于連娜 邊 超

天津深基工程有限公司 天津 300222

與傳統(tǒng)水泥土攪拌樁相比，水泥土雙向攪拌樁能夠有效解決冒漿問題，大幅度提高地基加固效果[1]。水泥土雙向攪拌樁由于具有造價(jià)低、工期短及土體加固效果好等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前應(yīng)用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(dòng)操作，施工現(xiàn)場隱蔽性強(qiáng)，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(huì)發(fā)生水泥粉（漿）沿樁體分布不均勻等情況，從而降低了樁體施工質(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(biāo)準(zhǔn)。因此，本文以水泥土雙向攪拌樁智能化施工為研究方向，將水泥土雙向攪拌樁施工數(shù)字化、可視化，進(jìn)而提升施工的精準(zhǔn)性和可靠性。自動(dòng)化施工降低了人為操作對樁體質(zhì)量的影響，智能化控制噴灰均勻，壓力穩(wěn)定，同時(shí)裝配有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，能有效保證施工質(zhì)量。

1 施工工藝研究內(nèi)容

1.1 工藝比選

自2010年東南大學(xué)研究發(fā)明水泥土雙向攪拌樁施工工藝以來，原先的單向攪拌樁工藝逐漸被淘汰。目前，國內(nèi)水泥土雙向攪拌樁施工工藝有2種，分別為干法和濕法。當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓市∮?0%時(shí)宜采用濕法施工，當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓蚀笥?0%時(shí)宜采用干法施工。

背景工程為引江濟(jì)淮工程（安徽段）白山船閘項(xiàng)目，水泥土攪拌樁總計(jì)約380萬延米，占工程總產(chǎn)值的40%，同時(shí)作為堤防防護(hù)樁，要兼?zhèn)淇辜粢蟆８鶕?jù)工程實(shí)際地質(zhì)情況（天然含水率為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中的水泥土雙向攪拌樁采用干法施工工藝。

1.2 智能化施工工藝原理

水泥土雙向攪拌樁樁機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)分別帶動(dòng)安裝在內(nèi)外同心鉆桿上的2組攪拌葉片，同時(shí)、同速地進(jìn)行正反雙向切土，使鉆機(jī)在施工過程中形成全程復(fù)攪，充分?jǐn)嚢柰馏w，從而提高樁體攪拌的均勻性，增加樁身的強(qiáng)度，并能有效地改善復(fù)合地基的承載特性，從而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(jī)、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(jī)機(jī)架垂直度等進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)無線傳輸至監(jiān)控主機(jī)，供監(jiān)控主機(jī)完成分析與控制工作。同時(shí)對傳感器采集的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與設(shè)定的報(bào)警限值進(jìn)行對比，如超出報(bào)警限值則響起警報(bào)，督促現(xiàn)場操作人員及時(shí)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(shí)時(shí)匯總到施工控制研究中心，經(jīng)過智能化系統(tǒng)的分析計(jì)算與實(shí)時(shí)化、智能化的決策控制，實(shí)現(xiàn)水泥土雙向攪拌樁智能化施工控制。同時(shí)，將采集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，通過PC端及移動(dòng)端訪問，對現(xiàn)場施工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖1所示。

圖1 智能化施工原理

1.3 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，能夠通過通信網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過系統(tǒng)的分析計(jì)算與決策控制，實(shí)現(xiàn)水泥土雙向攪拌樁智能化施工。

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

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

4）螺桿式空氣壓縮機(jī)：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(dòng)進(jìn)行供氣、停氣。

5）儲氣罐：與空氣壓縮機(jī)相連接，主要起到穩(wěn)定氣壓、儲存空氣的作用。

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

7）監(jiān)控系統(tǒng)：對傳感器采集的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如超出報(bào)警值則響起警報(bào)，督促現(xiàn)場操作人員及時(shí)檢查糾正。

8）PC端及移動(dòng)端：通過訪問云端服務(wù)器網(wǎng)址，實(shí)施對施工現(xiàn)場每臺樁機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.4 主要施工工藝

