碎石樁施工數字化技術在天府機場軟基處理的應用

許東 席倩

【摘要】數字信息技術的加速創新和深度應用，成為了經濟社會轉型升級的巨大內生產力，互聯網時代的大數據、物聯網等技術為民航業發展提供巨大潛力。目前，信息化手段在民航服務領域得到廣泛應用，但在民航工程建設管理方面，信息化程度仍有很大差距。文章以成都天府國際機場地基處理及土石方工程09標段為依托，介紹機場軟基處理振動沉管碎石樁施工技術與數字化施工技術相結合，確保軟基處理工程質量、提高施工工效、降低工程成本。

【關鍵詞】碎石樁施工;數字化技術;軟基處理

【中圖分類號】 TU472.3＋5????????? 【文獻標志碼】 B

近些年來，振動沉管碎石樁廣泛應用于公路、市政等工程，并取得了良好的效果，被視為經濟、快捷的軟基處理方法，但在機場建設中運用振動沉管碎石樁并結合數字化施工監控技術進行軟基處理還未廣泛應用，施工經驗也不成熟。本文以成都天府國際機場地基處理及土石方工程09標段為例，利用專門針對振動沉管碎石樁施工工藝研發的數字化施工技術監控碎石樁施工，加快施工進度，節約工程成本，又有效地控制了施工質量，同時節約了大量的施工數據原始記錄入員。

1工程概況

成都天府國際機場位于成都簡陽市蘆葭鎮附近，距成都市中心51 km，一期工程共分為11個標段。場區內廣泛分布著淤泥、淤泥質黏土、軟塑黏土及可塑黏土等軟弱土，其含水量高、強度低、壓縮性高。為解決地基的沉降問題，控制工后沉降和工后差異沉降，改善地基均勻性，提高地基土強度和承載力，地基處理采用了換填、強夯、強夯置換、CFG樁、塑料排水板和碎石樁等地基處理工藝，其中09標段碎石樁23.7萬 m。

2碎石樁工藝原理

碎石樁根據地基的不同土類，其工藝原理也不盡相同。碎石樁在可塑狀黏性土、雜填土、素填土、松散砂土、粉土等地基中的作用包括擠密作用、振密作用、置換作用、抗液化作用、排水降壓作用。通過擠密、振密、置換和排水降壓達到加固地基的效果從而形成復合地基，最終達到機場軟基處理加固的目的，避免不均勻沉降等因素對地基上部機場結構物及構造物造成破壞。數字化施工技術作用通過前端設備數據收集、后臺設備數據處理，可快速查找施工質量不弱點，達到提質增效的目的。

2.1擠密作用

通過試驗得出，碎石樁在松散粉土、密度不大的可塑狀黏土地基中的擠密作用效果較好，而在飽和軟塑狀黏土、密度大的黏土、砂土地基中擠密作用效果較差。碎石樁在施工過程中，振動對其周圍都產生很大的橫向擠壓力，樁管將地基中等于樁管體積的土擠向樁管周圍的土層，使其孔隙比間隙，密實度增大。此為碎石樁法的擠密作用。

2.2振密作用

在施工時，樁管振動能量以波的形式在地基土中傳播，引起地基土振動，樁管四周的土體受到擠壓，引起樁管四周土體的振動，由于土體結構的破壞，使土顆粒重新排列，向較低勢能位置移動，從而使土由較松散狀態變為密實狀態。此為碎石樁法的振密作用。

2.3置換作用

對黏性土地基，對于非飽和黏性土能產生一定的擠密作用，而對于飽和黏性土其主要作用是置換而不是擠密。由于土的密度大、黏性強、滲透性低，壓縮性大、強度低、透水性弱，黏性土顆粒間存在大量細微孔隙，土粒間聯結不穩定，其作用是將樁管位置的工程性能較差的土排擠至四周，碎石樁樁樁體的碎石置換了體積相同的軟弱土。從而提高了地基的整體穩定性和抗破壞能力。

