李貴山

（中鐵二十二局哈爾濱鐵路建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150001）

1 工程概況

新建牡丹江至佳木斯客運(yùn)專(zhuān)線工程全線長(zhǎng)度371.6 km，設(shè)計(jì)速度250 km/h，位于三江平原丘陵緩坡地段，地形起伏較大，多開(kāi)辟為旱地農(nóng)田。施工區(qū)段內(nèi)地質(zhì)情況多為粉質(zhì)黏土和黏土，褐黃色，黑褐色，塑性～堅(jiān)硬，σ0＝120～160 kPa，具有強(qiáng)膨脹性或中等膨脹性，屬于承載力較低的軟土地基。

軟基處理施工里程為DK380+300～DK385+590，本段線下工程設(shè)計(jì)為路基填方，地基基礎(chǔ)形式為螺桿樁軟土地基加固處理。螺桿樁是一種特殊結(jié)構(gòu)的軟土地基加固形式，以螺旋灌注樁、全螺紋灌注樁、高強(qiáng)度纖維混凝土全螺紋樁為基礎(chǔ)研制[1]。螺桿樁采用變截面造型，樁體下部2/3為螺紋形狀結(jié)構(gòu)，上部1/3為圓柱狀結(jié)構(gòu)，樁的承載力由圓柱段的摩阻力、螺紋段的抗剪力和樁端承載力組成，樁身受力符合應(yīng)力分擔(dān)比例[2]。傳統(tǒng)施工工藝對(duì)螺桿樁外型及質(zhì)量控制難度大。針對(duì)施工難點(diǎn)，本工程通過(guò)引進(jìn)螺桿樁自動(dòng)定位打樁系統(tǒng)專(zhuān)利技術(shù)在實(shí)體中運(yùn)用，有效提高了螺桿樁成樁質(zhì)量。

2 螺桿樁自動(dòng)定位系統(tǒng)組成、施工原理及工藝流程

2.1 系統(tǒng)組成

北斗基準(zhǔn)站:施工區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星信號(hào)接收及發(fā)送裝置，是所在覆蓋區(qū)域內(nèi)的鉆機(jī)上配備衛(wèi)星信號(hào)接收裝置的中樞。

鉆機(jī)傾角傳感器:位于鉆機(jī)主鉆桿上，與鉆機(jī)控制終端連接，在鉆孔施工過(guò)程中將鉆桿傾斜度傳輸至操作室，用于監(jiān)控并調(diào)整鉆孔的垂直度。

拉伸位移傳感器:位于鉆機(jī)起升卷?yè)P(yáng)位置，通過(guò)監(jiān)控卷?yè)P(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及卷?yè)P(yáng)繩的運(yùn)動(dòng)位移來(lái)判斷鉆孔或提鉆時(shí)鉆頭所在位置，確保鉆機(jī)精確切換鉆孔形式。

北斗衛(wèi)星接收機(jī):鉆機(jī)操作室前方左右各設(shè)置1處，用于接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)精確定位，并將信號(hào)傳送至車(chē)內(nèi)數(shù)據(jù)終端控制器進(jìn)行樁基定位引導(dǎo)。

車(chē)載平板終端:布置在鉆機(jī)操作室內(nèi)，打樁軟件的承載裝置，通過(guò)與衛(wèi)星接收機(jī)的連接，顯示鉆孔過(guò)程中各階段施工數(shù)據(jù)與施工工況，指導(dǎo)鉆機(jī)操作。

打樁軟件:用于系統(tǒng)操控，分析鉆孔信息及數(shù)據(jù)傳輸留存。

2.2 施工原理

（1）將施工區(qū)域內(nèi)的樁體繪制在CAD圖紙上，并納入坐標(biāo)控制網(wǎng)內(nèi)，將所有樁體的坐標(biāo)信息及樁長(zhǎng)、樁徑、正反螺旋形式位置輸入至鉆機(jī)打樁軟件中作為控制基準(zhǔn)信息。

（2）將鉆機(jī)移動(dòng)至首個(gè)鉆孔位置，利用兩臺(tái)北斗接收機(jī)接收基準(zhǔn)站發(fā)送的信號(hào)，確定坐標(biāo)點(diǎn)位并對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)位與設(shè)計(jì)點(diǎn)位進(jìn)行校核，確保坐標(biāo)點(diǎn)位在控制網(wǎng)中的準(zhǔn)確性，在施工過(guò)程中通過(guò)終端內(nèi)的樁基信息引導(dǎo)駕駛員逐個(gè)樁基定位，實(shí)現(xiàn)精確控制，可保證樁位平面偏差不大于50 mm。

