滿 鑫 中鐵二十二局集團(tuán)市政工程有限公司工程師

1 研究背景

巖溶地區(qū)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件給工程帶來了巨大的基礎(chǔ)問題，傾斜巖層在巖溶區(qū)是常見的不良地質(zhì)情況，對傾斜巖層處理不當(dāng)往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故。在傾斜巖層條件下進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工時，如果采用傾斜的巖石面作為持力層，如果樁頂承受較大的荷載，可能造成樁基礎(chǔ)沉降過大，導(dǎo)致事故發(fā)生。同時，在沖孔灌注樁樁基礎(chǔ)施工時也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的施工事故。

為了研究巖溶地區(qū)沖孔灌注樁的安全穩(wěn)定施工，學(xué)者們對巖溶地區(qū)傾斜巖層條件下樁基礎(chǔ)的施工技術(shù)進(jìn)行研究分析。王澤林等基于寧波-舟山港衢山港區(qū)鼠浪湖礦石中轉(zhuǎn)碼頭工程研究了斜巖條件下大直徑嵌巖樁的施工方法[1]；金暉基于微機(jī)自動控制系統(tǒng)，提高了沖孔灌注樁斜巖施工的效率[2]；蒙江濤等對巖溶地區(qū)傾斜巖層中鉆孔灌注樁的施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)[3]；陳景輝通過實際工程總結(jié)了深層大傾斜巖面下鉆孔灌注樁的施工方法[4]；凌勁參考實際工程，建立數(shù)值模型分析了斜巖條件下樁基礎(chǔ)的承載特性[5]。

工程實踐證明，巖溶地區(qū)的巖面標(biāo)高復(fù)雜多變，多存在傾斜巖面，穿越傾瀉斜巖面的樁在入巖施工時經(jīng)常存在卡錘、每次進(jìn)尺小甚至無法進(jìn)尺的問題，造成施工進(jìn)度過慢、施工成本增加的問題。目前針對斜巖傾斜角度的研究仍然較少，在施工過程中，判斷沖孔灌注樁斜巖需要依靠人工進(jìn)行全過程實時監(jiān)測，存在人為判斷不準(zhǔn)確、不及時等問題，且發(fā)現(xiàn)斜巖后，需要進(jìn)行人工測量并計算得到斜巖的傾斜角度，導(dǎo)致費時費力、人工成本高和施工效率低。

2 工程概況

廣州北站綜合交通樞紐開發(fā)建設(shè)項目（二期）安置區(qū)地塊二位于廣州市花都區(qū)廣州北站南側(cè)，工業(yè)大道東旁粵花小區(qū)附近，屬廣州北站綜合交通樞紐項目的配套工程。項目主要包括住宅樓、商鋪和相應(yīng)配套（幼兒園、派出所等），住宅樓高度在81.8～97.8 m，其他公建配套建筑高度均不大于24 m。本工程結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅樓抗震設(shè)防為丙類，幼兒園抗震設(shè)防為乙類?；A(chǔ)擬采用鉆（沖）孔灌注樁樁基礎(chǔ)、微風(fēng)化灰?guī)r作為基礎(chǔ)持力層。

3 基于視頻監(jiān)測技術(shù)的沖孔灌注樁施工工藝及斜巖處理方法

3.1 傾斜巖層條件下沖孔灌注樁施工特點

在進(jìn)行沖孔灌注樁樁基礎(chǔ)施工時，由于存在傾斜巖層，沖錘沖擊的平面位置存在較大的強度差，強度較弱的一側(cè)在快速沖進(jìn)的沖錘沖擊下發(fā)生較大的下沉位移；強度大的一側(cè)下沉位移小，導(dǎo)致沖錘發(fā)生傾斜。如果未及時發(fā)現(xiàn)傾斜巖層并對其進(jìn)行處理，由于沖錘沖進(jìn)施工，沖錘斜向沖進(jìn)斜巖處樁孔孔壁，會造成斜巖處孔徑增大，形成斜孔，破壞孔壁甚至發(fā)生塌孔事故。因此需要在施工過程中及時發(fā)現(xiàn)傾斜巖層的存在，并處理斜巖，保證沖錘沖進(jìn)的位置為一個同等強度的平面，使沖錘能夠平穩(wěn)沖進(jìn)，以此提高施工效率，避免施工事故。為了實現(xiàn)沖孔灌注樁斜巖的高效判別及處理，本文引入視頻監(jiān)測技術(shù)，將其應(yīng)用于沖孔灌注樁施工中，完成斜巖的智能判別及處理施工，形成基于視頻檢測技術(shù)的沖孔灌注樁施工工藝，其施工流程如圖1所示。

