淺析樁基自動(dòng)化施工的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

文｜中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 陳志勝

【關(guān)鍵字】隱蔽工程；樁基自動(dòng)化施工；傳感器；北斗定位

樁基施工在鐵路施工領(lǐng)域一直是最廣泛、最重要的路基軟基處理的一種方式，但是由于其隱蔽性的特點(diǎn)，對(duì)樁基的質(zhì)量監(jiān)管一直是路基施工管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在以往的鐵路建設(shè)中，樁基施工過(guò)程主要依靠施工單位人工記錄，監(jiān)理旁站的形式進(jìn)行監(jiān)管，最后再以樁基檢測(cè)的方式（包括樁身完整性檢測(cè)、地基承載力試驗(yàn)等）抽樣檢測(cè)成樁質(zhì)量。采用這種形式，存在施工過(guò)程記錄不規(guī)范、信息不準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)，指標(biāo)值對(duì)于經(jīng)驗(yàn)要求較高，無(wú)法具體量化，也嚴(yán)重浪費(fèi)人力成本，這也只是樁基施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)記錄，對(duì)于成樁質(zhì)量的管理也只能依靠抽查檢測(cè)的方式進(jìn)行，使得軟基施工過(guò)程存在極大的風(fēng)險(xiǎn)。

本文通過(guò)介紹一種樁基自動(dòng)化施工技術(shù)，有效提高樁基施工過(guò)程的自動(dòng)化水平，獲取多項(xiàng)施工技術(shù)參數(shù)，提高過(guò)程監(jiān)控質(zhì)量，通過(guò)結(jié)合在鐵路工程項(xiàng)目上的應(yīng)用，充分釋放人力物力，使得樁基施工的每個(gè)環(huán)節(jié)都有跡可循，為鐵路樁基施工質(zhì)量提供全方位的施工過(guò)程數(shù)據(jù)。

一、系統(tǒng)介紹

圖1 樁基自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)硬件模塊

樁基監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是依靠天線定位模塊、進(jìn)料測(cè)量模塊、持力層電流測(cè)量模塊等實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)樁機(jī)狀態(tài)，包括打樁速度、深度、傾斜度、振動(dòng)電機(jī)的電流情況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并依靠通訊實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器，實(shí)時(shí)記錄樁機(jī)施工數(shù)據(jù)，施工質(zhì)量可追溯，對(duì)工地施工質(zhì)量進(jìn)行規(guī)范化管理。

其主要分為定位模塊（北斗天線模塊）、進(jìn)料測(cè)量模塊（流量傳感器）、顯示模塊（平板電腦）、集成模塊（集線盒）、主控模塊（主控控制）、傳感器（持力層電機(jī)電流傳感器、傾斜傳感器）、電源模塊、通訊模塊（無(wú)線天線）八大模塊。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究

1、定位模塊（北斗定位系統(tǒng)）

樁基定位模塊主要是依靠建立的北斗衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行參考站，采用北斗高精度定位天線進(jìn)行高精度定位，包括樁機(jī)精確位置、樁位放樣、樁身深度等數(shù)據(jù)參數(shù)。

首先，建立樁機(jī)三維方向模型，確定樁機(jī)姿態(tài)位置，利用安裝在樁機(jī)設(shè)備上的定位天線精準(zhǔn)確定樁機(jī)位置；其次，如圖2所示，樁點(diǎn)導(dǎo)航定位，利用高精度定位設(shè)備為樁點(diǎn)導(dǎo)航提供信息，施工人員在選擇對(duì)應(yīng)的樁點(diǎn)后，可以根據(jù)樁機(jī)模型和導(dǎo)航偏離值進(jìn)行樁點(diǎn)導(dǎo)航；最后，樁深測(cè)量，利用布設(shè)在樁管頂端的定位設(shè)備，通過(guò)鉆頭在地面的高程，得出鉆頭進(jìn)入地下的相對(duì)高差，從而得出樁深信息，并可通過(guò)該系統(tǒng)自動(dòng)提示樁深達(dá)標(biāo)情況。

表1 樁基自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)八大模塊功能定位

圖2 樁基自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)導(dǎo)航界面

圖3 樁基自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖

圖4 設(shè)計(jì)樁點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

2、主控模塊

主控模塊，主要是由主控控制器、WIFI 無(wú)線天線和4G 天線組成，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行全方位的管控。包括樁位設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸、現(xiàn)場(chǎng)樁基設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳入后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、成果數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)布在系統(tǒng)及移動(dòng)端等各個(gè)環(huán)節(jié)，均由主控模塊進(jìn)行管理，可以說(shuō)此模塊為整個(gè)管理系統(tǒng)的大腦。