（3）鉆機(jī)利用鉆桿上的兩個(gè)傾斜傳感器，直接精確測(cè)量鉆桿的中垂線直角和雙軸向傾斜角，可顯示目前鉆桿的前傾角度、后傾角度、垂直偏差，隨時(shí)調(diào)整鉆桿的傾斜度保證鉆孔垂直度滿足要求。

（4）車(chē)載設(shè)備控制平臺(tái)通過(guò)打樁軟件內(nèi)的信息對(duì)鉆孔施工進(jìn)行過(guò)程控制，包括對(duì)鉆孔坐標(biāo)定位、鉆孔貫入深度控制、鉆機(jī)傾斜角度、提鉆速度及混凝土灌注閥門(mén)的開(kāi)關(guān)等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其是螺桿樁螺紋部分和非螺紋部分鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的變化的控制。

（5）終端軟件和服務(wù)器管理軟件對(duì)實(shí)時(shí)采集到的施工過(guò)程信息進(jìn)行整理分析，以直觀的圖形化顯示，將報(bào)告?zhèn)鬏斀o遠(yuǎn)程管理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄保存。

2.3 施工工藝流程(見(jiàn)圖1)

圖1 施工工藝流程

3 自動(dòng)定位成樁工藝技術(shù)特點(diǎn)

3.1 鉆機(jī)定位

3.1.1 人工坐標(biāo)定位

（1）傳統(tǒng)的定位方式是在施工之前由測(cè)量人員將施工區(qū)域內(nèi)樁基點(diǎn)位在施工圖紙上繪制，并確認(rèn)樁基坐標(biāo)信息。

（2）測(cè)量人員按照樁位坐標(biāo)信息使用全站儀按施工區(qū)域內(nèi)的樁位布置進(jìn)行放樣，并對(duì)樁間距及樁位進(jìn)行測(cè)量復(fù)核。

（3）使用竹簽或其他明顯標(biāo)識(shí)物在每個(gè)樁位處對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)記[3]，并在點(diǎn)位處撒白灰確保標(biāo)識(shí)清晰，施工過(guò)程中對(duì)損壞的點(diǎn)位及時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)補(bǔ)充。

3.1.2 自動(dòng)坐標(biāo)定位

（1）測(cè)量人員將樁位信息及坐標(biāo)控制點(diǎn)復(fù)核后形成數(shù)據(jù)信息傳輸至鉆機(jī)內(nèi)的車(chē)載軟件控制平臺(tái)中。

（2）鉆機(jī)移動(dòng)至首個(gè)樁基位置后開(kāi)啟衛(wèi)星定位接收系統(tǒng)對(duì)首樁坐標(biāo)進(jìn)行定位校核。

（3）首樁定位后鉆機(jī)操作人員按照預(yù)先輸入的樁基坐標(biāo)信息利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)控制鉆機(jī)自行定位坐標(biāo)網(wǎng)內(nèi)的其他點(diǎn)位。自動(dòng)定位系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)定位系統(tǒng)

3.1.3 鉆機(jī)自動(dòng)定位優(yōu)勢(shì)總結(jié)

（1）樁基施工定位準(zhǔn)確是保證軟土基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提。樁基采用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了樁位坐標(biāo)定位自動(dòng)化，定位精度高，鉆機(jī)移位速度快，簡(jiǎn)化了人工測(cè)量定位的工序，提高了鉆機(jī)的施工效率。

（2）定位信息存儲(chǔ)于車(chē)載操作平臺(tái)電腦內(nèi)，施工中可以隨時(shí)用于點(diǎn)位校核，有效避免了因施工過(guò)程中出現(xiàn)因預(yù)先放樣點(diǎn)位的破損或丟失而導(dǎo)致的重復(fù)放樣工作；同時(shí)樁位自動(dòng)校核也減小了施工過(guò)程中人為因素導(dǎo)致的鉆孔偏位的幾率，成樁檢驗(yàn)過(guò)程中樁位偏差合格率100%。

3.2 鉆孔施工

3.2.1 手動(dòng)控制鉆孔

（1）鉆機(jī)操作手按照技術(shù)要求調(diào)整鉆機(jī)，旋轉(zhuǎn)鉆頭，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)開(kāi)始鉆進(jìn)，手動(dòng)調(diào)節(jié)使鉆速與鉆壓進(jìn)行匹配，如若遇到地質(zhì)情況變化操作人員按實(shí)際情況調(diào)整電流變換鉆機(jī)壓力控制鉆進(jìn)速度，單樁鉆孔出土量約為樁體土量的1/2。