圖1 基于視頻監(jiān)測技術(shù)的沖孔灌注樁施工工藝流程

3.2 基于視頻監(jiān)測技術(shù)的沖孔灌注樁斜巖判別及處理施工工藝

3.2.1 沖孔灌注樁施工準(zhǔn)備

首先鋪設(shè)沖孔灌注樁施工流水線，進(jìn)行樁位的定位及放樣，埋設(shè)一定深度的鋼護(hù)筒，由工程師檢查樁位放樣及鋼護(hù)筒施工質(zhì)量，通過檢查后，沖孔灌注樁樁機(jī)就位。

3.2.2 視頻監(jiān)測技術(shù)判別斜巖及處理

（1） 安裝相機(jī)及反光條裝置

在沖孔灌注樁樁機(jī)附近放置兩臺相機(jī)，并將其固定在三腳架上，用于從不同方位實時監(jiān)測沖孔灌注樁施工的過程，在沖錘上方的鋼絲繩上等距安裝多條反光條，為相機(jī)提供明確的跟蹤目標(biāo)，并監(jiān)測沖錘沖進(jìn)深度，如圖2所示。

圖2 安裝相機(jī)裝置及反光條

安裝多條反光條可防止第一條反光條隨沖錘沖進(jìn)后進(jìn)入樁孔后導(dǎo)致相機(jī)跟蹤目標(biāo)丟失?？刂平K端為平板電腦，由施工人員控制。裝置安裝示意圖如圖3所示。

圖3 沖孔灌注樁斜巖視頻監(jiān)測簡圖

（2） 視頻監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測

相機(jī)裝置與電腦控制終端通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實時監(jiān)測沖孔灌注樁施工過程，視頻數(shù)據(jù)實時傳輸至電腦控制終端，形成視頻監(jiān)測系統(tǒng)，連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

（3） 視頻處理

在建立視頻監(jiān)測系統(tǒng)后，開始沖孔灌注樁施工。相機(jī)設(shè)備實時監(jiān)測施工過程，并將視頻數(shù)據(jù)傳輸至電腦控制終端，電腦控制終端接收到視頻數(shù)據(jù)后，由視頻監(jiān)測系統(tǒng)軟件對視頻圖像進(jìn)行實時處理，將帶有反光條的鋼絲繩從視頻圖像中與背景圖像分離，以此提高圖像處理效率。視頻圖像處理過程為：灰度化處理→目標(biāo)邊緣檢測→目標(biāo)背景分割處理，如圖5所示。

圖5 視頻圖像處理過程 （a）視頻圖像 （b）灰度化 （c）邊緣監(jiān)測 （d）分割處理

（4） 斜巖傾斜角度判別

控制系統(tǒng)實時監(jiān)控并處理視頻中每一幀圖像的反光條，判斷鋼絲繩是否發(fā)生明顯偏位，并由控制終端通過智能算法計算反光條的豎向位移及偏位情況，從而計算出斜巖的傾斜角度，并根據(jù)反光條偏位情況判別沖孔灌注樁樁底是否存在斜巖。

通過布置兩臺不同方位的相機(jī)同時對沖孔灌注樁施工過程進(jìn)行實時監(jiān)測，兩臺相機(jī)監(jiān)測面與鋼絲繩偏位情況的幾何關(guān)系如圖6所示。

