基于GNSS的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔助大型土壩碾壓施工技術(shù)研究

龔 華

一、前言

土壩是以土、砂礫石等當(dāng)?shù)夭牧蠟橹魈钪膲涡?。傳統(tǒng)的土壩填筑碾壓質(zhì)量主要通過(guò)施工過(guò)程中的壓實(shí)參數(shù)（鋪層厚度、土石料性質(zhì)、碾壓遍數(shù)、碾壓行車(chē)速度、激振力等）以及試坑檢測(cè)的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（壓實(shí)度或干密度、含水量和級(jí)配等）來(lái)控制。存在以下問(wèn)題：傳統(tǒng)壓實(shí)檢測(cè)控制方法是事后檢測(cè)控制，不能及時(shí)處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題；傳統(tǒng)壓實(shí)檢測(cè)控制方法屬于點(diǎn)式檢測(cè)控制，耗時(shí)較長(zhǎng)，干擾施工流程，當(dāng)個(gè)別檢測(cè)點(diǎn)不滿(mǎn)足要求時(shí)，難以界定重新碾壓的范圍；傳統(tǒng)的質(zhì)量控制手段容易造成欠壓和超壓。

為解決傳統(tǒng)土壩碾壓過(guò)程中質(zhì)量控制問(wèn)題，安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司在定遠(yuǎn)縣江巷水庫(kù)樞紐工程、山東省莊里水庫(kù)工程大壩碾壓過(guò)程中應(yīng)用GNSS 定位等現(xiàn)代化技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)采集手段，建立碾壓遍數(shù)、厚度、速度與壓實(shí)質(zhì)量分析模型，對(duì)大型土壩的碾壓施工實(shí)施全過(guò)程可視化監(jiān)測(cè)，提高了工程質(zhì)量，保證了投資效益。

二、技術(shù)特點(diǎn)與適用范圍

（一）技術(shù)特點(diǎn)

1.結(jié)合GNSS 厘米級(jí)高精度定位技術(shù)通過(guò)對(duì)碾壓設(shè)備移動(dòng)軌跡采集和定位，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全程連續(xù)可視化跟蹤碾壓過(guò)程，實(shí)現(xiàn)由事后檢驗(yàn)到過(guò)程控制的質(zhì)量管理模式。

2.根據(jù)碾壓試驗(yàn)中建立的壓實(shí)指標(biāo)與碾壓速度、碾壓遍數(shù)等關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)碾壓作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的欠壓、超壓、漏壓等情況，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警和報(bào)警，指導(dǎo)碾壓施工，保證土方填筑質(zhì)量。

3.建立了協(xié)同工作平臺(tái)，做到與建設(shè)、施工、監(jiān)理等單位數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目多方協(xié)同管理。

（二）適用范圍

適用于大壩壩體連續(xù)作業(yè)的大面積土方碾壓工程，亦可適用于市政、公路大面積土方碾壓工程。

三、工藝原理

基于GNSS 的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔助大型土壩碾壓工藝核心是GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。在土壩碾壓過(guò)程中，根據(jù)不同填料與碾壓設(shè)備相互動(dòng)態(tài)作用原理，利用振動(dòng)碾主軸上的壓實(shí)度傳感器形成的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，確定響應(yīng)信號(hào)和壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)系，建立壓實(shí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)分析模型和實(shí)時(shí)反饋體系。

GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括GNSS 基準(zhǔn)站組件和振動(dòng)壓路機(jī)安裝組件。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，架設(shè)在控制點(diǎn)上的GNSS 基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)向壓路機(jī)上的GNSS 接收機(jī)發(fā)送差分信號(hào)，安裝在壓路機(jī)頂部的GNSS 接收機(jī)和無(wú)線電接收器，接收GNSS 信號(hào)和基站發(fā)送的差分信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；裝在壓路機(jī)振動(dòng)碾主軸上的傳感器實(shí)時(shí)將壓實(shí)數(shù)據(jù)傳輸給安裝在駕駛室的顯示控制器及設(shè)備終端，使操作手和管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握壓路機(jī)所在的三維位置、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、壓實(shí)度等信息。

四、施工操作要點(diǎn)

（一）安裝GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.基準(zhǔn)站組件安裝

（1）在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)澆筑鋼筋混凝土基準(zhǔn)站觀測(cè)墩，觀測(cè)墩埋深要大于凍土層，以防止土的松動(dòng)或熱脹冷縮。