2.4抗液化作用

在施工時，在擠壓和振動作用下，土中的孔隙水壓力升高，從而使土的抗剪強度降低，土體就發生液化溜達破壞，液化后的土顆粒在上覆土壓力、重力和填料擠壓力作用下，土顆粒重新排列、組合，形成更加密實的狀態，從而提高了樁間土的抗剪強度和抗液化性能。

2.5排水降壓作用

在施工時，樁管四周的土體因擠密和振密作用受到擠壓，在擠壓和振動作用下，土的結構逐漸破壞，孔隙水壓力逐漸增大，隨著孔隙水壓力進一步增大，達到大于主應力數值時，土體開始液化成流體狀態，若有排水通道，土體中的水沿著排水通道排出。而碎石樁樁體碎石為透水材料，碎石間具有縫隙，所有縫隙串聯正好形成了良好豎向排水降壓通道，土體中的水沿著碎石樁形成的排水通道排出。擠密和振密作用產生超孔隙水壓力可通過碎石樁形成的排水通道加速消散，使孔隙水壓力的增長和消散同時發生，防止超孔隙水壓力增高，降低水壓力上升的幅度，從而提高地基土的抗液化能力，加快地基的排水固結。

2.6加筋墊層作用

對于淺層軟土層，碎石樁可貫穿整個軟土層至硬塑層或巖層，此時樁體在荷載作用下主要起到應力集中作用，使地基承載力提高達到加筋的作用;軟土層較厚時，碎石樁可不穿透軟土層，此時形成的加固復合土層起墊層作用，墊層將荷載擴散，使應力分布趨于均勻，從而達到提高地基承載力和減小沉降量的目的。

2.7數字化監控作用

碎石樁數字化施工技術工藝原理是結合北斗 RTK定位信息、激光傳感技術所開發出的一套高智能化、高精準度和物聯網化的施工質量管理系統，通過前端設備數據收集、北斗定位及數據傳輸、后臺設備數據處理，有效監控施工過程質量，找出施工質量薄弱點。

碎石樁數字化施工監控系統利用前端監控設備系統（主要包括北斗導航天線、北斗CNss接收機、測距傳感器、稱重傳感器）通過北斗導航系統定位產生施工過程監測數據，然后通過前端通信網絡基站將施工過程數據傳送至后臺進行綜合分析，監控碎石樁打樁位置、打樁深度、沉管時間、拔管時間、成樁時間、拔樁發插次數、持力層電流值等相關施工數據是否符合設計要求。建設單位、監理單位、施工單位等有關各方通過電腦或手持 IPAD查看監控平臺實時顯示的施工區域作業情況，有效監控碎石樁施工全過程施工質量，大大減少了建設各方的管理資源。

3碎石樁施工

3.1施工工藝流程

碎石樁施工順序宜從中間向外圍或隔排施工，施工工藝流程如圖1所示。

3.2施工準備

3.2.1技術準備

（1）圖紙會審。各專業工程技術人員熟悉、審閱圖紙，將看圖過程中發現圖紙中存在的遺漏、相互矛盾、實際施工可能遇到的問題及存在疑問等整理匯總，與監理工程師、設計單位協商解決。

（2）測量成果交接及控制樁加密。由業主組織進行定位樁和坐標點的測量控制樁現場交接后，測量人員依據設計圖紙、業主提供的坐標點和已知水準點，及時進行復核控制樁，引入高程控制網水準點，做好現場控制樁網加密，最后將測量成果記錄資料整理，報監理工程師審查認可簽字，同時實施對樁點的保護。