樁機(jī)按照測量點(diǎn)位移動(dòng)至施工位置后，由樁機(jī)操作手輸入樁基編號，開始進(jìn)行樁基施工，樁基施工采用兩攪一噴（下鉆時(shí)邊攪拌邊噴灰、提鉆時(shí)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設(shè)備如圖2所示。

圖2 智能化施工設(shè)備示意

1.4.1 下鉆

樁機(jī)下鉆時(shí)排壓閥、補(bǔ)料閥處于閉合狀態(tài)，補(bǔ)壓閥處于開啟狀態(tài)，噴灰閥及噴氣閥交替啟閉，完成噴灰作業(yè)。具體工藝如下：

灰罐排壓閥、補(bǔ)料閥、絞龍關(guān)閉，補(bǔ)壓閥打開，內(nèi)外鉆桿正常運(yùn)行，鉆桿下鉆進(jìn)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(dòng)噴灰、噴氣，設(shè)定每米所需灰量為63 kg，空鉆時(shí)系統(tǒng)只設(shè)定間隔噴氣作業(yè)，以避免鉆桿堵桿。當(dāng)鉆進(jìn)深度大于空鉆長度后，系統(tǒng)執(zhí)行噴灰流程，每米中的0～80 cm段設(shè)定噴灰時(shí)長為1 s，噴氣時(shí)長為2 s，系統(tǒng)計(jì)算時(shí)長1.5 s，每次噴灰量為10～15 kg，噴灰、噴氣交替進(jìn)行，0～80 cm段的噴灰、噴氣循環(huán)間隔時(shí)間不定（根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算自動(dòng)調(diào)整，計(jì)算間隔時(shí)間超過7 s自動(dòng)進(jìn)行一次噴氣作業(yè)，以防鉆頭噴灰孔阻塞）。每米中的80～100 cm段設(shè)定噴灰時(shí)間為0.3～0.5 s，噴氣時(shí)間為2 s，以實(shí)現(xiàn)計(jì)量精度，系統(tǒng)根據(jù)鉆桿下鉆深度運(yùn)算當(dāng)前位置所需灰量，并與已噴灰量對比，當(dāng)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(dá)到設(shè)定的每米所需灰量63 kg時(shí)，延遲1.5 s（可變）系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行噴灰、噴氣循環(huán)，噴灰、噴氣時(shí)間根據(jù)每米鉆進(jìn)深度自動(dòng)切換。每米中的0～80 cm段噴灰、噴氣頻率低，每次灰量大，每米中的80～100 cm段噴灰噴氣頻率高，每次灰量小。系統(tǒng)計(jì)算每米噴灰量并實(shí)時(shí)打印出已完成每米灰量、時(shí)間，當(dāng)鉆進(jìn)深度大于設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換，只執(zhí)行噴氣作業(yè)。

1.4.2 提鉆

樁機(jī)提鉆時(shí)，噴灰閥、補(bǔ)壓閥處于閉合狀態(tài)，排壓閥、補(bǔ)料閥處于開啟狀態(tài)，至灰罐內(nèi)水泥達(dá)到設(shè)定量（1 300 kg）后關(guān)閉（此工作在提鉆完成前結(jié)束），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(dòng)判斷當(dāng)前灰罐質(zhì)量是否大于工程樁所需灰量?；夜拶|(zhì)量小于工程樁所需灰量時(shí)，灰罐排壓閥打開將灰罐內(nèi)空氣排出，當(dāng)壓力小于20 kPa后，延時(shí)10 s打開補(bǔ)料閥。補(bǔ)料閥打開后延時(shí)5 s打開絞龍，為灰罐補(bǔ)料。

補(bǔ)料過程中設(shè)備提鉆噴氣繼續(xù)作業(yè)，排壓閥一直開啟。當(dāng)灰罐質(zhì)量達(dá)到設(shè)定質(zhì)量后（1 300 kg），系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉絞龍，延時(shí)7 s后，關(guān)閉排壓閥及補(bǔ)料閥，再經(jīng)過5 s后打開補(bǔ)壓閥，為灰罐補(bǔ)充壓力，灰罐補(bǔ)料在設(shè)備提鉆過程中進(jìn)行。