（2）組裝基站接收機(jī)、專(zhuān)用GNSS 天線、發(fā)射電臺(tái)等部件。

（3）安裝完成后，調(diào)試運(yùn)行基準(zhǔn)站，檢驗(yàn)基準(zhǔn)站差分穩(wěn)定性、覆蓋距離、數(shù)據(jù)傳輸能力、抗干擾能力是否滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

2.壓路機(jī)組件安裝

（1）壓路機(jī)組件由工程接收機(jī)、壓實(shí)度傳感器、判向傳感器、工業(yè)級(jí)平板控制終端等部件組成。

（2）接收機(jī)為GNSS 數(shù)據(jù)傳感器，安裝在機(jī)頂，便于BDS 信號(hào)接收。

（3）壓實(shí)度傳感器安裝在壓輪中心位置，主要測(cè)量和記錄壓輪的振幅和頻率，引導(dǎo)操作手對(duì)壓實(shí)情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）判向傳感器焊接在壓路機(jī)大臂前端位置，伸出2cm；安裝時(shí)，要調(diào)整傳感器藍(lán)色感應(yīng)頭處的箭頭方向朝著鋼輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。

（5）工業(yè)平板控制終端安裝在駕駛室駕駛員右手方向位置，工業(yè)平板控制終端精巧、可靠、結(jié)實(shí)，搭載Android 操作系統(tǒng)，集終端信息顯示、數(shù)據(jù)通信樞紐功能于一體，實(shí)時(shí)反映壓實(shí)狀態(tài)。

（二）設(shè)置GNSS 系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)

1.基準(zhǔn)站組件參數(shù)設(shè)置主要包含網(wǎng)絡(luò)、電臺(tái)、頻道、空中波特率、發(fā)射功率等，根據(jù)GNSS 系統(tǒng)的不同分類(lèi)（GPS 系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等）、基準(zhǔn)站的不同型號(hào)設(shè)置不同的參數(shù)。

2.壓路機(jī)組件參數(shù)設(shè)置主要包含網(wǎng)路、GNSS、振動(dòng)傳感器、方向傳感器、差分、顏色、坐標(biāo)等。振動(dòng)、方向傳感器參數(shù)直接反應(yīng)壓路機(jī)工作狀態(tài)，如壓實(shí)程度、穩(wěn)定性、均勻性、行走軌跡。

（三）一次碾壓試驗(yàn)

在壩基范圍內(nèi)選定碾壓試驗(yàn)的場(chǎng)地面積，場(chǎng)地面積不小于20m×30m，將試驗(yàn)場(chǎng)地以長(zhǎng)邊為軸線方向，劃分為10m×15m 的4 個(gè)試驗(yàn)小塊。試驗(yàn)前將壩基平整清理，并將表層壓實(shí)。通過(guò)一次碾壓試驗(yàn)確定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、合理的碾壓技術(shù)參數(shù)（鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓行駛速度、土料含水率、激振力），確定取土、卸料、平整、碾壓等施工方法；根據(jù)碾壓試驗(yàn)確定的碾壓技術(shù)參數(shù)修正GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，使GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠科學(xué)合理實(shí)時(shí)地反映大壩碾壓全過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碾壓質(zhì)量的過(guò)程控制。

（四）二次碾壓試驗(yàn)

1.確定壓實(shí)關(guān)聯(lián)度。平板控制終端內(nèi)壓實(shí)關(guān)聯(lián)度參數(shù)根據(jù)不同土料設(shè)置為不同數(shù)值。用同一臺(tái)壓路機(jī)以弱振模式在確認(rèn)已經(jīng)碾壓合格(常規(guī)檢測(cè)合格)的路段上進(jìn)行二次碾壓試驗(yàn)，連續(xù)測(cè)試100m 采集并自動(dòng)計(jì)算的平均值作為壓實(shí)關(guān)聯(lián)度（考慮工作關(guān)聯(lián)性，這項(xiàng)步驟可以在碾壓合格的一次碾壓試驗(yàn)段上進(jìn)行作業(yè)）。

2.建立模型。壩體填料根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土場(chǎng)運(yùn)距、土質(zhì)不同，需要從不同土場(chǎng)中取土填壩。根據(jù)一次碾壓試驗(yàn)確定的碾壓參數(shù)，設(shè)置所對(duì)應(yīng)壓路機(jī)組件中平板控制終端內(nèi)碾壓參數(shù)，碾壓參數(shù)包括虛鋪厚度、行駛速度、碾壓遍數(shù)、激振力，建立與碾壓試驗(yàn)一致的碾壓模型。