（2）施工過(guò)程中配備專(zhuān)職人員隨時(shí)測(cè)量糾正鉆機(jī)傾斜度來(lái)保證鉆孔垂直度。鉆孔深度控制由鉆機(jī)鉆桿的標(biāo)尺進(jìn)行校核控制，鉆機(jī)標(biāo)尺一般以50 cm為單位刻度，鉆孔結(jié)束后由測(cè)量人員復(fù)核標(biāo)尺刻度來(lái)確認(rèn)鉆孔深度[4]。

3.2.2 自動(dòng)控制鉆孔

（1）鉆孔施工中操作手按照自動(dòng)操控平臺(tái)中傳輸?shù)募夹g(shù)參數(shù)進(jìn)行操作，按設(shè)計(jì)鉆速1.5 m/min自動(dòng)控制鉆機(jī)鉆進(jìn)，通過(guò)拉伸傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)值對(duì)鉆孔速度進(jìn)行過(guò)程控制，遇到地質(zhì)變化影響鉆機(jī)行進(jìn)等情況，控制系統(tǒng)自動(dòng)匹配鉆機(jī)壓力保證鉆速穩(wěn)定，平衡鉆機(jī)壓力反壓擠密土體，單樁鉆孔出土量約為樁體土量的1/4。

（2）鉆孔施工中利用傾角傳感器和拉伸傳感器監(jiān)控調(diào)節(jié)鉆桿的垂直度，鉆機(jī)按照預(yù)先輸入樁基技術(shù)參數(shù)信息自動(dòng)計(jì)算原地面與鉆頭位置的差值，用于控制鉆孔深度，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后平臺(tái)自動(dòng)預(yù)警提示停鉆，測(cè)量人員復(fù)核鉆機(jī)標(biāo)尺進(jìn)行孔深校驗(yàn)后即可提鉆。自動(dòng)數(shù)據(jù)中控系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)數(shù)據(jù)中控系統(tǒng)

3.2.3 自動(dòng)控制鉆孔優(yōu)勢(shì)總結(jié)

（1）通過(guò)自動(dòng)電子信息控制平臺(tái)控制鉆孔速度，在鉆孔過(guò)程中自動(dòng)匹配鉆機(jī)鉆速與鉆機(jī)壓力，避免人工調(diào)整鉆壓過(guò)程中出現(xiàn)的鉆速偏差，勻速切割土體能夠高質(zhì)量地保證螺桿樁螺紋外型[5]，鉆壓與鉆速匹配穩(wěn)定保證鉆孔過(guò)程中將更多的土體向孔壁側(cè)擠密，增加樁體外側(cè)土體的密度，提高土體的承載力。同時(shí)鉆孔的出土量只有普通工藝的一半，在施工后減少棄土方清理外運(yùn)，節(jié)約棄土場(chǎng)的使用成本。

（2）鉆機(jī)通過(guò)傳感裝置與主機(jī)控制平臺(tái)自動(dòng)信息化連接，過(guò)程中能夠精確控制鉆機(jī)傾斜度與鉆孔深度，自動(dòng)糾偏，減少了過(guò)程中人員配置；同時(shí)也避免了因?yàn)槿斯た刂撇患皶r(shí)導(dǎo)致樁體傾斜，節(jié)約停鉆糾偏時(shí)間，提高工作效率和鉆孔質(zhì)量。

（3）鉆機(jī)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)樁長(zhǎng)、鉆孔數(shù)量、灌注方量等形成信息回傳終端，做到工后有據(jù)可查，在大面積的螺桿樁施工過(guò)程中能夠有效地控制漏鉆或超鉆的情況發(fā)生，鉆孔質(zhì)量更有保障。

3.3 成孔灌注

3.3.1 手動(dòng)控制成孔灌注

（1）在鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，操作手控制反向旋轉(zhuǎn)鉆頭，將鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆機(jī)提升速度穩(wěn)定至鉆孔速度相同后開(kāi)始提升鉆桿使孔體形成螺紋形狀。

（2）鉆頭提升離開(kāi)孔底30～50 cm后開(kāi)啟鉆頭頂部閥門(mén)，同時(shí)開(kāi)啟混凝土輸送泵，勻速提鉆的同時(shí)向孔內(nèi)泵送混凝土[6]。

（3）鉆頭提升至樁體頂部向下1/3樁長(zhǎng)位置再次將鉆頭反向旋轉(zhuǎn)，將上部樁體螺紋部分掃平，形成上部圓柱樁型。

（4）提鉆過(guò)程中控制鉆頭的提升速度與混凝泵送速度協(xié)調(diào)一致，保證混凝土密實(shí)，防止孔壁掉落土導(dǎo)致樁體夾泥[7]，鉆頭離孔前停止泵送混凝土，保證樁頭高度不小于30 cm。