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

樁機(jī)施工全過程數(shù)據(jù)均可在樁機(jī)智能化施工前臺顯示，作為操作手操作依據(jù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)同步完整傳輸至PC端和移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.5 施工控制要點(diǎn)

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

2）所有攪拌樁機(jī)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(jìn)行計(jì)量標(biāo)定并定時(shí)校核。

3）每臺設(shè)備均要配備完整的計(jì)量監(jiān)測自動(dòng)記錄系統(tǒng)，對深度、流量、壓力、電流、傾斜度等各個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測、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。

2 工藝實(shí)施效果

施工結(jié)束后，按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求對攪拌樁樁體進(jìn)行了取芯完整率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、標(biāo)貫試驗(yàn)。

2.1 取芯完整率

采用自動(dòng)化施工的攪拌樁14 d齡期取芯率平均為92.69%，28 d齡期取芯率平均為93.51%，芯樣完整率遠(yuǎn)超手動(dòng)操作所施工的樁基（14 d齡期取芯率平均為82.81%，28 d齡期取芯率平均為87.77%）。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

采用智能自動(dòng)化施工的攪拌樁1 4 d 抗壓強(qiáng)度為2.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為3.1 MPa。采用人工手動(dòng)操作的攪拌樁14 d抗壓強(qiáng)度為1.8 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為2.6 MPa。

2.3 標(biāo)貫試驗(yàn)

采用人工手動(dòng)操作施工的攪拌樁在深度3～5 m范圍內(nèi)，標(biāo)貫擊數(shù)偏低，為6.44～13.76擊，其他深度貫入擊數(shù)一般在30擊左右；采用智能化施工的攪拌樁，樁身貫入擊數(shù)總體上較高，樁貫入擊數(shù)均在30擊以上。

綜上檢測結(jié)果可知，采用自動(dòng)化施工的攪拌樁樁體質(zhì)量優(yōu)于手動(dòng)操作的攪拌樁樁體質(zhì)量，并且樁體更為均勻。

3 效益評估

3.1 社會(huì)效益

由項(xiàng)目部自主研發(fā)的水泥土攪拌樁智能化操作系統(tǒng)得到了業(yè)主、監(jiān)理及行業(yè)內(nèi)其他單位的認(rèn)可，提升了企業(yè)知名度，開拓了后續(xù)施工市場。

3.2 安全、環(huán)保效益

水泥土雙向攪拌樁自動(dòng)化施工通過后臺全自動(dòng)灰罐，采取自動(dòng)供灰的方式替代了原手動(dòng)操作施工中的手動(dòng)加灰，減少了揚(yáng)塵污染，同時(shí)避免了水泥粉塵對后臺操作手的身體健康造成傷害。

3.3 質(zhì)量效益

自動(dòng)化施工降低了人為操作對樁體質(zhì)量的影響，智能化控制噴灰均勻，壓力穩(wěn)定，同時(shí)裝配有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，施工質(zhì)量能得到有效保證。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

水泥土雙向攪拌樁自動(dòng)化施工采用自動(dòng)上料、送灰、噴灰的工作方式，每臺設(shè)備每班只需1人即可完成全部施工操作，而原先的手動(dòng)操作采用半自動(dòng)上料、手動(dòng)送灰、噴灰，每臺設(shè)備每班需要2～3人才能完成整個(gè)施工作業(yè)，自動(dòng)化施工降低了人工成本（平均每米成本降低1.0～1.5元），同時(shí)也降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)語

項(xiàng)目部自主研發(fā)的水泥土雙向攪拌樁自動(dòng)化施工及監(jiān)測系統(tǒng)處于全國領(lǐng)先地位，現(xiàn)已在白山船閘項(xiàng)目得到了全面推廣應(yīng)用，后續(xù)項(xiàng)目部將會(huì)在軟基處理等方面繼續(xù)深入研究，使施工工藝不斷地得到優(yōu)化創(chuàng)新，為新技術(shù)的研究工作增磚添瓦。另外，本文所總結(jié)的施工技術(shù)，也可為類似工程的施工提供借鑒。