CFG 樁復合地基施工信息化技術方案研究及應用

劉石

（吉林建筑大學，吉林長春 130118）

0 引言

水泥粉煤灰混凝土樁是加固軟土地基技術的代表，其簡稱為CFG 樁，是以粉煤灰為主，結合適量的水泥作為膠結材料，經由拌合機械將碎石、石屑、砂等骨料拌合形成的高粘結強度樁，通過褥墊層與基礎相連接，協同樁間土構成復合地基。摻入外加劑后，粉煤灰用量占比為膠結材料總重量的80%時，28d 無側限抗壓強度可達到1.5MPa 以上，形成的復合地基承載力可提高至原地基承載力的3 倍以上，加固后的地基沉降量顯著降低，能滿足一般建筑工程、交通工程地基的承載力要求[1]。

智慧工地的構建范圍，現在已覆蓋到對進場的大型工程機械及其施工過程進行數字化施工技術應用，其中之一為基于北斗的高精度定位功能結合施工機械數字化自動控制的技術應用。即利用北斗實時動態RTK 高精度定位搭建底層地理信息，與施工過程中各類傳感器采集的數據進行耦合，通過施工智能信息分析管理系統實現數據轉換，生成參數指令來指導機械進行操作并自動生成電子化記錄和分析報告，達到降低人為操作誤差、減少人工、提高精度、提升質量、優化管理目標的技術。

樁類工程的施工工藝特點，與數字信息化技術具有良好的匹配度和結合性，因此，采用CFG 樁方法對軟土地基進行處理時，結合智能信息技術以優化施工操作和執行過程管理，則可以實現隱蔽工程透明化，過程可控化，擴展數字化施工創新在基礎工程領域的應用深度。

1 工程概況

中移數字園區業務綜合樓位于淮安市洪澤區西順河鎮，該項目所在區域上部地層由第四系濱海相的地層組成，存在一層海積沖積成因的厚度為1.5～2.5m 的粉質黏土，下為1.0～15.5m 的淤泥質軟土。本工程為丙類建筑，重要性等級、場地等級和地基等級均為二級，巖土工程勘察等級為乙級，地基基礎設計等級為乙級。

1.1 軟土參數的分析

在場地鉆探、原位測試、室內試驗等勘察工作的基礎上，測得軟土的含水量在10%～37%。抗剪強度13MPa～35MPa，固結系數5.5×10-4～28×10-4cm2/s，天然快剪內聚力3.5kPa～9.8kPa，快剪摩擦角4°～10.7°。地基承載力：當觸探儀測到30cm 時，地基承載力為8kPa～120kPa；當觸探儀測到60cm 時，地基承載力為60kPa～120kPa，靈敏度3～11，壓縮系數0.8MPa～1.9MPa。

1.2 軟土地基處理目標

（1）提高土體抗剪強度，確保地基整體穩定。

（2）降低土體壓縮性，控制沉降變形在設計允許范圍內。

（3）降低土體滲透系數，防止地基滲漏。

（4）改善土體的動力性能，避免振動液化而失穩[2]。

1.3 軟土地基處理方案

本項目采用CFG 樁復合地基+筏板基礎。CFG 樁復合地基滿堂布置。

軟土地基處理工程采用振動沉管灌注樁法施工，CFG 樁基間距為1.5m，樁徑為40～60cm。有效樁長度為13～14.5m，樁端持力層為圓礫，樁頂超灌0.5m，總樁長19570m。樁身混凝土強度等級為C20。

筏板基礎位于粉質黏土層，該部位地基承載力特征值為225kPa，CFG 樁加固后的復合地基承載力特征值為530kPa，單根樁豎向承載力特征值為1050kPa～1300kPa。

碎石褥墊層厚度為30cm，各邊應超出筏板基礎250mm 以上。砂石級配1:1，碎石粒徑5～16mm，最大粒徑≤30mm。

2 施工智能信息化方案需解決的問題

（1）勞動效率不高。樁的定位點放樣工作至少需要兩名工人，在對樁進行平面位置校正工序時，還需要一名工人協同作業。此外，施工現場環境相對開放，基礎工程階段工況復雜，樁點可能被土覆蓋或地面發生變形，這就需要反復核對圖紙和現場點位是否一致，進而增加放樣返工的概率，直接影響工期進度。

