔速率、電流突變等因素進行了挖掘與分析，通過實時數據與前幾組數據的對比分析，判斷其是否包含較大偶然誤差，再利用該數據進行圖形的動態驅動。

2.3 數據挖掘分析技術

隨著施工過程的不斷發展，匯聚到實時監控軟件系統中的施工過程數據不斷增加。由于施工過程數據采集頻率為1條/s數據，照此頻率計算，一根深40 m的振沖碎石樁施工完成時將會產生約8 000條數據;拉哇水電站上游圍堰二期地基處理設計的振沖碎石樁超過2 600根，一共將產生超過1 500萬條數據。這些重要的施工數據中不僅反映了機械施工過程中的實時信息，也包含了施工機械在不同地質條件下的響應。因此，利用數據挖掘分析技術，能夠進行施工過程中的施工曲線精細化分析，得到成孔及成樁過程中的關鍵施工信息，并且與設計所需的技術要求進行對比，進行施工質量評價;此外，還可通過對施工過程中數據的清理與過濾，挖掘不同地質條件下施工機械在施工過程中的響應規律，開展利用施工實時數據判斷地層類型的研究分析。

通過施工過程數據挖掘分析自動判別的振沖碎石樁施工全過程階段劃分與成孔成樁過程中振沖器下沉及提升時的深度與速率關系如圖5～6所示。由圖5中深度和電流分別隨施工時間變化的曲線可以看出，整個振沖施工過程可以大致分為5個階段：①A點之前是振沖器下護筒階段;②AB段為成孔階段;③CD段為振沖成樁階段;④DE段為振沖器穿過上層砂礫石層或者到達護筒階段;⑤E點以后即振沖施工結束，振沖器拔出護筒。這5個階段的劃分為施工數據的進一步過濾與深入挖掘提供了重要基礎。

3 工程應用

拉哇水電站位于金沙江上游，左岸為四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉。拉哇水電站壩址區分布有湖相沉積深厚覆蓋層，深度達70 m。根據河床鉆孔揭露，中壩址河床覆蓋層物質成分復雜，由金沙江河流沖積物、堰塞湖相靜水沉積物、崩（滑）堆積物組成，物質成分為砂卵石、礫石、漂石、中細砂、粉細砂、黏土質砂、砂質低液限黏土、低液限黏土、細粒土砂、塊石及碎石土，由上至下可分為5層。

在拉哇水電站上游圍堰地基處理的二期振沖碎石樁施工過程中，利用開挖完成的超深振沖碎石樁施工過程智能化監控軟件系統進行了施工過程的遠程云端管理，該圍堰地基處理振沖碎石樁設計情況如圖7所示。

2020年12月5日至2021年3月20日，在整個二期施工過程中，共采集到2 622根振沖碎石樁施工信息，總延米為77 311 m，碎石樁料總填筑11.06萬m3。其中樁深超過50 m的振沖碎石樁共373根，樁深在40～50 m之間的樁有868根，樁深在30～40 m之間的樁有709根，樁深在20～30 m之間的樁有389根，樁深小于20 m的淺樁有283根?？偵疃瘸^70 m的樁有3根，其中最深的振沖碎石樁樁深為71.69 m，打破了國內外振沖碎石樁最深記錄。二期振沖碎石樁施工總結如圖8所示。在監測系統實際應用中，不同施工單位每天的工作進度以及整體工程施工進度與形象面貌都會在工程看板模塊中直接展示，這為工程管理人員具體了解工程施工進度并進行下一階段工程施工優化與調度提供了重要的支撐。

在實際施工管理過程中，振沖碎石樁施工過程智能化監控系統能夠針對施工結束的振沖碎石樁進行施工過程曲線分析，如圖9所示;并且通過對曲線的深入分析，得到振沖施工過程的加密電流、留振時間的過程曲線，如圖10所示，為施工過程實時質量控制與評價提供重要支撐。

施工結束后，可以按照拉哇水電站中振沖碎石樁施工記錄表以及施工質量驗評表式樣自動生成各振沖樁樁號的相關報表（相關示例如圖11所示），為施工驗收與質量評定提供重要的支撐。

4 結 語

針對拉哇水電站壩址區存在的超深分層多且地質條件復雜的軟弱覆蓋層和需采用振沖碎石樁進行地基加固的工程條件，開發了振沖碎石樁施工過程智能化監控軟件系統，為國內外振沖碎石樁處理世界級的深地基工程施工過程管理與質量控制提供了可靠的手段。

后續將結合實際工程中為振沖碎石樁施工質量檢測所進行的重型動力觸探、滲透試驗以及振沖樁開挖試驗，開展施工過程信息與實際工程檢測信息之間的相關分析，探討超過20 m的振沖碎石樁施工質量檢測的新技術與新方法，并進一步對系統功能模塊進行總結完善，以供類似工程施工過程管理與質量控制借鑒。

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（編輯：高小雲）

Research on development and application of intelligent monitoring system for construction of ultra-deep vibro-replacement stone column

LIU Qiang 1， ZHAO Yufei 2， YANG Fan 2， LUO Wenjun 1， DU Xiaofan 1

（1. Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd， Chengdu 610041， China;? ?2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

Abstract：Vibro-replacement stone column is the most common means to deal with soft soil foundations. Most of the foundation treatments which applies vibro-replacement stone columns are concealed projects， so the quality control in the construction process is much more important than that after the construction. In the upper and middle cofferdam foundation of Lawa Hydropower Station， the vibro-replacement stone columns were applied to reinforce the weak overburden. With this case， the real-time monitoring system of the ultra-deep vibro-replacement stone column is established through the applications of BIM technology， GIS technology， refined data analysis technology， etc. During the construction process， the system collected real-time data such as the depth， the current， and the filling amount. According to these data， the construction process can be displayed graphically， and the automatic analysis and evaluation of construction quality can be carried out in real time. This system realized the real-time monitoring of the ultra-deep vibro-replacement stone column in the construction process， ensured the construction quality and provided an essential guarantee for the stability of the cofferdam.

Key words：vibro-replacement stone column; real-time monitoring; BIM+GIS; data analysis; Lawa Hydropower Station