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(shù)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(jī)插打塑料排水板對(duì)軟土地基進(jìn)行固結(jié)處理，塑料排水板需要按照設(shè)計(jì)要求插入設(shè)定深度，且標(biāo)準(zhǔn)要求塑料排水板的回帶長度不得超過500 mm，回帶的根數(shù)不宜超過總根數(shù)的5%[1]，故監(jiān)測塑料排水板打入深度和回帶長度對(duì)施工質(zhì)量有重要意義。

目前對(duì)塑料排水板打設(shè)深度測量方法有：記錄儀法、數(shù)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(xiàn)場核驗(yàn)，由于施工區(qū)域排水板數(shù)量眾多，只能采取抽查形式且工作勞動(dòng)強(qiáng)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(jìn)入套管造成塑料排水板與管壁粘連；當(dāng)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(jìn)管靴、改進(jìn)打樁頭等[5-8]，但是針對(duì)回帶長度監(jiān)測的研究較為少見。

目前工程中應(yīng)用的軟基處理設(shè)備自動(dòng)化程度不高，尚未具備自動(dòng)監(jiān)測排水板打入深度和回帶長度的功能，相關(guān)監(jiān)理任務(wù)需人工完成。為減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高數(shù)據(jù)采集的廣泛性和自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)獲取塑料排水板打設(shè)深度及回帶長度數(shù)據(jù)的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)基本原理與插板流程

1.1 基本原理

套管軟基處理設(shè)備利用振動(dòng)錘將套管插至土層設(shè)計(jì)深度，由卷揚(yáng)機(jī)牽引振動(dòng)錘將套管拔出，同時(shí)套管內(nèi)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(nèi)。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(shí)卷揚(yáng)機(jī)離合器處于脫開狀態(tài)，由振動(dòng)錘為套管提供插板動(dòng)力；拔出套管時(shí)卷揚(yáng)機(jī)通過鋼絲繩提升振動(dòng)錘來完成。測深編碼器與卷揚(yáng)機(jī)卷筒軸彈性連接，可實(shí)時(shí)獲取鋼絲繩的抽出長度，進(jìn)而由PLC計(jì)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(jù)排水板的進(jìn)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(shù)據(jù)，且排水板插設(shè)過程中保持繃緊狀態(tài)，本次和上次打設(shè)記錄數(shù)據(jù)之差即為上次排水板的打設(shè)深度?？刂破魍ㄟ^測深編碼器獲取套管最終下插深度數(shù)據(jù)，該次的套管下插深度與塑料排水板打設(shè)深度之差即為回帶長度。打設(shè)深度和回帶長度準(zhǔn)確計(jì)算的關(guān)鍵在于確定數(shù)據(jù)的采集時(shí)刻及其在監(jiān)控系統(tǒng)中的自動(dòng)判定。

1.2 插板流程

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

2 自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

軟基處理設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。HMI用于顯示設(shè)備施工數(shù)據(jù)、配置作業(yè)參數(shù)。PLC控制器用于接收處理各傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行邏輯運(yùn)算并控制各執(zhí)行器完成指定動(dòng)作，包括判定套管深度和板長數(shù)據(jù)采集時(shí)刻。測長裝置用于采集通過該裝置的排水板長度數(shù)據(jù)。套管深度編碼器與卷揚(yáng)機(jī)卷筒軸柔性連接，用于實(shí)時(shí)獲取鋼絲繩卷收長度數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器運(yùn)算處理后得出校正后的套管深度數(shù)據(jù)。通過傾角傳感器獲取套管的傾斜角度，用于計(jì)算某根排水板的垂直度。履帶電機(jī)用于為設(shè)備提供移機(jī)動(dòng)力，振動(dòng)錘、油泵、離合器、制動(dòng)器和卷揚(yáng)機(jī)用于完成設(shè)備插板操作。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 The structure of monitoring system

2.2 測長裝置

工程實(shí)踐表明利用編碼器測量塑料排水板消耗量切實(shí)可行，但編碼器安裝形式會(huì)對(duì)半長測量精度產(chǎn)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(zhuǎn)數(shù)，難以準(zhǔn)確計(jì)算排水板消耗量，為此設(shè)計(jì)了排水板長度測量裝置，裝置實(shí)物見圖2。另外，由于設(shè)備套管由振動(dòng)錘驅(qū)動(dòng)插入土體，故在插板作業(yè)時(shí)設(shè)備會(huì)劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致無法利用傳感器直接測量套管打入深度，但牽引振動(dòng)錘的鋼絲繩的伸出長度可直接測量，因而可根據(jù)鋼絲繩伸出長度間接計(jì)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(zhuǎn)數(shù)/角度計(jì)算鋼絲繩長度變動(dòng)量，故依照相同原理設(shè)計(jì)了鋼絲繩伸出長度測量裝置。

圖2 塑料排水板測長裝置實(shí)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(gòu)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(gè)多圈絕對(duì)值編碼器構(gòu)成。為保證排水板帶動(dòng)測長滾軸和壓緊滾軸流暢轉(zhuǎn)動(dòng)，兩滾軸均采用輕質(zhì)尼龍材料制作。測長滾軸位于支座上方，一端與多圈絕對(duì)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(nèi)活動(dòng)。通過調(diào)整壓緊滾軸兩端硬質(zhì)彈簧的定位螺母，可調(diào)整壓緊滾軸相對(duì)位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)兩軸對(duì)排水板壓力，保證排水板可帶動(dòng)測長滾軸無相對(duì)滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。由編碼器采集測長滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)，并根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與測長滾軸外圍周長關(guān)系計(jì)算得出消耗排水板長度。