（3）試驗檢驗及設備調試。開工前，項目部建立起完善的試驗管理體系，制定出適合本工程的材料、工藝的試驗工作計劃，配備試驗設備、儀器、儀表、工具等。

3.2.2現場準備

（1）平整場地。施工前，清除碎石樁施工區域內地下管線、磚混凝土基礎、空洞、墓穴、木樁及地上管線、樹木等障礙物，清除場地內腐殖土、草皮、樹根等地表雜物。標記、處理場地范圍內溝、河、塘、井、窖、墓等。首先疏干溝、河、塘內的積水，然后清除底部淤泥并運至指定地點，最后采用砂礫石、中粗砂、建渣、中風化砂巖或泥質砂巖作為施工墊層材料，施工墊層厚度以穩住地基土、不形成"彈簧土"現象為原則，根據試驗暫按50 cm考慮。應優先選用場區內建渣、中風化砂巖或泥質砂巖作為墊層材料，不能采用大粒徑的建渣、中風化石料或砂礫石，以免對碎石樁施工產生不利影響。

（2）測量放樣。根據業主交接的測量控制樁及加密網，按基礎平面布置圖及樁位平面布置圖測放定出樁位。要求樁位誤差不超過5 cm， 由于場地樁數較多，測量人員每隔40 m精確放出碎石樁的一豎排、一橫排樁中心線;按照正三角形布置樁位，樁間距按照1.8 m布置，碎石樁樁徑小600 mm。正式施工時，樁位采用拉鋼尺定位，用白灰標識，并隨時復核。自檢合格后向監理工程師報檢，經驗收合格后方可施工（圖2、圖3）。

3.2.3人員準備

根據工期及試樁施工數據制定的施工進度計劃，做到人停機不停，機組人員按照雙倍配置。

3.3試樁施工

大面積施工前，應結合地址情況選取代表性位置進行試驗性碎石樁施工，詳細記錄沉管起止時間，沉管深度，拔管起止時間，密實電流，反插次數，碎石貫人量，充盈系數等情況，并開展樁身重型動力觸探檢測、樁間土標準貫人試驗，在樁長穿透軟、可塑層及硬塑夾層，樁體均勻、密實的條件下，優化成樁工藝參數。施工前應進行成樁工藝和成樁擠密試驗，工藝性試樁的數量不應少于6根，成樁質量不滿足設計要求應調整施工參數后重新進行試驗。

3.4施工

3.4.1機具就位

振動沉管機具就位合攏活瓣樁靴，將管樁垂直向下，使樁尖對準樁位。活瓣樁靴宜選用平底型活瓣樁靴見圖4（a），沉管困難時可采用尖錐型活瓣樁靴見圖4（b）。

3.4.2振動沉管成孔

管樁對準樁位后利用重錘及沉管自重徐徐靜壓1～2 m 后，啟動振動錘振動下沉，調整樁機搭架，使沉管與地面基本垂直，校正沉管與進料口位置，振動下沉到地基非軟弱層。垂直偏差控制在1%以內。

3.4.3灌入碎石填料

成孔達到非軟弱層后，采用小型裝載機將碎石料裝入加料口注入樁管內，第一次投料根據大于管長1/3體積計算灌入碎石料數量。拔管應有專人負責碎石灌入量，以防超灌或少灌。填料量估算可按樁孔體積乘以充盈系數確定，充盈系數按1.2～1.4確定。

3.4.4振動拔管反插

應嚴格控制成樁速度，拔管宜在管內灌入碎石料高度大于1/3管長后開始。拔管速度應均勻，不宜過快，宜控制在1 m/min，每提管50 cm留振20 s，每拔管1 m 向下反插深度不小于30 cm至穩定電流，在距離地表2～6 m范圍內，反插深度不小于50 cm。如此反復直至全管拔出，拔管速度均勻。

應做好每根樁的成樁記錄，包括樁序號、樁位坐標、沉管起止時間、沉管深度、拔管起止時間、密實電流、反插次數，碎石灌入量、充盈系數等施工數據。

3.4.5分段加料振實

第一次投料成樁長度的1/3投料數量完成后，進行數次反插直至樁管內碎石全部拔出;停止振動提升樁管第二次開啟投料口，進行第二次投料直至灌滿;繼續邊拔管邊振動，直至拔出地面;提升樁管高于地面，停止振動進行第三次孔口投料直至地表;再次啟動反插，并及時進行孔口補料至該樁碎石樁樁體頂面與地面平齊為止。

