水泥土雙向攪拌樁智能化施工的研究與應(yīng)用

趙明時

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引言

水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑，將其與軟土攪拌，并形成具有一定強度及穩(wěn)定性的加固體。特別是水泥土雙向攪拌樁，與傳統(tǒng)水泥土攪拌樁相比，能夠有效解決冒漿問題，大幅度提高地基加固效果[1]。由于水泥土雙向攪拌樁施工具有造價低、工期短及土體加固效果好等優(yōu)點，水泥土雙向攪拌樁加固土體成為目前最為廣泛的軟基處理方法之一[2]。

目前我國水泥土雙向攪拌樁的施工多采用手動操作，施工現(xiàn)場隱蔽性強，可視性效果差，因此，在水泥土雙向攪拌樁施工過程中常常會發(fā)生水泥粉（漿）沿樁體的分布不均勻等情況，從而降低樁體施工質(zhì)量，影響軟基加固效果[3-4]。傳統(tǒng)的水泥土雙向攪拌樁施工方法已經(jīng)落后于工程人員對于軟基處理的要求和標準[5]，因此，本文以水泥土雙向攪拌樁智能化施工為研究對象，將水泥土雙向攪拌樁施工數(shù)字化、可視化，進而提升施工的精準性和可靠性[6]。

1 工程背景

引江濟淮工程（安徽段）白山船閘項目水泥土攪拌樁總計約380萬延米，占工程總產(chǎn)值的40 %，同時作為堤防防護樁要兼?zhèn)淇辜粢?。目前國?nèi)水泥土雙向攪拌樁施工工藝有兩種，分別為干法和濕法。當?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0 %時宜采用濕法施工，當?shù)鼗恋奶烊缓看笥?0 %時宜采用干法施工。根據(jù)本工程實際地質(zhì)情況（W=44.9 %），結(jié)合水泥土雙向攪拌樁工藝性試樁成果，白山船閘軟基處理工程水泥土雙向攪拌樁采用干法施工工藝。

2 智能化施工工藝

2.1 工藝原理

水泥土雙向攪拌樁樁機的動力系統(tǒng)分別帶動安裝在內(nèi)外同心鉆桿上的兩組攪拌葉片同時、同速正、反雙向切土，使鉆機在施工過程中形成全程復(fù)攪，充分攪拌土體，從而提高樁體攪拌的均勻性，增加樁身強度，并能有效改善復(fù)合地基的承載特性，提高軟土地基的承載力。

水泥土雙向攪拌樁智能化施工是通過智能樁機、云端服務(wù)器和信息傳輸系統(tǒng)對成樁深度、噴灰壓力、噴灰量、內(nèi)、外鉆桿電流和樁機機架垂直度進行監(jiān)測，實時采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸至監(jiān)控主機，供監(jiān)控主機完成分析與控制工作，同時對傳感器采集的施工數(shù)據(jù)進行分析，與設(shè)定的報警限值進行對比，如超出報警限值則響起警報，督促現(xiàn)場操作人員及時檢查糾正。通過通信網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)，憑借網(wǎng)絡(luò)信息的查詢、雙向傳輸、實時匯總到施工控制研究中心，經(jīng)過智能化系統(tǒng)的分析計算與實時化、智能化的決策控制，實現(xiàn)水泥土雙向攪拌樁智能化施工控制。同時采集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，通過PC端及移動端訪問，對現(xiàn)場施工進行實時監(jiān)控，如圖1所示。

圖1 智能化施工原理

2.2 設(shè)備及功能

水泥土雙向攪拌樁智能化施工所需設(shè)備及功能如下：

1）智能操作電氣箱：是水泥土雙向攪拌樁智能化施工的核心部件，是施工控制中心，能夠?qū)崿F(xiàn)通過通信網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過系統(tǒng)的分析計算與決策控制，實現(xiàn)水泥土雙向攪拌樁智能化施工。

2）全自動灰罐：配備稱重傳感器、壓力傳感器及自動化操作氣閥、蝶閥等設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)自動送灰、泄壓上料、噴灰量控制及數(shù)據(jù)上傳等功能。