（五）校核壓實(shí)關(guān)聯(lián)度

用同一臺(tái)壓路機(jī)以弱振模式在已經(jīng)碾壓合格(常規(guī)檢測(cè)合格)的路段上進(jìn)行碾壓確定壓實(shí)關(guān)聯(lián)度后，在大壩碾壓工作段任選取200m 作為校核壓實(shí)關(guān)聯(lián)度試驗(yàn)段（不同土料均要任選取200m）。碾壓工作按照設(shè)定的GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)、壓實(shí)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行碾壓作業(yè)，碾壓結(jié)束后依據(jù)《水利水電工程單元工程施工質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)——土石方工程》（SL631-2012）要求進(jìn)行壓實(shí)度常規(guī)試驗(yàn)。壓實(shí)度滿(mǎn)足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，可視為GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中壓實(shí)關(guān)聯(lián)度參數(shù)可以應(yīng)用于本工程碾壓工作。

（六）全過(guò)程連續(xù)可視化跟蹤碾壓

1.GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用前，將項(xiàng)目施工平面布置圖導(dǎo)入該系統(tǒng)，根據(jù)施工規(guī)范要求，劃分單元工程、施工工區(qū)等，對(duì)各單元工程或施工工區(qū)可以建立直觀、立體施工過(guò)程演示圖。項(xiàng)目管理人員可以應(yīng)用GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以單元工程、施工工區(qū)為單位，對(duì)該區(qū)域平面、立面的碾壓狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)匯總，詳實(shí)準(zhǔn)確記錄，可以反映施工過(guò)程中可能出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的薄弱部位，為常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)薄弱部位提供定位支持，使抽檢更具說(shuō)服力。

2.在實(shí)施碾壓過(guò)程中，GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)施工區(qū)段的碾壓遍數(shù)（總數(shù)）、碾壓遍數(shù)（靜壓和振動(dòng)）、碾壓速度超限次數(shù)、碾壓速度平均值、碾壓速度最終值、激振力數(shù)值、沉降量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，駕駛室中的平板控制終端對(duì)不符合碾壓參數(shù)的作業(yè)區(qū)域?qū)嵭凶詣?dòng)預(yù)警和報(bào)警，指導(dǎo)碾壓施工。

3.平板控制終端通過(guò)無(wú)線傳輸方式實(shí)時(shí)回傳至后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器會(huì)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端發(fā)布出來(lái)，即管理人員在后方通過(guò)WEB 端實(shí)時(shí)查看每臺(tái)壓路機(jī)的位置、碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、行駛速度、振動(dòng)頻率、壓實(shí)度狀態(tài)等，并且施工數(shù)據(jù)會(huì)在服務(wù)器中存檔。WEB 網(wǎng)頁(yè)終端管理人員賬戶(hù)根據(jù)參建單位需要，設(shè)立施工、監(jiān)理、業(yè)主、設(shè)計(jì)單位賬號(hào)，各參建單位自行登錄該系統(tǒng)，即可實(shí)時(shí)觀測(cè)大壩填筑碾壓狀態(tài)。

4.GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自帶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碾壓作業(yè)進(jìn)行在線讀取和歷史回放，歷史數(shù)據(jù)報(bào)表可以下載、導(dǎo)出、打印，可以作為施工過(guò)程資料存檔。

（七）檢測(cè)驗(yàn)收

碾壓結(jié)束后，確定土壩檢測(cè)頻次為1 次每100～200m3。為更好地反映壩體填筑質(zhì)量，在滿(mǎn)足常規(guī)檢測(cè)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反映的薄弱部位（如接頭位置、碾壓超速、超壓以及其他超出參數(shù)范圍部位等）進(jìn)行抽檢，如薄弱位置滿(mǎn)足壓實(shí)要求，則基本可以反映本單元工程滿(mǎn)足施工要求，反之，采取開(kāi)挖、換填等措施對(duì)薄弱部位進(jìn)行施工處理，徹底消除存在的質(zhì)量隱患。

五、質(zhì)量控制要點(diǎn)

（一）碾壓質(zhì)量控制要點(diǎn)

平行于大壩軸線采用進(jìn)退法碾壓，每?jī)杀榈拇罱犹幰e(cuò)位，嚴(yán)禁漏壓和過(guò)壓；碾壓速度按確定的碾壓參數(shù)嚴(yán)格控制，隨時(shí)檢查碾壓機(jī)具的性能（如頻率、振幅）；填筑時(shí)，邊坡部位超填要滿(mǎn)足規(guī)范要求，以保證削坡后邊坡壓實(shí)度能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；嚴(yán)格控制土的上限含水率不超過(guò)設(shè)計(jì)上限。

（二）GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用控制要點(diǎn)