圖6 相機(jī)監(jiān)測面與鋼絲繩偏位幾何關(guān)系圖

反光條的豎向位移及水平位移計算公式如下：

其中，Hji、Xji分別為沖錘第i次沖進(jìn)后相機(jī)j監(jiān)測到反光條的豎向位移、水平偏位位移。反光條偏位角度計算公式如下：

由此得到反光條偏移角度為：

預(yù)測斜巖傾斜角度為：

（5） 斜巖處理

視頻監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)控沖孔灌注樁施工過程，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在斜巖時，系統(tǒng)自動發(fā)出警報，提醒施工人員停止施工，并通過智能算法預(yù)估所需拋填片石的用量。計算公式如下：

公式7中，R為樁孔的直徑，d為較樁孔內(nèi)斜巖最高點高出的厚度，常取1 m。

根據(jù)斜巖傾斜角度預(yù)估拋填片石用量，并對斜巖進(jìn)行處理，如圖7所示。拋填片石后，首先進(jìn)行低錘密擊，夯實填料，然后進(jìn)行高錘重?fù)?，反?fù)沖錘至斜巖處理平整，然后繼續(xù)沖孔灌注樁施工，視頻監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測施工過程。

圖7 沖孔灌注樁斜巖拋填片石處理

3.2.3 沖錘施工至設(shè)計標(biāo)高

完成斜巖處理后繼續(xù)沖進(jìn)施工，視頻監(jiān)測系統(tǒng)軟件根據(jù)式（1）自動監(jiān)測沖錘沖進(jìn)深度，在達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時，系統(tǒng)自動發(fā)出提示，施工人員根據(jù)提示停止施工，提出沖錘。

3.2.4 清孔

提出沖錘后，對沖孔灌注樁樁基礎(chǔ)采用氣舉反循環(huán)法進(jìn)行兩次清孔施工工藝。

（1）第一次清孔。在沖孔灌注樁樁基礎(chǔ)施工至設(shè)計標(biāo)高后，提出沖錘，移走沖孔灌注樁樁機(jī)，進(jìn)行第1次清孔施工。在樁孔頂部安裝導(dǎo)管夾板工具，下放導(dǎo)管，并將氣管連接好，綁扎于導(dǎo)管外側(cè)，導(dǎo)管接口與泥沙分離設(shè)備連接。氣管與空壓機(jī)連接，啟動機(jī)器開始從小到大送氣，反復(fù)循環(huán)進(jìn)行清孔，完成第一次清孔后，進(jìn)行終孔檢查，對孔斜、孔徑等的質(zhì)量進(jìn)行檢查。

（2）第二次清孔。下放鋼筋籠、導(dǎo)管、氣管，按照第一步清孔步驟進(jìn)行二次清孔。

3.2.5 沖孔灌注樁灌注水下混凝土

完成兩次清孔施工后，采用剛性導(dǎo)管往樁孔中灌注水下混凝土，灌注過程中應(yīng)時刻注意首次澆筑量、導(dǎo)管埋深等。灌注完成后，測量混凝土面的標(biāo)高并記錄，完成沖孔灌注樁的施工，對混凝土強度及樁位進(jìn)行檢查，并報工程師審批，審批完成后即可進(jìn)行下一道工序。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在廣州北站綜合交通樞紐開發(fā)建設(shè)項目（二期）工程項目中，若按照傳統(tǒng)方法，則每臺樁基均需要施工人員進(jìn)行實時監(jiān)控，平均每天需要人工費用1.2萬元、管理費用1萬元、水電費等其他費用2萬元，如表1所示。通過成功應(yīng)用基于視頻監(jiān)測的沖孔灌注樁斜巖判別及處理技術(shù)，共縮短30天工期，節(jié)省126萬元。

表1 經(jīng)濟(jì)效果分析

5 結(jié)語

本文基于傾斜巖層條件下沖孔灌注樁施工存在的施工難題，提出了基于視頻監(jiān)測技術(shù)的沖孔灌注樁斜巖判別及處理施工方法，并引入視頻監(jiān)測技術(shù)對沖孔灌注樁施工過程中的反光條及鋼絲繩進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了沖孔灌注樁斜巖的智能識別及智能化施工，節(jié)省了人力、物力，提高了施工效率，并取得較高的經(jīng)濟(jì)效益。