3.4.6機具移位至下一根樁基施工

重復以上步驟，按照從中間向外圍或隔排跳打的施工順序逐根樁基進行施工，直到所有碎石樁基全部完成。

4碎石樁數字化施工技術

數字化施工管理信息系統，是運用現代的測繪技術、電子信息技術、網絡傳輸技術、機械設備控制技術、管理科學技術等與傳統的施工技術相結合，創建民航飛行區數字化施工管理信息系統，對飛行區工程項目實施數字化施工信息管理。目前北京新機場率先使用數字化施工技術對施工質量進行監控。但對整個工程進行全面、全過程進行數字化施工技術管理，成都天府國際機場在民航機場建設尚屬首次。通過對施工過程中所有地基處理機械及土石方時間機械全面運用數字化施工技術進行質量監控。

數字化施工質量監控系統分為前端硬件采集設備與后臺監控平臺兩大模塊。碎石樁機數字化施工技術管理系統是根據施工工藝的質量要求，結合北斗 RTK定位信息、激光傳感技術所開發出的一套高智能化、高精準度和物聯網化的施工質量管理系統，系統所能實現的管理指標包括碎石樁機施工的打樁位置、打樁深度、沉管時間、拔管時間、成樁時間、拔樁反插次數、持力層電流值等，將以上原始施工數據導入電腦可形成真實的施工數據資料，可有效控制碎石樁施工質量和記錄碎石樁施工完成工程量。

4.1系統組成

數字化施工質量監控系統分為前端硬件采集設備與后臺監控平臺兩大模塊。碎石樁機數字化施工監控系統由北斗定位模塊、測距模塊、稱重模塊、顯示模塊、電源模塊、主控模塊及通訊模塊七大模塊構成（圖5）。

（1）北斗定位。北斗天線模塊通過2個天線的精準定位可以判斷碎石樁機方位、方向、碎石樁機中心位置以及碎石樁機所在地表高程。

（2）測距模塊。測距模塊主要是測量碎石樁機沉管高度及下沉深度，以及每次沉管反插后沉管內碎石下沉位置。

（3）稱重模塊。稱重模塊其作用主要用于稱重碎石樁機料斗內每次裝入碎石料重量。每次碎石料重量相加后得到單根碎石樁的碎石灌入量。

（4）顯示模塊。顯示模塊安裝在碎石樁機駕駛艙內，為碎石樁機司機實時顯示樁點排布、打樁位置、打樁深度、沉管時間、拔管時間、成樁時間、拔樁反插次數、持力層電流值等實時施工數據。

（5）電源模塊。電源模塊安裝在碎石樁機駕駛室內，連接各傳感器，供電電源并且對電源穩壓變壓后給各個模塊供電。

（6）主控模塊。主控模塊安裝在碎石樁機駕駛室內，其作用是接收傳感器數據并處理，儲存發送到平板顯示，同時把施工數據通過基站4G天線發送到后臺終端系統云服務進行處理。

（7）通訊模塊。通訊模塊由 w1F1無線天線和4G天線組成，安裝在碎石樁機駕駛室內。其作用是實時傳輸施工數據到云服務進行處理。

4.2數字化施工監控系統平臺建設

數字化施工監控系統是結合北斗定位技術、傳感器技術等對工程機械的施工指標進行記錄，用數字化的手段對工程質量進行判斷的施工質量管理系統。系統通過"信息實時采集、數據傳輸，實時監測施工機械在施工過程中的動態，能夠對實時數據進行記錄，并對數據進行分析，發現問題及時報警"，輔助人工判別施工質量，采用信息化手段對機械進行管理。數字化施工監控系統平臺設置主要包括3部分：前端基站架設和物聯網絡布局、前臺監控系統安裝、后臺監控終端建設。

