塑料排水板打設深度及回帶長度監(jiān)測系統研究

程英武，宋偉浩，馮波，孫文博，袁超哲

（1.中交上海航道局有限公司，上海 200002；2.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 200082）

0 引言

利用插板機插打塑料排水板對軟土地基進行固結處理，塑料排水板需要按照設計要求插入設定深度，且標準要求塑料排水板的回帶長度不得超過500 mm，回帶的根數不宜超過總根數的5%[1]，故監(jiān)測塑料排水板打入深度和回帶長度對施工質量有重要意義。

目前對塑料排水板打設深度測量方法有：記錄儀法、數字刻度法、電阻測量法和低壓脈沖反射法[2-4]。記錄儀法測量排水板深度不能供操作人員直觀觀察到排水板深度情況，也未具備回帶長度監(jiān)測功能。其余3種方法需要人工現場核驗，由于施工區(qū)域排水板數量眾多，只能采取抽查形式且工作勞動強度大。造成塑料排水板回帶的原因主要包括：淤泥由管靴位置進入套管造成塑料排水板與管壁粘連；當土體含水量過大或過于干硬都不能使管靴連同塑料排水板有效卡固在土體中，等等。為減少回帶而采取的措施包括：增加沖水裝置、增加鏈條長度、改進管靴、改進打樁頭等[5-8]，但是針對回帶長度監(jiān)測的研究較為少見。

目前工程中應用的軟基處理設備自動化程度不高，尚未具備自動監(jiān)測排水板打入深度和回帶長度的功能，相關監(jiān)理任務需人工完成。為減輕勞動強度、提高數據采集的廣泛性和自動化程度，設計了監(jiān)測系統，實現了自動獲取塑料排水板打設深度及回帶長度數據的目標。

1 系統基本原理與插板流程

1.1 基本原理

套管軟基處理設備利用振動錘將套管插至土層設計深度，由卷揚機牽引振動錘將套管拔出，同時套管內的塑料排水板與管靴在自身重力及土體阻力的作用下留存在土體內。若采用非一次性管靴，套管上拔一定距離后，套管末端繩鏈將牽引管靴脫離土體。

插板時卷揚機離合器處于脫開狀態(tài)，由振動錘為套管提供插板動力；拔出套管時卷揚機通過鋼絲繩提升振動錘來完成。測深編碼器與卷揚機卷筒軸彈性連接，可實時獲取鋼絲繩的抽出長度，進而由PLC計算得出套管下插深度。塑料排水板盤繞在卷盤上，其自由端通過測長裝置后從套管上端穿帶窗穿入并由下端穿出，通過管靴固定于樁尖。排水板測長編碼器根據排水板的進退量可得出通過測長裝置的排水板長度。

控制器通過測長裝置采集排水板長度數據，且排水板插設過程中保持繃緊狀態(tài)，本次和上次打設記錄數據之差即為上次排水板的打設深度。控制器通過測深編碼器獲取套管最終下插深度數據，該次的套管下插深度與塑料排水板打設深度之差即為回帶長度。打設深度和回帶長度準確計算的關鍵在于確定數據的采集時刻及其在監(jiān)控系統中的自動判定。

1.2 插板流程

軟基處理設備打入塑料排水板遵循固定流程，打設排水板前需預先在計劃施工區(qū)域放線定樁，也即人工按照施工規(guī)范標記打樁位置。套管軟基處理設備按照既定樁位，依次完成移機定位、套管至設定深度、提管至設定高度、割斷排水板、卷板并安裝樁靴、檢驗并記錄打設數據。完成上述步驟后，需要判定本次打設是否合格，如不符合規(guī)范要求需要重新在樁位附近補打排水板，合格則移機至下一樁位按照流程繼續(xù)打設。

2 自動監(jiān)測系統

2.1 系統構成

軟基處理設備的監(jiān)控系統構成如圖1所示。HMI用于顯示設備施工數據、配置作業(yè)參數。PLC控制器用于接收處理各傳感器數據，進行邏輯運算并控制各執(zhí)行器完成指定動作，包括判定套管深度和板長數據采集時刻。測長裝置用于采集通過該裝置的排水板長度數據。套管深度編碼器與卷揚機卷筒軸柔性連接，用于實時獲取鋼絲繩卷收長度數據，經控制器運算處理后得出校正后的套管深度數據。通過傾角傳感器獲取套管的傾斜角度，用于計算某根排水板的垂直度。履帶電機用于為設備提供移機動力，振動錘、油泵、離合器、制動器和卷揚機用于完成設備插板操作。

圖1 監(jiān)控系統構成圖Fig.1 The structure of monitoring system

2.2 測長裝置

工程實踐表明利用編碼器測量塑料排水板消耗量切實可行，但編碼器安裝形式會對半長測量精度產生較大影響。由于卷盤上排水板處于持續(xù)消耗狀態(tài)，其外徑隨之發(fā)生變化，若利用編碼器直接測量卷盤轉數，難以準確計算排水板消耗量，為此設計了排水板長度測量裝置，裝置實物見圖2。另外，由于設備套管由振動錘驅動插入土體，故在插板作業(yè)時設備會劇烈振動，導致無法利用傳感器直接測量套管打入深度，但牽引振動錘的鋼絲繩的伸出長度可直接測量，因而可根據鋼絲繩伸出長度間接計算套管打入深度。由于鋼絲繩在卷筒上排布不均，無法直接通過編碼器測量通過卷筒轉數/角度計算鋼絲繩長度變動量，故依照相同原理設計了鋼絲繩伸出長度測量裝置。

