擠密砂樁施工遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王千星，趙玉君

(中建港航局集團(tuán)有限公司，上海 200433)

擠密砂樁法[1]是1956年日本開發(fā)的一種快速加固軟基的方法，它利用沖擊或振動(dòng)在軟基中形成密實(shí)的砂樁，用于加固松砂、軟黏土、吹填土、沖積平原、沼澤地、山谷和海底等軟土地基。擠密砂樁是用簡(jiǎn)單的機(jī)械，通過振動(dòng)或沖擊荷載，把砂擠入軟土中，形成較大直徑的砂樁，使地基加固[2]。海上擠密砂樁在我國(guó)已有較為成熟的應(yīng)用，如洋山深水港區(qū)1～4期工程[3-4]及港珠澳大橋工程，其地基加固效果顯著[5-6]。

砂樁的質(zhì)量檢驗(yàn)可采用靜力觸探、動(dòng)力觸探、載荷試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等方法，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)可檢測(cè)淺部砂樁質(zhì)量，受地質(zhì)條件限制，遇到地下水較大時(shí)，很難檢測(cè)砂樁深部質(zhì)量[7-8]。

但上述檢驗(yàn)方法均為事后質(zhì)量控制，無法做到在砂樁施工過程中控制施工質(zhì)量、避免事后返工等問題。尤其是砂樁沉樁階段施工質(zhì)量控制多為人工觀測(cè)，根據(jù)標(biāo)記于沉管上的標(biāo)尺比對(duì)沉管深度，但其精度不足，而且反插作業(yè)難以監(jiān)管。沉樁深度、沉樁速率、反插位置和深度等參數(shù)，受操作人員技術(shù)和素質(zhì)影響，無法精確控制，易導(dǎo)致砂樁樁長(zhǎng)短缺、反插位置和深度不合格。此外，砂樁機(jī)施工須配專職人員在場(chǎng)監(jiān)督檢查。

因此，需要開發(fā)一套砂樁施工質(zhì)量控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)砂樁沉樁過程中沉樁深度、沉樁速率、反插位置和深度等參數(shù)的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的無線傳輸功能，解放現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督人員。

1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

擠密砂樁施工質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)將3大子系統(tǒng)集于一體：行程監(jiān)控系統(tǒng)可記錄砂樁施工動(dòng)態(tài)行程；電流監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄沉樁過程中打樁機(jī)電流變化規(guī)律；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)砂樁施工行程和電流遠(yuǎn)程監(jiān)控。其基本原理見圖1。由圖1可知，通過沉樁行程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄沉樁過程中沉樁深度、留振時(shí)間、反插位置和反插深度等關(guān)鍵參數(shù)，通過樁機(jī)電流監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄樁機(jī)振動(dòng)錘振動(dòng)電流變化規(guī)律，通過設(shè)置電流報(bào)警閾值保證樁機(jī)安全工作和停錘標(biāo)準(zhǔn)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)即可將行程數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)無線傳輸至監(jiān)控室，近似實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人監(jiān)管。

圖1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)路線

基于圖 1自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)開發(fā)了一套系統(tǒng)控制柜(圖2)。

圖2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)控制柜

圖2a)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)控制柜包括行程監(jiān)控、電流監(jiān)控、無線發(fā)送和預(yù)警警報(bào)系統(tǒng)；圖2b)行程自動(dòng)監(jiān)控元件——旋轉(zhuǎn)編碼器通過旋轉(zhuǎn)編碼器與沉樁機(jī)纜繩連接，記錄沉樁管上提和下沉行程；圖2c)用于監(jiān)測(cè)沉樁機(jī)振動(dòng)錘電流的元件——電流互感器，使用時(shí)，將振動(dòng)錘三相電線穿過每一個(gè)電流互感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)錘電流變化情況，并通過設(shè)置上限值進(jìn)行預(yù)警。行程監(jiān)控系統(tǒng)畫面見圖3。

圖3 行程監(jiān)控系統(tǒng)畫面

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

以福建寧德某砂樁工程為例，進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)行程記錄和電流監(jiān)控安裝見圖4。

圖4a)為沉管纜繩行程記錄裝置，通過固定裝置與沉管纜繩接觸，利用旋轉(zhuǎn)編碼器記錄纜繩行程；圖4b)為電流監(jiān)控設(shè)備，將該設(shè)備安裝在沉管振動(dòng)錘三相電線上，用以記錄振動(dòng)錘電流變化。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)行程和電流監(jiān)控安裝

