公路工程水泥攪拌樁施工質量控制研究與應用

吳智豪、何春鋒、金林潔、楊在鍫、楊煥

（1.浙江交投高速公路建設管理有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江公路水運工程監理有限公司，浙江 杭州 311200；3.浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

當今世界科技的進步推動了交通行業發生重大變革。數字化、智慧化、低碳化成為行業發展的核心，其中，以大數據、物聯網、人工智能、5G 網絡等為代表的新興技術加快交通行業自我革新，推進智慧、綠色、共享交通的多元化發展。為了貫徹落實交通強國戰略與共同富裕精神，以數字交通為突破口，加快行業轉型升級，提升建設管理水平，確保交通建設質量，已經成為行業研究與發展的熱點。水泥攪拌樁是軟土路基處理的一種有效形式，在公路工程、港口、鐵路等領域廣泛應用[1]。作為公路工程建設中的重要組成部分，利用數字化技術保障水泥攪拌樁的施工質量，嚴格把控施工環節施工規范與質量，是當前公路工程建設的機遇與挑戰。此次研究利用物聯網技術設計一套水泥攪拌樁智控系統，并在余姚至溫嶺公路工程建設應用，結果表明，該系統可以有效監管水泥攪拌樁施工過程，切實提高軟基處理施工質量。

1 公路工程中水泥攪拌樁技術分析

1.1 施工流程

在公路工程建設中，軟土路基存在著承載力較低和物理力學性質相對較差等缺點。為了提升軟土的整體承載力，一種有效的方法是將水泥作為固化劑注入土體中，通過特制的機械設備在地基深處將軟土和水泥充分攪拌。在水泥與軟土之間發生一系列物理化學反應后，軟土硬結并提高了強度，形成具有整體性和水穩定性的結構，通常被稱為水泥攪拌樁[2]。一般情況下，水泥攪拌樁的施工流程可分為施工前準備和施工工藝兩部分。施工前準備階段包括場地平整、施工準備和樁位放樣等工作。而施工工藝階段主要包括水泥漿液拌制、鉆進、攪拌和噴漿等步驟。在施工過程中，為了確保每根樁的質量，需要及時跟進每個樁位的成樁情況，并采取相應的處理措施來應對不合格的樁，避免返工現象的發生，保證整個工程的施工質量[3]。

1.2 水泥攪拌樁施工質量控制難點及解決方案

水泥攪拌樁施工質量控制主要包括以下幾個方面：

第一，施工前準備。在水泥攪拌樁開鉆之前，應保持整個管道清潔并確保管道通暢無堵塞，在清洗后將水排出后方可下鉆[4]。同時為確定施工工藝參數并試樁驗證，施工前應在室內進行試驗，為水泥攪拌樁設計提供準確的數據參數，包括最佳水灰比、水泥摻量及外加劑摻量。

第二，施工中工藝。在施工時為保障每根水泥攪拌成型后的質量，需要控制拌制時水泥用量和水泥漿的適量拌制，避免壓漿過程中出現斷漿現象，并控制噴漿攪拌的時間以及復攪次數。施工過程需保證樁體每米摻和量以及水泥漿用量達到設計要求，同時隨時抽查檢驗水泥漿水灰比，確保其達到設計要求[5]。每根樁開鉆后應連續作業，不得中斷噴漿。嚴禁在尚未噴漿的情況下進行鉆桿提升作業。施工中若發現噴漿量不足，應按監理工程師要求整樁復攪，復噴的噴漿量不小于設計用量。

針對上述質量控制難點，以往的水泥攪拌樁施工現場往往采用加強人員管理、現場記錄留痕的方式把控施工質量。這些做法雖然一定程度上提高了施工質量，但會造成部分人力資源浪費，也無法避免存在水泥用量難以保證，水泥摻量的分布均勻性難以準確監控的問題。經過物聯網改造的水泥攪拌樁智控系統可以實時采集關鍵數據并上傳至平臺，對施工現場存在的問題及時預警并提供輔助決策。

