超深振沖碎石樁施工智能化監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用研究

劉強(qiáng) 趙宇飛 楊帆 羅文君 杜曉凡

摘要：振沖碎石樁是處理軟弱地基的常見技術(shù)手段。應(yīng)用該地基處理技術(shù)的大部分是隱蔽工程，施工過程質(zhì)量控制的作用和意義遠(yuǎn)大于施工結(jié)束之后的質(zhì)量檢測(cè)。結(jié)合拉哇水電站中上游圍堰地基軟弱覆蓋層振沖碎石樁加固項(xiàng)目，運(yùn)用BIM+GIS、數(shù)據(jù)精細(xì)化分析等技術(shù)，構(gòu)建了超深碎石樁施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)匯集振沖碎石樁施工過程深度、電流、填料量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)圖形展示施工過程、自動(dòng)分析與評(píng)價(jià)施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了超深振沖碎石樁施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證了施工質(zhì)量，并為圍堰穩(wěn)定施工建設(shè)提供強(qiáng)有力支撐。

關(guān)鍵詞：振沖碎石樁;實(shí)時(shí)監(jiān)控;BIM+GIS;數(shù)據(jù)分析;拉哇水電站

中圖法分類號(hào)：TV553 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.011

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）12 - 0065 - 07

0 引 言

振沖法地基處理最早由德國(guó)人S. Steuerman提出。1977年，中國(guó)引入振沖碎石樁施工技術(shù)，成功解決了官?gòu)d水庫軟弱地基的問題[1]，隨后該方法在中國(guó)得到了迅速推廣和應(yīng)用。大量實(shí)際工程應(yīng)用證明，該方法是軟弱地基加固處理的一種快速、有效的技術(shù)手段。但是大量的工程實(shí)踐也表明，應(yīng)用地基處理的大部分是隱蔽工程，在工程施工結(jié)束后，不能對(duì)振沖碎石樁進(jìn)行大量開放性檢查，只能依靠有限的動(dòng)力觸探、滲透試驗(yàn)以及載荷試驗(yàn)來進(jìn)行施工質(zhì)量評(píng)價(jià)。對(duì)于隱蔽性工程來說，施工過程的質(zhì)量控制作用與意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施工結(jié)束之后的質(zhì)量檢測(cè)。以往振沖碎石樁施工過程的監(jiān)控主要以人工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄為主，這樣的管理方式較為傳統(tǒng)，效率低下，也難以保證振沖碎石樁這種典型隱蔽工程的質(zhì)量。近年來，在振沖碎石樁施工過程中，通過在施工設(shè)備上安裝傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振沖施工過程中深度、電流、填料量等重要控制參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，有效保證了施工質(zhì)量。

早在2003年左右，就有相關(guān)專家學(xué)者利用電腦控制系統(tǒng)開展振沖碎石樁施工過程的實(shí)時(shí)記錄，通過在振沖碎石樁施工機(jī)械上安裝相關(guān)的傳感器，對(duì)振沖施工過程中重要的施工參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);施工結(jié)束后，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存并生成相關(guān)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)了振沖碎石樁施工信息的全過程記錄與分析[2-6]。近年來，在攪拌樁施工、振動(dòng)沉管碎石樁、擠密砂樁等施工過程中，利用遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了施工過程遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[7-9]。這些技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，都為本文中利用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸模塊將施工機(jī)械重要施工參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、開發(fā)超深振沖碎石樁施工過程實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)匯聚到系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示與分析提供了重要參考。

本文結(jié)合拉哇水電站上游圍堰地基處理的振沖碎石樁施工過程[10]，基于振沖施工機(jī)械上安裝的不同傳感器，開展了超深振沖碎石樁施工過程實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用研究，為施工過程提供重要的監(jiān)控平臺(tái)，保證了超深振沖碎石樁的施工質(zhì)量控制。