4.2.1前端基站架設

主要包括移動信號傳輸基站架設，要根據施工場地地勢形狀合理布局基站數量，確保所有施工場地信號全覆蓋。通過一定數量基站的信息互通形成物聯網絡布局（圖6）。

4.2.2前臺監控系統安裝

主要包括移動信號基站及場區高地勢區域布置的清晰高倍聚焦攝像頭和復合地基處理施工機械上的監控模塊，監控模塊主要包括北斗定位模塊、數據傳輸模塊、測距模塊、顯示模塊、電源模塊、主控模塊及通訊模塊等（圖7）。

4.2.3后臺監控終端建設

主要包括數據處理分析和后臺監控顯示系統，物聯網絡信息顯示系統（圖8）。

4.3系統工作方法

"項目管理專業化、工程施工標準化、管理手段信息化、日常管理精細化"的現代工程管理理念，其中管理手段信息化最具時代特征。數字化施工監控系統通過在施工設備上安裝監控裝置來獲取施工工藝數據，通過安裝攝像頭來獲取工地場景信息，并通過監控平臺來分析得到的數據信息。由于施工數據信息能夠全天候實時獲取、處理、存儲，施工過程就可回放，施工過程透明;同時通過分析，可準確找到施工區域的工程實體的薄弱點。因此，數字化監控平臺從根本上改變了原來工程管理的信息獲取、傳輸及信息處理的方式，實現了管理手段的信息化（圖9）。

碎石樁機數字化施工監控系統為其提供了多種樁點位置的方式，并將點位顯示在平板電腦上，現場無需測量放點，只需要1名操作人員即可完成。通過北斗定位系統，沉管樁和機身的水平位置、高程及方向可被定位至厘米級，打樁位置、打樁深度、沉管時間、拔管時間、成樁時間、拔樁反插次數、持力層電流值等施工數據被準確自動記錄在系統中，同時精確引導沉管到樁點位置，方便操作手施工。操作人員通過駕駛臺旁的顯示器，可以精確看到自己瞄準的地面坐標，偏差為零。碎石樁完成后，質量監測系統還會自動計算、儲存、傳輸施工質量的相關數據，并通過作業面顏色加以區分，操作人員很容易找到薄弱環節，進行補充沉樁。操作模式可通過平板電腦在白天和夜間之間來回切換，保證了夜間施工的安全性（圖10）。

辦公室內安裝的后臺終端視頻監控系統與施工機械上的監測系統相連，管理人員坐在辦公室里輕點鼠標，就能看到大到施工全場、小到機械駕駛室里的實時監控畫面，還能回看以往的畫面，或根據不同需要進行查詢。施工數據會實時自動傳輸到后臺監控系統，并對采集到的數據信息進行分析與處理，形成施工進度報告、施工質量報告、碎石樁機原始

施工數據記錄報告等，通過監控平臺提供給現場管理人員、承建單位和監理單位，提高監管力度，打破傳統施工方式中監理方抽檢施工結果的形式，檢測結果更可靠。

4.4數字化施工監控系統優缺點

4.4.1優點

數字化后臺終端視頻監控系統與施工機械上的監測系統相連，在辦公室里就能看到施工全場、機械駕駛室里的實時監控畫面，施工過程透明。施工數據信息能夠全天候實時獲取、處理、存儲，回放，并對獲取的數據信息進行分析與處理，形成施工進度報告、施工質量報告、原始施工數據記錄報告等，通過監控平臺提高監管力度，打破傳統施工質量監控方式。監測系統自動記錄下的施工原始數據導入電腦可形成真實的施工數據資料，節省了施工單位的碎石樁機原始數據記錄入員。同時，監測系統自動記錄下的施工原始數據成為監理處理現場施工問題的有效依據，大大減少了因經驗與施工方標準不一致產生的糾紛。