2 公路工程水泥攪拌樁智控系統

2.1 系統架構

此次研究設計的水泥攪拌樁施工智控系統主要由施工數據采集系統和施工質量遠程管理系統構成，如圖1 所示。

施工數據采集系統中，監控儀主機用于實現水泥攪拌樁傳感器信號采集與運算，深度傳感器用于實現水泥攪拌樁深度和速度的測量，傾角傳感器用于實現水泥攪拌樁鉆桿垂直度測量，流量傳感器用于實現攪拌樁漿流量測量，壓力傳感器用于實現水泥攪拌樁漿管壓力測量，密度傳感器用于實現水泥攪拌樁漿液密度測量，電流互感器用于實現水泥攪拌樁鉆桿電流測量，衛星定位系統用于實現水泥攪拌樁樁機定位。施工質量遠程管理系統主要用于數據存儲和分析。

2.2 數字化質量評定功能

為了實現對施工質量的全面把控，此次研究設計的智控系統具備數據分析功能，能夠顯示各水泥攪拌樁的施工單位、樁機編號、樁號、施工工藝要求、設計要求，通過監控管理軟件的記錄，可生成水泥攪拌樁的時間-流量曲線，速度曲線，樁的時間-深度位置曲線，樁的時間-外、內鉆桿電流曲線，樁的深度-漿量分布曲線，成樁灰量分布圖等。針對每根水泥攪拌樁進行分析后，系統會根據成樁工藝參數指標自動對成樁質量進行評分，具體評分標準設計如表1 所示。

表1 成樁質量評分標準

2.3 預警處置功能

此次研究設計的智控系統能夠實時顯示水泥攪拌樁施工智控設備狀態（在線中、運行中、離線中），若出現無法連接到網絡或網絡延遲過長的情況，導致無法實時傳輸施工數據，系統會發出網絡通信異常提醒。在水泥攪拌樁實時作業過程中，系統會對鉆桿速度、漿液密度、每延米摻量等參數進行實時預警提示。報警觸發條件與處置方式可根據實際需要進行設置，如表2 所示。

表2 報警觸發條件設置

如果發生數據異常，智控系統會根據數據的重要程度進行分級，并設置自動處理方式。在設備頁面上會顯示預警參數內容，并通過聲光提示方式告知作業人員進行施工調整和修正。一旦預警事件解決，系統將記錄預警部位、具體時間、處理方案以及負責處理的人員。同時，將該預警的處理狀態標記為已閉合。具體信息可參考表3。

表3 預警級別及處置方式表

3 公路工程水泥攪拌樁施工應用案例

余姚至溫嶺公路（S204）黃巖院橋支線PPP 項目作為依托工程，旨在全面優化完善水泥攪拌樁監控系統。該項目水泥攪拌樁設計量約77 萬延米，并采用全覆蓋的方式（涉及20 多臺水泥攪拌樁施工設備），通過安裝信息化數據監控系統，實現對水泥攪拌樁施工全過程的監控。截至2022 年12 月26 日，已完成約77萬延米的水泥攪拌樁施工，監控效果理想。該項目采用水泥攪拌樁施工智控系統，實現水泥攪拌樁的信息化施工。圖2 為該項目智控系統數據管理系統，做到實時掌握真實施工數據，科學評定樁身質量，精細化管控施工全過程，全面改善了水泥攪拌樁的施工質量，提升了管理水平，取得較好的經濟和社會效益。

圖2 智控系統數據管理系統

通過數據采集系統進行現場監測數據的實時上傳，見圖2。施工管理人員可以通過PC 端查看現場施工情況，并將監測結果進行實時記錄，生成記錄表格與曲線圖見圖3。

圖3 施工過程記錄曲線圖

4 結論

水泥攪拌樁作為軟土路基處理施工的重要組成部分，實現數字化、智能化勢在必行。水泥攪拌樁智控系統融合物聯網、互聯網等技術，可以全面掌控施工過程中的工藝參數與成樁質量。從實際應用案例來看，此次研究取得了如下成果：

第一，全面改善水泥攪拌樁的施工質量，進而全面提高了工程質量。

第二，施工過程數字化、智慧化轉型，提升了智慧管理能力。

第三，助力行業轉型升級，取得了較好的經濟和社會效益。