3.3.2 自動(dòng)控制成孔灌注

（1）鉆機(jī)鉆至設(shè)計(jì)高程后主控平臺(tái)提示鉆機(jī)反向旋轉(zhuǎn)提升鉆頭，通過(guò)鉆孔時(shí)信息化系統(tǒng)對(duì)鉆機(jī)鉆速的記錄同步匹配鉆機(jī)的提鉆速度[8]，保證鉆速與提速相同，確保螺紋成型質(zhì)量。

（2）鉆頭提升至孔底30 cm時(shí)鉆機(jī)自動(dòng)開(kāi)啟泵送閥門(mén)灌注樁體混凝土，灌注過(guò)程中通過(guò)鉆頭傳感器感應(yīng)鉆頭與混凝土面相對(duì)位置來(lái)保證提升速度與泵送速度的同步[9]。

（3）鉆頭提升至接近樁頂1/3樁長(zhǎng)位置時(shí)信息平臺(tái)自動(dòng)提示變換鉆頭旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行樁頂掃螺工序。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)樁長(zhǎng)值澆筑至樁頂向上30 cm位置自動(dòng)關(guān)閉泵送閥門(mén)[10]，確認(rèn)樁頭高度后停止施工。

3.3.3 自動(dòng)控制成孔灌注優(yōu)勢(shì)總結(jié)

（1）自動(dòng)控制系統(tǒng)與人工操作相比較，在保證鉆孔與提鉆各時(shí)段速率控制方面體現(xiàn)很大優(yōu)勢(shì)，通過(guò)車(chē)載終端電腦信息收集系統(tǒng)對(duì)鉆孔時(shí)的鉆壓、速率等細(xì)微變化數(shù)據(jù)的采集，控制鉆機(jī)的提升速度，有效避免了人工操作的誤差對(duì)樁體螺紋的損壞，非常優(yōu)質(zhì)地保證螺桿樁螺紋外型尺寸。

（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)在施工螺桿樁螺紋與非螺紋分界點(diǎn)位置精準(zhǔn)控制方面優(yōu)勢(shì)明顯，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)精確判斷鉆頭所在具體位置，提前預(yù)警操作人員在指定位置切換鉆頭旋轉(zhuǎn)方向，排除了因人工操作的不準(zhǔn)確導(dǎo)致螺紋長(zhǎng)度不足的情況發(fā)生。

（3）在混凝土灌注方面的優(yōu)勢(shì)在于自動(dòng)操控系統(tǒng)綜合控制提鉆速度與混凝土泵送速率相吻合，保證混凝土灌注壓力自密實(shí)。通過(guò)鉆頭傳感裝置控制鉆頭與混凝土頂面間隙不大于30 cm，有效避免了因灌注速度與提升速度不同步而導(dǎo)致孔壁土塊脫落而造成混凝土夾泥的情況發(fā)生，同時(shí)在控制樁頂混凝土高程與減少混凝土浪費(fèi)方面效果顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

螺桿樁的側(cè)阻力主要為螺紋與土的機(jī)械咬合作用及柱狀部分的摩阻力組成[11]，因此螺桿樁在軟土地基處理施工過(guò)程中螺紋形狀控制和螺紋與非螺紋分界點(diǎn)控制一直是困擾成樁質(zhì)量的兩大難題。螺桿樁自動(dòng)定位打樁系統(tǒng)針對(duì)施工質(zhì)量控制難點(diǎn)，結(jié)合施工中的實(shí)際情況，對(duì)打樁點(diǎn)位、貫入深度、傾斜角度、鉆速、鉆壓等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并將施工信息記錄傳輸給遠(yuǎn)程管理終端分析留存。比照以往螺桿樁施工工藝，有施工作業(yè)效率高、測(cè)量人員投入少、減少后期樁間土清理工作量、減輕對(duì)樁頭的破壞幾率[12]、節(jié)能環(huán)保等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。本技術(shù)在高精度定位、自動(dòng)匹配鉆速與鉆壓保證樁型、實(shí)時(shí)掌控鉆機(jī)工藝流程、杜絕短樁斷樁、高效控制混凝土成樁質(zhì)量等方面前景廣闊。在項(xiàng)目螺桿樁施工驗(yàn)收合格率100%，成樁質(zhì)量遠(yuǎn)超同類(lèi)施工工藝，有很高的推廣價(jià)值。