2.1 沉樁行程

砂樁沉樁過程中沉管行程監(jiān)控記錄見圖5。由圖5可見，砂樁沉管自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可有效記錄每根砂樁沉管的全過程，包括成孔深度、反插位置、反插深度以及相應(yīng)的工作時(shí)間。由圖5a)可知，砂樁一次成孔直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度(約7.3 m)，隨后下料上拔并進(jìn)行反插。該樁共進(jìn)行9次反插，每次上拔高度在1～5 m范圍內(nèi)。且在前4次反插時(shí)，由于砂樁密實(shí)度低，反插速率快，在之后的5次反插過程中，由于砂樁密實(shí)度逐漸提升，反插阻力較大，插入速率下降。由圖5b)可見，第2根樁與第1根樁具有類似的規(guī)律。不同的是，第2根樁在一次成孔到設(shè)計(jì)深度后，留振一段時(shí)間(約1 min20 s)之后才開始上拔和反插作業(yè)。該樁成孔深度較第1根樁更深，但其反插次數(shù)較第1根樁少，且總體反插深度小于第1根樁。

圖5 砂樁沉管行程記錄

從2根樁的施工效果可見，砂樁施工過程具有顯著的差異性，包括沉管速率、留振時(shí)間、反插位置、反插深度等，均不一致，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管無法做到精細(xì)化管理，只能大致確定沉樁深度及反插次數(shù)。

通過系統(tǒng)對(duì)2根樁的監(jiān)測(cè)效果可知，該監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)精確記錄砂樁施工過程，下一步計(jì)劃對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)操作人員直觀了解沉樁過程相關(guān)參數(shù)，規(guī)范常規(guī)砂樁施工，嚴(yán)格依據(jù)沉樁工藝進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)，監(jiān)管人員也可通過系統(tǒng)直觀查看每根樁的實(shí)際沉樁參數(shù)，避免出現(xiàn)偷工減料等現(xiàn)象。

2.2 沉樁振動(dòng)錘電流

砂樁沉樁過程中振動(dòng)錘電流變化見圖6。由圖6可知，砂樁施工過程中會(huì)引起沉樁機(jī)振動(dòng)錘電流變化：開始沉樁時(shí)，樁機(jī)啟動(dòng)工作會(huì)引起一個(gè)瞬時(shí)電流激增，隨后穩(wěn)定；沉樁開始后振動(dòng)電流逐步增加，電流增至80 A后開始下降；后期電流總體平穩(wěn)，維持在32A左右，局部發(fā)生電流激增現(xiàn)象，最大增幅近12 A。為了弄清電流激增變化規(guī)律及其與沉樁過程的關(guān)系，對(duì)比分析沉樁行程和電流變化規(guī)律，結(jié)果見圖7。

圖6 2#砂樁沉管振動(dòng)錘單相電流變化

圖7 2#砂樁沉管行程和振動(dòng)錘電流對(duì)比

由圖7可知，振動(dòng)錘電流變化與沉樁行程有顯著的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)沉樁機(jī)進(jìn)入堅(jiān)硬地層或振動(dòng)反插時(shí)會(huì)引起電流激增。原因在于，沉管進(jìn)入堅(jiān)硬地層以及沉管反插導(dǎo)致砂樁更為密實(shí)，對(duì)沉管有一定的抱箍影響，進(jìn)而影響沉樁機(jī)振動(dòng)錘電流變化。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線模塊、監(jiān)控軟件、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)線纜、辦公PC組成。觸摸屏安裝在打樁現(xiàn)場(chǎng)的主控制箱上，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。通過遠(yuǎn)程客戶端可以實(shí)時(shí)顯示打樁深度和打樁電機(jī)電流大小，亦可根據(jù)需要打印出不同時(shí)段的圖形和數(shù)據(jù)。同時(shí)，歷史數(shù)據(jù)也會(huì)存儲(chǔ)在客戶端和觸摸屏存儲(chǔ)器中以方便導(dǎo)出。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫面可實(shí)時(shí)顯示沉管行程、A/B/C三相電流數(shù)值，并具有查看報(bào)警記錄、歷史數(shù)據(jù)等功能(圖8)。遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面中監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)的曲線和列表顯示見圖9。

圖8 實(shí)時(shí)數(shù)值監(jiān)控畫面

圖9 歷史數(shù)據(jù)

通過圖 9可以清晰直觀地了解任意時(shí)段每根樁的施工過程，包括沉樁深度、沉樁速率、反插位置和反插深度以及振動(dòng)錘電流實(shí)時(shí)變化規(guī)律等參數(shù)。后期通過自動(dòng)打印功能亦可將所需數(shù)據(jù)打印出，作為施工記錄依據(jù)。

3 結(jié)論

1)研制的砂樁沉樁施工過程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)包括行程自動(dòng)監(jiān)控、電流監(jiān)控以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)?？删_、實(shí)時(shí)記錄砂樁成樁參數(shù)(沉樁深度、反插位置和深度、時(shí)間等)和樁機(jī)電流變化情況，通過與行程記錄對(duì)比，電流激增與沉管反插能夠準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

2)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可將行程和電流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控室，解放現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管人員，保存成樁詳細(xì)工藝參數(shù)資料。

4)實(shí)現(xiàn)砂樁成樁施工工藝精細(xì)化管理，嚴(yán)格按照指定的施工工藝施工，規(guī)范施工，保證施工質(zhì)量，提高施工效率。