1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

超深振沖碎石樁施工過程實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要是在振沖碎石樁施工工藝分析基礎(chǔ)上，針對(duì)振沖碎石樁施工中的成孔、成樁過程，利用接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于BIM+GIS技術(shù)的振沖碎石樁設(shè)計(jì)情況、施工進(jìn)度、三維施工狀態(tài)、基礎(chǔ)信息、實(shí)時(shí)監(jiān)控等信息的展示。通過這些信息的形象化實(shí)時(shí)分析與展示，為工程建設(shè)單位、施工單位以及監(jiān)理單位施工過程的高效管理與應(yīng)用提供了重要平臺(tái)。

1.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

該軟件系統(tǒng)架構(gòu)從下而上主要分為5部分。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層。主要為在振沖碎石樁施工機(jī)械上安裝的相關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備、租賃的云服務(wù)器與云儲(chǔ)存陣列，以及為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供的重要的基礎(chǔ)設(shè)施資源。

（2）數(shù)據(jù)層。主要將該系統(tǒng)運(yùn)行所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)歸類管理，其主要的數(shù)據(jù)類型有3類：①BIM+GIS圖形庫，將通過設(shè)計(jì)資料形成的振沖碎石樁模型、待加固地層、以及地形數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)管理，為數(shù)據(jù)的展示提供重要三維模型載體;②原始施工數(shù)據(jù)庫，主要將實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)中每根樁的施工信息按照樁號(hào)等進(jìn)行標(biāo)簽化管理，為系統(tǒng)模塊應(yīng)用提供唯一的數(shù)據(jù)源;③數(shù)據(jù)分析庫，將系統(tǒng)應(yīng)用過程中利用原始施工數(shù)據(jù)庫加工形成的新數(shù)據(jù)進(jìn)行按類系統(tǒng)管理，方便應(yīng)用模塊快速調(diào)用。

（3）服務(wù)層。主要包括進(jìn)行數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的不同算法集、搜索引擎等。

（4）應(yīng)用層。主要為通過需求分析得到的、供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用展示的功能模塊，也是本軟件系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)分析與展示應(yīng)用。

（5）用戶層。主要針對(duì)本軟件系統(tǒng)用戶進(jìn)行的分權(quán)限分層次的用戶層管理。本超深振沖碎石樁施工過程智能化監(jiān)控軟件系統(tǒng)主要架構(gòu)示意如圖1所示。

1.2 功能設(shè)計(jì)

通過對(duì)目前工程中常見的攪拌樁、振動(dòng)沉管碎石樁、擠密砂樁等施工監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)研分析，并結(jié)合拉哇水電站工程地基處理中精細(xì)化管理需求與現(xiàn)狀，進(jìn)行了超深振沖碎石樁施工過程智能化監(jiān)控軟件系統(tǒng)中的主要功能設(shè)計(jì)。功能設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：

（1）工程概覽。通過該模塊能夠?qū)鬯娬竟こ讨姓駴_碎石樁設(shè)計(jì)總樁數(shù)、總延米、填料總方量以及樁深、樁數(shù)分布情況進(jìn)行圖像化展示，并且對(duì)不同施工單位的日完成量、完成進(jìn)度等情況進(jìn)行圖形化展示，便于工程施工管理者根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行工程進(jìn)度動(dòng)態(tài)優(yōu)化與調(diào)整。

（2）三維視圖。本模塊主要利用BIM+GIS技術(shù)，對(duì)振沖碎石樁的待加固地層情況、振沖樁幾何特征情況、施工進(jìn)展情況、不同樁的設(shè)計(jì)與施工對(duì)比情況等進(jìn)行展示，可為工程施工管理人員提供形象化的設(shè)計(jì)、施工狀況展示。

（3）施工記錄與實(shí)時(shí)監(jiān)控。施工記錄主要將振沖碎石樁施工過程信息按照1條/s的頻率進(jìn)行標(biāo)簽化的系統(tǒng)管理，為數(shù)據(jù)的分析處理提供唯一的數(shù)據(jù)源;實(shí)時(shí)監(jiān)控主要對(duì)正在施工的振沖碎石樁進(jìn)行施工過程中深度、電流以及填料量的實(shí)時(shí)展示，并且通過數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，在界面中進(jìn)行施工過程曲線、實(shí)時(shí)樁形以及施工現(xiàn)狀的動(dòng)畫展示，當(dāng)施工過程中的控制參數(shù)不滿足設(shè)計(jì)所需的技術(shù)要求時(shí)，將觸發(fā)警報(bào)，提示工程施工管理人員采取相關(guān)措施保證施工過程嚴(yán)格按照施工控制指標(biāo)進(jìn)行。

