張北平

（中交四航局江門航通船業(yè)有限公司，江門 529145）

1 前言

四航局秘魯錢凱項目現場海域常年遭受長周期波強涌浪的影響，為提高樁基施工的效率、質量與安全，專門設計制造了一套支撐在永久樁上的樁頂擱置式自移動打樁平臺[1]。該平臺的主要技術參數如下：

（1）工作狀態(tài)：不大于6 級風，水流流速不超過0.5 m/s，波浪周期10 s～18 s，波高不超過 3 m；

（2）自存狀態(tài)：不大于11 級風，水流流速不超過1 m/s，波高不超過4.5 m；

（3）抗震設防烈度，8 級；

（4）打樁平臺移動速度，約0.5 m/min；

（5）工作狀況下抱樁架承受的最大橫向力≯30 t；

（6）平臺主體尺寸：寬25 m、長31.4 m；

（7）打樁平臺為裝配式，可采用集裝箱運輸。

樁頂擱置式自移動打樁平臺的主體結構為箱梁框架結構，平臺具有一定的載荷承受能力以便布置各類施工輔助設備，平臺移動的驅動方式為液壓油缸步履頂推驅動，并共設置了兩種類型的7 套抱樁器。其中：前方3 套抱樁器為可移動式抱樁器，左右兩側各2 套抱樁器為固定式抱樁器，滿足一個工位能完成7 根樁的沉樁作業(yè)；安裝有400 t 履帶吊、發(fā)電機組、液壓站、伸縮吊機、樁錘等施工作業(yè)設備。平臺總布置圖，見圖1 和圖2。

圖1 打樁平臺俯視圖

圖2 打樁平臺前視圖

樁頂擱置式自移動打樁平臺的主要設備，見表1。

表1 平臺主要電氣設備

本樁頂擱置式自移動打樁平臺具有平臺移動控制及定位、抱樁器控制、打樁監(jiān)測功能、安全監(jiān)測功能，并實現對平臺上主要施工設備的監(jiān)控。平臺控制系統分為：平臺移動控制及定位系統、抱樁器控制系統、打樁監(jiān)控系統、平臺安全監(jiān)測系統、設備遠程監(jiān)控系統，并將各子系統的控制集成至控制室操控臺，形成統一的樁頂擱置式自移動打樁平臺電控系統。

2 平臺電控系統設計

2.1 控制功能

樁頂擱置式自移動打樁平臺電控系統，由相關軟硬件配置組成。設置了工控機、PLC、GPS、UPS、控制面板、顯示器、視頻監(jiān)控設備及各類傳感器等,具備遠程可視化操作，總體功能如下：

（1）定位系統。采用GPS 結合打樁平臺的液壓移動功能，實現打樁平臺的精準定位；

（2）平臺移動功能。采用本地/遠程兩種操控模式,對平臺移動進行手動/自動控制，具備自動行走功能；

（3）抱樁器開合控制；

（4）打樁監(jiān)測功能。監(jiān)測樁身的垂直度、貫入度、錘擊數等信息，并生成施工報表；

（5）安全監(jiān)測。包括平臺水平度的監(jiān)測、所受水平力的監(jiān)測、現場施工的視頻監(jiān)控；

（6）設備遠程監(jiān)控功能。對主要設備的運行狀態(tài)、報警信息實時采集并顯示。

2.2 平臺移動控制及定位系統

2.2.1 平臺移動控制

平臺采用液壓油缸步履頂推的移動方式。共設置了4 套驅動輪組和2 套被動輪組，每套驅動輪組采用兩條驅動油缸組成，滿足平臺雙向移動的驅動力需求。

平臺移動的遠程監(jiān)控功能如下：

（1）發(fā)送動作指令給液壓泵站PLC，實現遠程啟動/停止液壓泵站，具有手動/自動選擇、前進/停止/后退控制、急停等控制功能；

（2）采集液壓泵站數據，實現平臺移動行程測量功能。采用GPS和平臺移動油缸行程傳感器結合實現，在控制室顯示平臺移動的速度、位移量、功率、故障等；

（3）實現平臺移動行程限位功能。設置軟件功能限位和行程開關限位；

（4）除液壓泵站的啟動、停止和急?？刂撇捎糜簿€進行遠程控制外，其它液壓泵站與控制室之間的數據交換均采用網絡通訊控制；

（5）油缸上裝有行程傳感器，同時設置卡塊到位油缸換向檢測傳感器，確保步履卡塊到位后，進行油缸換向，再實現自動移動的下一步動作控制。

2.2.2 平臺定位及抱樁器中心點定位

（1）通過GPS 實現打樁平臺的定位，并確定各抱樁器中心點坐標。其中，前排抱樁器均具有整體橫移油缸所需行程，根據不同工位的不同樁間距固定在不同的位置，故其相對于平臺的坐標需進行修正；