圖2 塑料排水板測長裝置實物圖Fig.2 The length measuring device for plastic drainboard

以排水板測長裝置為例說明裝置構成及測量原理。如圖2所示，排水板測長裝置主要由1根測長滾軸、1根壓緊滾軸、1個多圈絕對值編碼器構成。為保證排水板帶動測長滾軸和壓緊滾軸流暢轉動，兩滾軸均采用輕質尼龍材料制作。測長滾軸位于支座上方，一端與多圈絕對值編碼器軸柔性連接。壓緊滾軸位于測長滾軸下方，兩端可在支座U形槽內活動。通過調整壓緊滾軸兩端硬質彈簧的定位螺母，可調整壓緊滾軸相對位置，進而調節(jié)兩軸對排水板壓力，保證排水板可帶動測長滾軸無相對滑動轉動。由編碼器采集測長滾軸轉動角度數據，并根據轉動角度與測長滾軸外圍周長關系計算得出消耗排水板長度。

2.3 系統測量原理與實現

在振動錘驅動套管插入土體的過程中，塑料排水板保持緊繃狀態(tài)，卷揚機離合器處于脫開狀態(tài)，卷筒在抱閘和振動錘的雙重作用下緩慢釋放鋼絲繩，期間鋼絲繩會劇烈抖動，故無法根據鋼絲繩的釋放長度直接得到套管下插深度?？山普J為鋼絲繩釋放長度與套管下降距離存在函數關系，采用先期試驗與數據擬合的方法得出兩者關系式，進而實現套管插入深度的間接測量。當套管插入預定深度或觸及無法穿透的硬土層時，可認為插板結束，應關閉振動錘，接合卷揚機離合器，松開抱閘后開啟卷揚機拉動套管上升并脫離土層。在套管上升期間，鋼絲繩處于緊繃狀態(tài)，排水板因回帶處于松弛卷曲狀態(tài)，此時排水板測長裝置測得的數據不能正確表征排水板插入深度。

通過上述流程分析可知，為準確計算排水板的打設深度和回帶長度，需要嚴格把控兩編碼器的數據記錄時刻。每次打設流程中從排水板穿管裝靴、樁尖觸地至套管下插結束過程中，排水板都處于緊繃狀態(tài)，其中PLC可根據設備狀態(tài)感知判斷的節(jié)點只有套管下插瞬間，故可選取該節(jié)點作為板長數據記錄時刻。只有在排水板處于緊繃狀態(tài)的前提下，記錄相鄰兩次打設同一流程節(jié)點板長數據后取差值，才能計算得出上次打設的排水板有效打設深度。在此基礎上，上次插板結束時套管樁尖實際深度與排水板有效打設深度之間的差值，即為上次打設回帶長度。

PLC進行數據采集和計算的流程圖如圖3所示。

圖3 PLC數據采集與計算流程圖Fig.3 The flowchart of PLC data acquisition and calculation

PLC通過一個RS485串口與上位機進行數據交互，獲取參數設定值并上傳設備作業(yè)數據。PLC通過一個RS485串口同時與鋼絲繩編碼器和排水板編碼器相連接，以自由口通訊方式分時主動輪詢獲取編碼器測量值。利用最小二乘法對測深編碼器數據與對應套管實際位置試驗數據進行三次項擬合，得到兩變量之間的關系式，利用該方法較為準確地測得了套管的下插深度數值。

開始插板作業(yè)前通過HMI設定打設深度、套管提升高度等參數，調整套管管尖位置至“套管提升高度”，將排水板穿過套管，折疊后由管靴固定在管尖位置并將插管樁尖自由降落至樁位點。操作人員進行套管下插操作時，各設備運行狀態(tài)為：油泵啟動、離合器脫開、制動器處于解除制動狀態(tài)、振動錘啟動，當滿足上述4個條件時，排水板處于緊繃狀態(tài)，PLC判定套管開始下插并瞬時記錄排水板測長編碼器數據Dn1。

實際作業(yè)中，作業(yè)區(qū)域土層復雜多變，套管會觸及無法穿透的硬土層或含水量極高的軟泥層，導致套管的實際下插深度會少于或多于設計深度，故PLC控制器無法根據套管實時打入深度是否達到設計深度作為下插結束的依據。切實可行的做法是：在套管下插過程中，操作人員關停振動錘并提升套管時，記錄此刻的套管插入深度，該深度必為該次打設的套管最終打設深度。打設結束操作在設備狀態(tài)層面的表現是：振動錘停振、卷揚機提升振動錘、油泵啟動、離合器合排、制動解除，PLC檢測到上述條件都滿足時，立即根據鋼絲繩編碼器數值計算并記錄此時的套管深度數據Dn2。

假設上一次打設作業(yè)中分別在套管下插操作記錄排水板測長編碼器數據Dn-11，在套管下插結束提升套管操作時，記錄套管深度Dn-12。則上次插板作業(yè)時排水板深度為Dn1-Dn-11，回帶長度為Dn-12-（Dn1-Dn-11）。

3 工程應用

在廈門機場大小嶝造地（約15 km2）陸域形成及地基處理工程項目中，將配備排水板打設深度以及回帶長度監(jiān)測系統的軟基處理設備用于軟基加固，利用該系統對試驗區(qū)域內打設的排水板打設深度及回帶長度自動記錄的數據與人工測量記錄的數據進行統計比較，結果顯示該系統對打設深度的測量誤差為±60 mm，回帶誤差為±82 mm，符合系統設計精度要求。通過對打設深度及回帶長度的自動監(jiān)測，可以供施工人員及時判斷某次打設是否合乎規(guī)范，對于未達標樁位可及時按相應施工要求補打排水板，提高了軟基處理項目的工程質量，同時也大大降低了監(jiān)理人員的勞動強度。該自動化監(jiān)測系統的開發(fā)與應用也為后續(xù)軟基處理設備的自動化、信息化的升級改造打下基礎，提供數據支撐。