（4）曲線分析。該模塊為施工結(jié)束后的振沖碎石樁生成標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間-深度曲線、時(shí)間-電流曲線、時(shí)間-填料量曲線，并自動(dòng)生成施工完成后振沖碎石樁的可能樁形。這些曲線可為施工質(zhì)量評(píng)價(jià)提供重要參考。

（5）質(zhì)量分析。該模塊能夠在振沖碎石樁施工結(jié)束后，通過對(duì)施工曲線進(jìn)行精細(xì)化分析，提取振沖樁成樁過程中每一個(gè)波峰波谷的時(shí)間參數(shù)，對(duì)成樁過程中的加密電流、留振時(shí)間進(jìn)行分析計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)振沖碎石樁的施工質(zhì)量。

（6）施工報(bào)表。該模塊中主要進(jìn)行施工結(jié)束后的振沖碎石樁施工記錄以及單樁施工質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定表的自動(dòng)化生成，這些自動(dòng)化生成的報(bào)表可作為施工質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要參考資料進(jìn)行存檔。

2 軟件系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

在本軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中，充分參考了以往類似軟件系統(tǒng)，并且針對(duì)拉哇水電站覆蓋層振沖碎石樁加固深度超過常規(guī)深度的主要挑戰(zhàn)，通過利用近幾年應(yīng)用較廣的BIM+GIS、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，進(jìn)行了軟件系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)。在軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中，應(yīng)用了BIM+GIS、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析展示、數(shù)據(jù)挖掘分析3個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 BIM+GIS技術(shù)

本軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中，主要利用BIM技術(shù)進(jìn)行振沖碎石樁的設(shè)計(jì)三維立體化展示，并且對(duì)每根樁的坐標(biāo)、樁深、所穿過的地層都進(jìn)行單獨(dú)的圖層分塊管理。同時(shí)利用開源的GIS資源，建立施工區(qū)域的地形模型，通過振沖樁設(shè)計(jì)模型、待加固地層地質(zhì)模型的耦合嵌套，形成了模擬真實(shí)振沖施工碎石樁施工區(qū)域的施工管理底圖。建立的BIM+GIS底圖能在Web端進(jìn)行輕量化展示。

在拉哇水電站超深振沖碎石樁施工過程實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中：①提出了基于構(gòu)件合并和邊疊法綜合的輕量化方法，實(shí)現(xiàn)在不影響應(yīng)用效果的前提下，去除冗余重復(fù)信息，保留必要的模型屬性及幾何圖形信息，達(dá)到模型輕量化的應(yīng)用需求;②利用基于模型動(dòng)態(tài)加載方法和WebGL、ActiveX與云技術(shù)融合的三維模型展示以及交互引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樁設(shè)計(jì)信息與地質(zhì)體模型基于Web訪問的模型動(dòng)態(tài)加載和高效交互渲染;③基于搭建的振沖碎石樁施工過程智能化監(jiān)控軟件平臺(tái)，利用主流建模軟件輕量化插件，研發(fā)了基于Web端應(yīng)用的WebGL和ActiveX圖形平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模型交互、渲染和展示等圖像化多應(yīng)用模式，如圖2～3所示。

2.2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析展示技術(shù)

通過匯聚到軟件系統(tǒng)中的超深振沖碎石樁施工過程實(shí)時(shí)信息，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)流程化分析與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的施工過程圖形化展示，并實(shí)現(xiàn)施工過程的云端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。振沖碎石樁施工過程的動(dòng)態(tài)展示界面如圖4所示，能夠?qū)崟r(shí)展示振沖施工中的過程參數(shù)。