3）絞龍：一端與全自動灰罐連接，一端與水泥罐連接，通過信號線與控制中心進行信息傳輸，能夠根據(jù)所需灰量進行自動供灰。

4）螺桿式空壓機：粉噴樁施工的送氣、送灰及壓力來源，能夠根據(jù)氣壓變化自動進行供氣、停氣功能。

5）儲氣罐：與空壓機連接，主要起儲存空氣、穩(wěn)定氣壓的作用。

6）干燥機：對施工所用的空氣進行干燥，防止空氣中水分與水泥接觸造成水泥結(jié)塊造成堵管等現(xiàn)象。

7）監(jiān)控系統(tǒng)：樁機、云端服務(wù)器和信息傳輸系統(tǒng)對成樁深度、噴粉量、內(nèi)、外鉆桿電流和樁機機架垂直度進行監(jiān)測，實時采集的數(shù)據(jù)有線傳輸至監(jiān)控主機，供監(jiān)控主機完成分析與控制工作，對傳感器采集的施工數(shù)據(jù)進行分析，與設(shè)定的報警限值進行對比，如超出報警限值則響起警報，督促現(xiàn)場操作人員及時檢查糾正，如圖2所示。

圖2 智能化施工監(jiān)控界面

8）PC端及移動端：通過網(wǎng)址訪問云端服務(wù)器，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場每臺樁機的實時監(jiān)控。

2.3 主要施工工藝

樁機按照測量點位移動至施工位置后，由樁機操作手輸入樁基編號，開始進行樁基施工，樁基施工采用兩攪一噴（下鉆時邊攪拌邊噴灰、提鉆時只攪拌不噴灰）施工工藝，相關(guān)控制均通過氣閥啟閉完成。水泥土雙向攪拌樁智能化施工示意如圖3。

圖3 智能化施工示意

1）下鉆

樁機下鉆時③排壓閥、⑤補料閥處于閉合狀態(tài)，④補壓閥處于開啟狀態(tài)，①噴灰閥及②噴氣閥交替啟閉，完成噴灰作業(yè)。具體工藝如下：

灰罐③排壓閥、⑤補料閥、絞龍關(guān)閉，④補壓閥打開，內(nèi)外鉆桿正常運行，鉆桿下鉆進入地面以下20 cm（空鉆深度，可變）后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定開始自動噴灰、噴氣，設(shè)定每米所需灰量為63 kg，空鉆時系統(tǒng)只設(shè)定間隔噴氣作業(yè)，以避免鉆桿堵桿。當鉆進深度大于空鉆長度后，系統(tǒng)執(zhí)行噴灰流程，每米0～80 cm設(shè)定噴灰時長為1 s，噴氣時長為2 s，系統(tǒng)計算時長1.5 s，每次噴灰量約為10～15 kg，噴灰、噴氣交替進行，0～80 cm時噴灰、噴氣循環(huán)間隔時間不定，（根據(jù)系統(tǒng)計算自動調(diào)整噴灰間隔時間，計算間隔時間超過7 s自動進行一次噴氣作業(yè)，以防鉆頭噴灰孔阻塞），80～100 cm設(shè)定噴灰時間為0.3～0.5 s，噴氣時間為2 s，以實現(xiàn)計量精度，系統(tǒng)根據(jù)鉆桿下鉆深度運算當前位置所需灰量與已噴灰量對比，當已噴灰量與所需灰量差值大于噴灰參數(shù)（可變）并且已噴灰量未達到設(shè)定的每米所需灰量63 kg時，延遲1.5 s（可變）系統(tǒng)自動執(zhí)行噴灰、噴氣循環(huán)，噴灰、噴氣時間根據(jù)每米鉆進深度自動切換，每米0～80 cm噴灰、噴氣頻率低，每次灰量大，每米80～100 cm噴灰噴氣頻率高，每次灰量?。幌到y(tǒng)計算每米噴灰量并實時打印出已完成每米灰量、時間；當鉆進深度大于設(shè)計鉆進深度時，系統(tǒng)自動切換只執(zhí)行噴氣作業(yè)。

2）提鉆

樁機提鉆時①噴灰閥、④補壓閥處于閉合狀態(tài)，③排壓閥、⑤補料閥處于開啟狀態(tài)至灰罐內(nèi)水泥達到設(shè)定量（1 300 kg）后關(guān)閉（此工作在提鉆完成前結(jié)束），②噴氣閥間隔性啟閉送氣直至提鉆完成。具體工藝如下：