（2）過程監測不到位。由于鉆孔和成樁都是隱蔽工程，鉆進電流值和終在鉆進指標，樁孔深度、混凝土灌注的充盈系數等施工參數基本由鉆桿上的進尺標志等測定；操作過程往往由作業人員的施工經驗進行控制，各個CFG 樁的工藝標準和進程管控也難以做到一致，容易埋下安全和質量隱患。

（3）監測指標分析傳達不及時。本項目存在地質不良和在施工荷載下地基變形較大的不利因素，會導致樁機就位后發生滑移走位，進而樁機對位不準確，然后出現樁偏距超標以及垂直度超限等問題，通過持續對樁機狀態、成樁參數的監測可避免質量問題的發生。因此將施工過程參數的監測結果迅速進行分析并且及時傳達調整指令給操作人員，可提高施工效率和成品質量。但是傳統作業中，在這些環節采用人工觀測記錄并核算反饋的方式，明顯落后于目前信息化管理的需求。

（4）監測方式精度低。首先施工時，樁身垂直度需保證不大于樁身長度的1%。傳統施工中，該項指標僅通過懸掛在機頂導向架側面的垂球，比對在導向架上標出的對照線來進行垂直方向檢查，此觀測法無法滿足高精度質量控制要求。其次在操作提鉆拔桿時，拔管速率對成樁質量影響極大，拔管速率過快可能導致樁徑偏小、樁身夾泥或縮頸斷樁。本工程地基土層中有一定厚度的淤泥質土，拔管線性速度控制在2m/min 左右。提拔速率過慢則振管時樁端一定范圍的樁體水泥含量較少，樁身強度不足。拔管速率自動化和精準化控制能力亟待加強。

（5）質量結果數據不全面。施工時，由于測量粗放，人工操作為主，缺乏數字化設施等原因，成樁信息如樁深、下鉆速度、鉆機電流、灌漿量、左右傾、前后傾等數據記錄不全面，對工程質量控制和管理不利。

（6）施工數據報告滯后。人工記錄施工數據時，錄入周期長，可能發生筆誤或遺漏，匯總及上交的效率往往較低，而且各層級交互傳遞時，數據可能被錯誤導入和丟失，延誤施工信息的核對校準。

3 施工智能信息化技術方案

為實現對樁基施工（CFG）實施信息化管控與輔助施工，達到業主、監理、承建方協同高效作業、確保施工過程的智能施工狀態，該項目需對施工工藝和流程進行信息化數字化構建，具體方案如表1 所示。

表1 智能信息化構建項目

4 施工智能信息化技術作業實施

施工作業主要分為6 個步驟。

（1）樁機信息化改造。采用北斗系統終端主板，一機雙天線，帶有4G 和物聯網數傳模塊，可以自動組網連接，帶有藍牙5.0 模塊，移動終端可以與工作站直接溝通，連網時數據即刻補充上傳。天線分別安裝在樁機動力頭和樁機機身上，動力頭上的天線用于定位，機身上的天線用于定向，實時監控CFG 樁的位置和深度。樁機的桅桿上安裝高精度傾角傳感器和方位角傳感器，糾正樁機平臺不平時帶來的誤差，單獨測繪或放點時，±30°傾斜范圍內自動調垂直[3]。

（2）數據初始化。導入樁位信息，將施工作業面劃分情況、樁基樁號、平面和高程坐標、樁長、樁徑等設計數據整理統計并錄入系統。

（3）系統安裝調試。在項目場地作業點安裝基準站，為系統提供厘米級定位服務；進行終端安裝，在樁機控制室旁安裝工作站，在電機主線安裝電流傳感器，實時監測和采集鉆機電流值。在混凝土泵送設備口安裝混凝土灌入量傳感器；在樁機控制室安裝車載終端平板，用于圖形化施工操作交互、接收偏差報警信息及糾偏數據、發送施工監測數據到管理中心的服務器；在施工管理信息平臺同步展示進程信息和施工監控畫面；安裝客戶端，當系統對上傳的施工數據智能分析后，將分析結果傳遞到管理模塊下，工程管理人員通過客戶端軟件實現施工遠程管理[4]。