1.施工過(guò)程中在同一個(gè)作業(yè)面有兩臺(tái)及以上壓路機(jī)作業(yè)，注意要點(diǎn)如下：

（1）每層填料，每臺(tái)壓路機(jī)必須在固定的區(qū)域進(jìn)行碾壓。例如某一作業(yè)面有兩臺(tái)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，那么可以將壩體分為左、右半幅用兩臺(tái)壓路機(jī)分別進(jìn)行碾壓，如果是三臺(tái)壓路機(jī)則將壩體分為左、中、右三幅，依此類(lèi)推。

（2）在每層填料碾壓的過(guò)程中，壓路機(jī)不能交替碾壓。

（3）在實(shí)際碾壓過(guò)程中，必須保證全程打開(kāi)GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，壓路機(jī)換輪時(shí)要將繪圖關(guān)閉，換完輪后再將繪圖打開(kāi)進(jìn)行碾壓。

2.如果同一臺(tái)壓路機(jī)需要在幾個(gè)不同作業(yè)面作業(yè)時(shí)，注意要點(diǎn)如下：

（1）如果此壓路機(jī)在另一個(gè)作業(yè)面前一層的規(guī)定區(qū)域有碾壓數(shù)據(jù)，那么可以直接進(jìn)行碾壓，如果沒(méi)有前一層的數(shù)據(jù)，在填料前，壓路機(jī)需要在壩體上靜壓一遍獲取前一層上表面高程信息。

（2）如果此壓路機(jī)在第一個(gè)作業(yè)面的碾壓工作還沒(méi)有完成，但需要臨時(shí)到另一個(gè)作業(yè)面進(jìn)行碾壓，先將在第一個(gè)作業(yè)面的工作打印出一份報(bào)告，然后將地圖重置，等再回到第一個(gè)作業(yè)面完成之前未完成的作業(yè)后，打印剩下的報(bào)告。

（3）壓路機(jī)在轉(zhuǎn)換作業(yè)面的時(shí)候?qū)⒗L圖關(guān)閉。

（4）GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)將壓路機(jī)作業(yè)全過(guò)程數(shù)據(jù)真實(shí)地記錄在數(shù)據(jù)卡中，為保證數(shù)據(jù)完整統(tǒng)一，在施工應(yīng)用中，不得頻繁地調(diào)動(dòng)壓路機(jī)。

六、效益分析

（一）經(jīng)濟(jì)效益分析

1.提高機(jī)械使用效率。GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平板控制終端可以直觀地給操作手提供實(shí)時(shí)的碾壓狀態(tài)，在壓實(shí)過(guò)程中反映每一層的壓實(shí)程度，在合適的時(shí)間進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，優(yōu)化了碾壓遍數(shù)，防止欠壓、過(guò)壓及漏壓。尤其在夜間施工，為操作者提供便利，提高施工質(zhì)量。

2.節(jié)約人員成本。減少重復(fù)檢測(cè)時(shí)間，節(jié)約檢測(cè)人員成本；提高機(jī)械工作效率，節(jié)約操作人員成本；縮短大壩施工周期，節(jié)約管理人員成本。

3.降低油耗。應(yīng)用GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔助大壩碾壓作業(yè)，操作手可以直接觀測(cè)大壩碾壓實(shí)際情況，不會(huì)出現(xiàn)盲目碾壓，減少返工率，促進(jìn)碾壓作業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展；同時(shí)也可以做到最大限度減少搭輪錯(cuò)壓寬度，避免錯(cuò)壓、欠壓及超壓，提高工作效率，降低機(jī)械油耗。

（二）社會(huì)效益分析

1.推動(dòng)信息化技術(shù)在工程施工中的深入應(yīng)用。GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，進(jìn)行項(xiàng)目多方協(xié)同管理、動(dòng)態(tài)管理、全過(guò)程監(jiān)管的信息化技術(shù)，實(shí)踐證明該技術(shù)不僅能夠節(jié)本增效，還滿(mǎn)足高質(zhì)量發(fā)展要求，滿(mǎn)足時(shí)代發(fā)展要求，對(duì)信息化技術(shù)在工程中的應(yīng)用起到了很好的助推作用。

2.創(chuàng)新項(xiàng)目管理模式。GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用改變了項(xiàng)目生產(chǎn)以傳統(tǒng)手工管理為主的管理模式和業(yè)務(wù)流程，使廣大管理人員從繁瑣的手工勞動(dòng)中解放出來(lái)，不僅擴(kuò)大了項(xiàng)目管理的覆蓋面，還能使管理工作有的放矢，提高管理效率，降低管理成本■