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和展示時(shí)，安裝在施工機(jī)械設(shè)備上的深度傳感器、電流傳感器以及填料稱量傳感器可能由于漂移、機(jī)械抖動(dòng)等原因產(chǎn)生較大偶然誤差，因而在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析展示過程中，要通過過濾處理將這些偶然誤差去除，得到真實(shí)反映實(shí)時(shí)施工狀態(tài)的信息、圖形化的實(shí)時(shí)展示。偶然誤差過濾是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析展示的重要基礎(chǔ)工作。在偶然誤差過濾中，使用的偶然誤差判斷標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了振沖碎石樁施工工藝特點(diǎn)，對(duì)其造孔過程中的進(jìn)尺速率、成樁過程中的上拔速率、電流突變等因素進(jìn)行了挖掘與分析，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與前幾組數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，判斷其是否包含較大偶然誤差，再利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

2.3 數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)

隨著施工過程的不斷發(fā)展，匯聚到實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中的施工過程數(shù)據(jù)不斷增加。由于施工過程數(shù)據(jù)采集頻率為1條/s數(shù)據(jù)，照此頻率計(jì)算，一根深40 m的振沖碎石樁施工完成時(shí)將會(huì)產(chǎn)生約8 000條數(shù)據(jù);拉哇水電站上游圍堰二期地基處理設(shè)計(jì)的振沖碎石樁超過2 600根，一共將產(chǎn)生超過1 500萬條數(shù)據(jù)。這些重要的施工數(shù)據(jù)中不僅反映了機(jī)械施工過程中的實(shí)時(shí)信息，也包含了施工機(jī)械在不同地質(zhì)條件下的響應(yīng)。因此，利用數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)，能夠進(jìn)行施工過程中的施工曲線精細(xì)化分析，得到成孔及成樁過程中的關(guān)鍵施工信息，并且與設(shè)計(jì)所需的技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行施工質(zhì)量評(píng)價(jià);此外，還可通過對(duì)施工過程中數(shù)據(jù)的清理與過濾，挖掘不同地質(zhì)條件下施工機(jī)械在施工過程中的響應(yīng)規(guī)律，開展利用施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷地層類型的研究分析。

通過施工過程數(shù)據(jù)挖掘分析自動(dòng)判別的振沖碎石樁施工全過程階段劃分與成孔成樁過程中振沖器下沉及提升時(shí)的深度與速率關(guān)系如圖5～6所示。由圖5中深度和電流分別隨施工時(shí)間變化的曲線可以看出，整個(gè)振沖施工過程可以大致分為5個(gè)階段：①A點(diǎn)之前是振沖器下護(hù)筒階段;②AB段為成孔階段;③CD段為振沖成樁階段;④DE段為振沖器穿過上層砂礫石層或者到達(dá)護(hù)筒階段;⑤E點(diǎn)以后即振沖施工結(jié)束，振沖器拔出護(hù)筒。這5個(gè)階段的劃分為施工數(shù)據(jù)的進(jìn)一步過濾與深入挖掘提供了重要基礎(chǔ)。

3 工程應(yīng)用

拉哇水電站位于金沙江上游，左岸為四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉(xiāng)。拉哇水電站壩址區(qū)分布有湖相沉積深厚覆蓋層，深度達(dá)70 m。根據(jù)河床鉆孔揭露，中壩址河床覆蓋層物質(zhì)成分復(fù)雜，由金沙江河流沖積物、堰塞湖相靜水沉積物、崩（滑）堆積物組成，物質(zhì)成分為砂卵石、礫石、漂石、中細(xì)砂、粉細(xì)砂、黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)低液限黏土、低液限黏土、細(xì)粒土砂、塊石及碎石土，由上至下可分為5層。

在拉哇水電站上游圍堰地基處理的二期振沖碎石樁施工過程中，利用開挖完成的超深振沖碎石樁施工過程智能化監(jiān)控軟件系統(tǒng)進(jìn)行了施工過程的遠(yuǎn)程云端管理，該圍堰地基處理振沖碎石樁設(shè)計(jì)情況如圖7所示。