2.3 系統(tǒng)測量原理與實(shí)現(xiàn)

在振動(dòng)錘驅(qū)動(dòng)套管插入土體的過程中，塑料排水板保持緊繃狀態(tài)，卷揚(yáng)機(jī)離合器處于脫開狀態(tài)，卷筒在抱閘和振動(dòng)錘的雙重作用下緩慢釋放鋼絲繩，期間鋼絲繩會(huì)劇烈抖動(dòng)，故無法根據(jù)鋼絲繩的釋放長度直接得到套管下插深度。可近似認(rèn)為鋼絲繩釋放長度與套管下降距離存在函數(shù)關(guān)系，采用先期試驗(yàn)與數(shù)據(jù)擬合的方法得出兩者關(guān)系式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)套管插入深度的間接測量。當(dāng)套管插入預(yù)定深度或觸及無法穿透的硬土層時(shí)，可認(rèn)為插板結(jié)束，應(yīng)關(guān)閉振動(dòng)錘，接合卷揚(yáng)機(jī)離合器，松開抱閘后開啟卷揚(yáng)機(jī)拉動(dòng)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(shí)排水板測長裝置測得的數(shù)據(jù)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(zhǔn)確計(jì)算排水板的打設(shè)深度和回帶長度，需要嚴(yán)格把控兩編碼器的數(shù)據(jù)記錄時(shí)刻。每次打設(shè)流程中從排水板穿管裝靴、樁尖觸地至套管下插結(jié)束過程中，排水板都處于緊繃狀態(tài)，其中PLC可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)感知判斷的節(jié)點(diǎn)只有套管下插瞬間，故可選取該節(jié)點(diǎn)作為板長數(shù)據(jù)記錄時(shí)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(shè)同一流程節(jié)點(diǎn)板長數(shù)據(jù)后取差值，才能計(jì)算得出上次打設(shè)的排水板有效打設(shè)深度。在此基礎(chǔ)上，上次插板結(jié)束時(shí)套管樁尖實(shí)際深度與排水板有效打設(shè)深度之間的差值，即為上次打設(shè)回帶長度。

PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算的流程圖如圖3所示。

圖3 PLC數(shù)據(jù)采集與計(jì)算流程圖Fig.3 The flowchart of PLC data acquisition and calculation

PLC通過一個(gè)RS485串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取參數(shù)設(shè)定值并上傳設(shè)備作業(yè)數(shù)據(jù)。PLC通過一個(gè)RS485串口同時(shí)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(shí)主動(dòng)輪詢獲取編碼器測量值。利用最小二乘法對(duì)測深編碼器數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)套管實(shí)際位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次項(xiàng)擬合，得到兩變量之間的關(guān)系式，利用該方法較為準(zhǔn)確地測得了套管的下插深度數(shù)值。

開始插板作業(yè)前通過HMI設(shè)定打設(shè)深度、套管提升高度等參數(shù)，調(diào)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(diǎn)。操作人員進(jìn)行套管下插操作時(shí)，各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為：油泵啟動(dòng)、離合器脫開、制動(dòng)器處于解除制動(dòng)狀態(tài)、振動(dòng)錘啟動(dòng)，當(dāng)滿足上述4個(gè)條件時(shí)，排水板處于緊繃狀態(tài)，PLC判定套管開始下插并瞬時(shí)記錄排水板測長編碼器數(shù)據(jù)Dn1。

實(shí)際作業(yè)中，作業(yè)區(qū)域土層復(fù)雜多變，套管會(huì)觸及無法穿透的硬土層或含水量極高的軟泥層，導(dǎo)致套管的實(shí)際下插深度會(huì)少于或多于設(shè)計(jì)深度，故PLC控制器無法根據(jù)套管實(shí)時(shí)打入深度是否達(dá)到設(shè)計(jì)深度作為下插結(jié)束的依據(jù)。切實(shí)可行的做法是：在套管下插過程中，操作人員關(guān)停振動(dòng)錘并提升套管時(shí)，記錄此刻的套管插入深度，該深度必為該次打設(shè)的套管最終打設(shè)深度。打設(shè)結(jié)束操作在設(shè)備狀態(tài)層面的表現(xiàn)是：振動(dòng)錘停振、卷揚(yáng)機(jī)提升振動(dòng)錘、油泵啟動(dòng)、離合器合排、制動(dòng)解除，PLC檢測到上述條件都滿足時(shí)，立即根據(jù)鋼絲繩編碼器數(shù)值計(jì)算并記錄此時(shí)的套管深度數(shù)據(jù)Dn2。

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

3 工程應(yīng)用

在廈門機(jī)場大小嶝造地（約15 km2）陸域形成及地基處理工程項(xiàng)目中，將配備排水板打設(shè)深度以及回帶長度監(jiān)測系統(tǒng)的軟基處理設(shè)備用于軟基加固，利用該系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)打設(shè)的排水板打設(shè)深度及回帶長度自動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)與人工測量記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，結(jié)果顯示該系統(tǒng)對(duì)打設(shè)深度的測量誤差為±60 mm，回帶誤差為±82 mm，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度要求。通過對(duì)打設(shè)深度及回帶長度的自動(dòng)監(jiān)測，可以供施工人員及時(shí)判斷某次打設(shè)是否合乎規(guī)范，對(duì)于未達(dá)標(biāo)樁位可及時(shí)按相應(yīng)施工要求補(bǔ)打排水板，提高了軟基處理項(xiàng)目的工程質(zhì)量，同時(shí)也大大降低了監(jiān)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用也為后續(xù)軟基處理設(shè)備的自動(dòng)化、信息化的升級(jí)改造打下基礎(chǔ)，提供數(shù)據(jù)支撐。