碎石樁機數字化施工技術管理系統是根據施工工藝的質量要求，結合北斗 RTK定位信息、激光傳感技術所開發出的一套高智能化、高精準度和物聯網化的施工質量管理系統，系統所能實現的管理指標包括碎石樁機施工的打樁位置、打樁深度、沉管時間、拔管時間、成樁時間、拔樁反插次數、持力層電流值等，將以上原始施工數據導入電腦可形成真實的施工數據資料，可有效控制碎石樁施工質量和記錄碎石樁施工完成工程量。

總體上來看，安裝數字化設備后，傳統施工方式存在的人力資源消耗大、工程質量保障難、現場問題處理缺乏依據等問題都迎刃而解，所以，數字化施工方式得到承建方、施工方和監理方"設備功能完善、設計人性化，實現質量與效率兼得"的一致評價。

4.4.2缺點

數字化施工技術缺點主要表現在幾方面：

（1）施工區域分布廣、面積大、跨區施工時需要足夠的基站數量，移動物聯網絡基站數量不足，無法實現施工區域全覆蓋，部分施工區域前臺監控設備無法將信號傳輸至后臺終端進行分析。

（2）受信號強弱影響，樁機定位精度容易出現誤差，一個點識別為多個點，碎石樁反插次數或強化夯擊次數可能存在誤差。

（3）車載平板顯示器受信號不穩定影響、將造成數據異常。

（4）受車身抖動等方面影響，車載顯示器黑屏、白屏、卡頓、死機等故障率高，主控模塊無法記錄數據。

5結束語

成都天府國際機場地基處理及土石方工程，成功應用振動沉管碎石樁結合數字化施工技術應用于機場軟土地基處理，通過對碎石樁的沉管起止時間、沉管深度、拔管起止時間、密實電流反插次數、碎石灌入量、充盈系數等施工指標進行準確監控，確保了碎石樁的施工質量。經碎石樁加固處理的地基土的壓縮模量、承載力基本值均顯著增長，有效達到了提高地基承載力、減少地基土沉降量及差異沉降量、加速沉降穩定時間的目的，加固效果及經濟效果顯著。利用數字化施工技術輔助振動沉管碎石樁施工，大大避免了數量繁重的施工原始數據記錄，節約了施工原始記錄入員數量，有效保證了工程質量和真實記錄了碎石樁完成工程量，實現了科學化、精細化施工，關鍵技術創新點突出，實用性強，取得了良好的經濟效益和社會效益。

數字化施工監控系統通過監控平臺分析得到的數據信息，可準確找到施工區域的工程實體的薄弱點，有效保證施工質量，監控系統自動記錄下的施工原始數據成為監理處理現場施工質量問題的有效依據，減少了因經驗與施工方質量標準不一致產生的矛盾;其次，后臺控制系統將原始數據收集整理，導出后可作用施工原始記錄資料，節約了大量施工原始數據記錄入員;第三，將原始施工數據導入電腦可形成真實的施工數據記錄資料，為統計工程量、工程計量及工程結算提供參考。總體上來看，安裝數字化設備后，傳統施工方式存在的人力資源占用大、工程質量保障難、工程數量誤差大等問題都迎刃而解，數字化監控平臺從根本上改變了原來工程管理的信息獲取、傳輸及信息處理的方式，實現了工程施工管理手段的科學化、精細化、信息化。

隨著成都天府國際機場土石方工程的推進，數字化施工監控技術已經在基礎設施建設領域大規模運用，民航、鐵路、公路等涉及基建的領域都將擺脫傳統施工質量監控方式，以信息化、數字化做支撐，真正邁人大數據時代。

參考文獻

[1]劉瑞鋒.復打式沉管碎石樁法加固軟土地基[J].基礎工程，2001（12）：26-27.

[2]黃華偉.振沖法碎石樁軟土地基處理技術[J].山西建筑，2007（7）：136-137.

[3]范英華.淺析公路軟土地基路堤中碎石樁的施工工藝[J].科技信息，2007（13）：115.