操作人員按下提鉆控制按鈕后，系統(tǒng)自動判斷當前灰罐重量是否大于工程樁所需灰量，灰罐重量小于工程樁所需灰量時，灰罐③排壓閥打開將灰罐內(nèi)空氣排出，當壓力小于20 kPa后，延時10 s打開⑤補料閥，⑤補料閥打開后延時5 s打開絞龍，為灰罐補料，補料過程設(shè)備提鉆噴氣繼續(xù)作業(yè)，③排壓閥一直開啟；當灰罐重量達到設(shè)定重量后（1 300 kg），系統(tǒng)自動關(guān)閉絞龍，延時7 s后，關(guān)閉③排壓閥及⑤補料閥，5 s打開④補壓閥，為灰罐補充壓力，灰罐補料過程在設(shè)備提鉆過程進行。

提鉆完成后，前臺自帶微型打印機打印施工小票，樁機移位至下一施工位置繼續(xù)進行樁基作業(yè)。

樁機施工全過程數(shù)據(jù)均可在樁機智能化施工前臺顯示供操作手作為操作依據(jù)，監(jiān)控數(shù)據(jù)同步傳輸至PC端及移動端實現(xiàn)實時監(jiān)控，如圖4所示。

圖4 PC端智能化施工監(jiān)控

2.4 施工控制要點

水泥土雙向攪拌樁智能化施工中最主要的兩個影響因素為人為因素和設(shè)備因素。

1）目前市場上水泥土攪拌樁施工主要以手動操作為主，操作手文化程度較低，對自動化操作控制學(xué)習(xí)接受能力低，要加強培訓(xùn)。

2）所有攪拌樁機在智能化操控系統(tǒng)安裝前要確保設(shè)備性能穩(wěn)定，在電流表、電壓表、壓力表、電子秤等裝置安裝完成后要重新進行計量標定并定時校核。

3）每臺設(shè)備均要配備完整的計量監(jiān)測自動記錄系統(tǒng)，對深度、流量、壓力、電流、傾斜度等各個技術(shù)指標進行自動監(jiān)測、自動記錄及打印。

4）確保后臺設(shè)備的封閉性（尤其是灰罐和絞龍的軟連接處），防止水泥受潮結(jié)塊堵塞噴灰管，影響施工效率。

3 工藝實施效果

本工程將水泥土雙向攪拌樁的傳統(tǒng)手動施工和智能化施工進行比較試驗，并對樁體進行取芯完整率、無側(cè)限抗壓強度、標貫試驗，結(jié)果如下。

3.1 取芯完整率

采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁14 d齡期取芯率平均為92.69 %，28 d齡期取芯率平均為93.51 %。采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁14 d齡期取芯率平均為82.81 %，28 d齡期取芯率平均為87.77 %。即采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁取芯完整率要優(yōu)于采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁取芯完整率。

圖5 取芯完整率對比

3.2 無側(cè)限抗壓強度

采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁14 d抗壓強度為2.7 MPa，28 d抗壓強度為3.1 MPa。采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁14 d抗壓強度為1.8 MPa，28 d抗壓強度為2.6 MPa。即采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁無側(cè)限抗壓強度要優(yōu)于采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁無側(cè)限抗壓強度。

圖6 無側(cè)限抗壓強度對比

3.3 標貫試驗

采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁樁身貫入擊數(shù)總體上較高，貫入擊數(shù)均在30擊以上。采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁在深度3～5 m范圍內(nèi)，標貫擊數(shù)偏低，為6.44～13.76擊，其它深度貫入擊數(shù)一般在30擊左右。即采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁貫入擊數(shù)要優(yōu)于采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁貫入擊數(shù)。

綜上試驗結(jié)果，采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁樁體質(zhì)量優(yōu)于采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁樁體質(zhì)量。

4 結(jié)語

利用水泥土雙向攪拌樁智能化施工完成了白山船閘項目軟基處理，地基處理效果較好，且采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁取芯完整率、無側(cè)限抗壓強度、標貫擊數(shù)均優(yōu)于傳統(tǒng)手動施工，有效的保障了地基處理的施工質(zhì)量。

水泥土雙向攪拌樁智能化施工以數(shù)字化、可視化及高效性等優(yōu)勢得到行業(yè)內(nèi)工程人員的認可，是軟基處理，特別是水泥土攪拌樁依托計算機及信息技術(shù)進一步提升的契機，也是社會發(fā)展的必然產(chǎn)物，可供其他類似工程借鑒，具有較高的社會價值和推廣前景。