2020年12月5日至2021年3月20日，在整個(gè)二期施工過程中，共采集到2 622根振沖碎石樁施工信息，總延米為77 311 m，碎石樁料總填筑11.06萬m3。其中樁深超過50 m的振沖碎石樁共373根，樁深在40～50 m之間的樁有868根，樁深在30～40 m之間的樁有709根，樁深在20～30 m之間的樁有389根，樁深小于20 m的淺樁有283根?？偵疃瘸^70 m的樁有3根，其中最深的振沖碎石樁樁深為71.69 m，打破了國(guó)內(nèi)外振沖碎石樁最深記錄。二期振沖碎石樁施工總結(jié)如圖8所示。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，不同施工單位每天的工作進(jìn)度以及整體工程施工進(jìn)度與形象面貌都會(huì)在工程看板模塊中直接展示，這為工程管理人員具體了解工程施工進(jìn)度并進(jìn)行下一階段工程施工優(yōu)化與調(diào)度提供了重要的支撐。

在實(shí)際施工管理過程中，振沖碎石樁施工過程智能化監(jiān)控系統(tǒng)能夠針對(duì)施工結(jié)束的振沖碎石樁進(jìn)行施工過程曲線分析，如圖9所示;并且通過對(duì)曲線的深入分析，得到振沖施工過程的加密電流、留振時(shí)間的過程曲線，如圖10所示，為施工過程實(shí)時(shí)質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)提供重要支撐。

施工結(jié)束后，可以按照拉哇水電站中振沖碎石樁施工記錄表以及施工質(zhì)量驗(yàn)評(píng)表式樣自動(dòng)生成各振沖樁樁號(hào)的相關(guān)報(bào)表（相關(guān)示例如圖11所示），為施工驗(yàn)收與質(zhì)量評(píng)定提供重要的支撐。

4 結(jié) 語

針對(duì)拉哇水電站壩址區(qū)存在的超深分層多且地質(zhì)條件復(fù)雜的軟弱覆蓋層和需采用振沖碎石樁進(jìn)行地基加固的工程條件，開發(fā)了振沖碎石樁施工過程智能化監(jiān)控軟件系統(tǒng)，為國(guó)內(nèi)外振沖碎石樁處理世界級(jí)的深地基工程施工過程管理與質(zhì)量控制提供了可靠的手段。

后續(xù)將結(jié)合實(shí)際工程中為振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)所進(jìn)行的重型動(dòng)力觸探、滲透試驗(yàn)以及振沖樁開挖試驗(yàn)，開展施工過程信息與實(shí)際工程檢測(cè)信息之間的相關(guān)分析，探討超過20 m的振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)的新技術(shù)與新方法，并進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行總結(jié)完善，以供類似工程施工過程管理與質(zhì)量控制借鑒。

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（編輯：高小雲(yún)）

Research on development and application of intelligent monitoring system for construction of ultra-deep vibro-replacement stone column

LIU Qiang 1， ZHAO Yufei 2， YANG Fan 2， LUO Wenjun 1， DU Xiaofan 1

（1. Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd， Chengdu 610041， China;? ?2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

Abstract：Vibro-replacement stone column is the most common means to deal with soft soil foundations. Most of the foundation treatments which applies vibro-replacement stone columns are concealed projects， so the quality control in the construction process is much more important than that after the construction. In the upper and middle cofferdam foundation of Lawa Hydropower Station， the vibro-replacement stone columns were applied to reinforce the weak overburden. With this case， the real-time monitoring system of the ultra-deep vibro-replacement stone column is established through the applications of BIM technology， GIS technology， refined data analysis technology， etc. During the construction process， the system collected real-time data such as the depth， the current， and the filling amount. According to these data， the construction process can be displayed graphically， and the automatic analysis and evaluation of construction quality can be carried out in real time. This system realized the real-time monitoring of the ultra-deep vibro-replacement stone column in the construction process， ensured the construction quality and provided an essential guarantee for the stability of the cofferdam.

Key words：vibro-replacement stone column; real-time monitoring; BIM+GIS; data analysis; Lawa Hydropower Station