3、傳感器

傳感器模塊主要包括布設(shè)在樁機(jī)設(shè)備上的一系列傳感器的總稱(chēng)，其主要包括垂度傳感器、電流傳感器、入料流量傳感器等。

垂度傳感器也叫做傾角傳感器，其監(jiān)測(cè)原理是將感應(yīng)器件在位置傾斜時(shí)發(fā)生的與大地引力方向的夾角變化這一物理量轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出，將傳感器安裝在樁桿上，實(shí)時(shí)傳輸樁桿姿態(tài)數(shù)據(jù)至控制終端上。

電流傳感器采用的是電磁式電流互感器，通過(guò)交流電引起的傳感線圈的電磁感應(yīng)變化來(lái)反映電流的大小，結(jié)合高程定位模塊確定的鉆孔深度來(lái)確定終孔電流值的大小。

入料傳感器，即混凝土灌入量傳感器，主要安裝在泵機(jī)設(shè)備上，用于監(jiān)測(cè)每次泵機(jī)推送的混凝土量的多少，從而作為重要參數(shù)來(lái)確定每個(gè)樁體的混凝土灌入量。

三、項(xiàng)目應(yīng)用

本系統(tǒng)在在建某條鐵路項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，在站場(chǎng)路基施工前，進(jìn)行軟基處理時(shí)，利用安裝在樁機(jī)設(shè)備上的自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備對(duì)整個(gè)路基范圍的樁基進(jìn)行監(jiān)控施工。

首先，在后臺(tái)管理系統(tǒng)中建立項(xiàng)目信息，導(dǎo)入設(shè)計(jì)樁點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后建立工點(diǎn)模型。其中設(shè)計(jì)樁點(diǎn)數(shù)據(jù)包括點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)、高程、樁深等參數(shù)，為指導(dǎo)樁點(diǎn)施工提供依據(jù)。

其次，結(jié)合配置的施工底圖，根據(jù)系統(tǒng)顯示的施工狀態(tài)，在北斗衛(wèi)星信號(hào)固定的情況下，可實(shí)時(shí)顯示與樁點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)差值，導(dǎo)航到樁點(diǎn)位置進(jìn)行施工，同時(shí)檢核確定高程定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。可保證樁點(diǎn)施工位置的準(zhǔn)確性，同時(shí)，減少測(cè)量人員樁點(diǎn)放樣的工作，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率，減少技術(shù)人員投入。

再次，樁點(diǎn)正式開(kāi)始施工時(shí)，在施工過(guò)程中需要檢核傳感器是否可以正常運(yùn)作，否則會(huì)影響施工過(guò)程數(shù)據(jù)、樁深、持力層電流和灌入量等參數(shù)；在確保外部傳感器連接正確后，過(guò)程中需時(shí)刻注意相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)參數(shù)，包括垂直度傳感器、持力層電流傳感器、流量傳感器等，這些傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將直接決定著樁體施工質(zhì)量的好壞。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)300 多個(gè)樁點(diǎn)的施工應(yīng)用，與傳統(tǒng)人工記錄相比，在人員成本和數(shù)據(jù)精度上有明顯的提高。系統(tǒng)的硬件設(shè)備在施工現(xiàn)場(chǎng)嘈雜、高溫、振動(dòng)、揚(yáng)塵等惡劣環(huán)境下運(yùn)行良好，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性上保持了很高的水準(zhǔn)，保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，優(yōu)化提高了現(xiàn)場(chǎng)的施工水平。

圖5 后臺(tái)工點(diǎn)模型建立

圖6 后臺(tái)設(shè)計(jì)樁點(diǎn)導(dǎo)航施工

圖7 后臺(tái)施工中傳感器參數(shù)

圖8 樁基自動(dòng)化系統(tǒng)電腦端平臺(tái)

四、總結(jié)

工程施工過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)管一直是項(xiàng)目管理中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其對(duì)于隱蔽工程，對(duì)其施工的過(guò)程管控一直缺少有效的手段，樁基自動(dòng)化監(jiān)控填補(bǔ)了樁基施工過(guò)程中的監(jiān)控空白。該技術(shù)以北斗高精度定位技術(shù)為基礎(chǔ)，依靠一系列的傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基施工的全過(guò)程監(jiān)控，由原來(lái)的結(jié)果控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)程控制。同時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至后臺(tái)管理平臺(tái)，便于管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)管，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列的工程應(yīng)用，其穩(wěn)定性、可靠性均得到了實(shí)際驗(yàn)證，有效提高了樁基施工的質(zhì)量管控和信息化水平。