（4）樁機就位鉆孔。技術人員檢查定位系統連接情況，樁機根據錄入完成的樁位信息，通過北斗定位數據引導，進行就位操作。對樁后根據設計樁長確定機架高度，利用傳感器數據調整并控制鉆桿垂直度，開始鉆孔作業；作業過程中保持持續觀測終端平板的“水平偏差值”“垂直度偏差值”“鉆進深度值”“提鉆速率”“持力層電流值”等關鍵數據，根據數據輔助實現精準施工，提高成樁合格率。如果數據分析結果為異常（深度未達標、提鉆超速、混凝土超灌），將觸發預警提醒作業人員及時調整糾偏，保證樁點的各項指標達到設計要求。

（5）灌注混凝土并拔管。鉆孔至符合設計樁深時，確認施工記錄及電流參數滿足要求后，開始泵送混凝土，然后反向提桿，用采集傳感器計算混凝土方量，保證管口在混凝土澆筑面以下，從而控制拔管速度。圖形化實時顯示并記錄樁點偏差（±3cm）、成樁深度（±5cm）、沉樁電流、持力層電流、樁塔傾斜度、混凝土灌入量、充盈系數、提鉆速度等。

（6）形成后臺數據。已確認完成的樁的施工過程數據將自動上傳到平臺數據庫，不能中途修改，既保證了數據的真實性，又實現了數據監管的時效性和同步性。數據庫生成成樁質量報告、進度報告、CFG 樁機工況報告、報警統計等資料，施工單位、監理、建設單位可通過登錄監控中心平臺及時跟蹤施工過程和完成情況。非現場人員可通過手機端或者網頁端查看歷史數據[5]。

5 施工信息化成果

該項目由于基坑工程階段的計劃工期較短，需要在夜間、陰雨天、場地不良等因素下提升施工效率，實現24h 不間斷作業。在進行軟土地基處理的智能信息化施工后，相比于常規施工方法和正常時間作業下，施工時間減少了50%，且工人勞動強度顯著下降，勞動條件得到較大改善。

在智能施工信息化系統的賦能下，該復合地基工程實現了高精度作業，通過3cm 的精準放樣，工程質量顯著提高。通過減少人工放樣、輔助引導，工程生產效率提高了40%。在成本投入、數據統計處理、人材機投入等方面平均減少30%。

6 結語

CFG 樁智能施工信息化技術利用北斗高精度定位技術、圖形信息技術，通過安裝在樁機上的傾角和定向傳感器數據反饋，直接導入設計樁位，解算校核過的基準定位軸線尺寸，得到樁頭和鉆桿實時、精確的定位信息，用圖形導航和人機互動來高效引導施工人員快速準確定位樁點位置，完全免除了人工前期放樣與劃線的冗雜低效工序，消除人為誤差干擾，實現厘米級打樁定位，使樁基作業效率大幅提高。

該系統通過基于三維地形的施工場景構建數字模型，實現了24h 全天候，全工藝流程的實時監控，技術人員可以在各類終端設備中精準監控施工樁位分布，精準開鉆。同時，樁機作業狀況及施工數據信息通過無線網絡可實時回傳至系統后臺，實現了同步遠程查看機械位置、狀況、施工成果及施工質量等過程信息，將工程作業的控制和管理從傳統依靠人為的經驗變為執行精確的數字化信息化指令，能有效避免以往因為樁長不足、地層鉆進電流不夠而造成的返工，縮減人力成本和管理成本，降低勞動強度，而且降低了斷樁、偏樁的概率，提高了樁機施工效率；施工過程中無須旁站輔工人員，降低了發生事故的風險，減輕了施工管理壓力；能夠自動進行項目施工信息統計，自動生成施工記錄表、成果圖等圖表信息，數據可共享，還可進一步為主體結構BIM 模型和項目運維提供了安全可靠的基礎空間數據的支撐。