（2）平臺定位系統，由3 套GPS 和2 套平臺傾斜儀組成：GPS 采用分體機形式，衛(wèi)星天線安裝于平臺三個角落，安裝高度約為2 m，固定GPS 衛(wèi)星天線的安裝桿相對平臺應穩(wěn)固不搖動；電源、GPS 主機和電腦置于操作室內，操作室內的電腦配備3 個RS232 串口的多串口卡，用于接收3 臺GPS 主機傳輸的測量數據；

（3）作業(yè)時，選取左右兩側各一個樁位的編號和坐標導入定位系統中，輸入準備打樁樁位編號，并選擇使用的抱樁器，啟動平臺移動，通過GPS 定位自動移動到指定位置附近，再通過平臺移動油缸行程傳感器進行精準定位，當平臺移動到位后輸出到位信號，平臺自動停止移動；平臺移動設有本地操作功能，可在本地進行手動操作控制；

（4）平臺安裝傾斜儀，用于測量自身的水平姿態(tài)，并根據自身姿態(tài)可自動修正抱樁器中心點坐標；

（5）平臺位置坐標和平臺傾斜度，可在控制室實時顯示。

2.3 抱樁器控制系統

平臺抱樁器數量共7 套，其中：前方3 套抱樁器為可移動式抱樁器，左右兩側各2 套抱樁器為固定式抱樁器；單套抱樁器分為上層抱樁架和下層抱樁架，上、下層抱樁架分別各設置1個行程600 mm夾樁開閉油缸，下層工作平臺設置1 個行程1 000 mm 收放油缸，其中前1/前2/前3 抱樁器另外再設置了1 個行程2 600 mm整體橫移油缸。油缸布置示意圖，如圖3 所示。

圖3 抱樁器油缸布置示意圖

平臺抱樁器油缸共24 個，每個油缸配置1 個三位四通電磁閥單獨控制，并配置獨立的就地操作盒，具備就地/遠程切換控制功能：

（1）就地操作采用自復位按鈕，遠程操作采用工控機+自復位按鈕或手柄結合；

（2）抱樁器集中監(jiān)控系統，將全部油缸、液壓站控制集成至控制室，實現遠程操控、屏顯，包含液壓站的啟動/停止控制、平臺移動/抱樁器控制選擇等功能，并實時顯示液壓站的運行狀態(tài)以及各抱樁器油缸的位置、狀態(tài)、故障報警等。

2.4 打樁監(jiān)測系統

打樁監(jiān)測系統，功能如下：

（1）監(jiān)測樁身垂直度、貫入度、錘擊數等參數；

（2）顯示打樁開始時間和結束時間等；

（3）記錄每根已打樁的樁號、開始時間、結束時間、貫入度、錘擊數等信息，數據可自動保存，并生成施工報表；

（4）未打樁樁號記錄顯示。

2.4.1 樁身垂直度測量

樁身垂直度對單樁豎向抗壓承載力有很大的影響，對上部結構的安全穩(wěn)定性至關重要。打樁平臺通過在單臺抱樁器上安裝1 個雙軸傾斜儀、上、下層固定的對稱位置各安裝4 套激光測距儀，收集其測量數據傳輸至控制電腦，計算出樁身中心坐標，通過比對上、下層的樁身中心在X、Y 方向的偏差來測定樁身豎向傾斜角，如誤差超過設定值則發(fā)出告警提示，需對樁身垂直度進行調整。傳感器安裝示意圖，如圖4 所示。

圖4 傳感器安裝示意圖

平臺在抱樁器上、下層固定的對稱位置各安裝4套扶樁滾輪，通過8 套扶樁滾輪，進行樁身垂直度的調整和管樁夾緊。當檢測出樁身垂直度的偏差超過設定值時，通過顯示界面的操作指示，采用液壓方式同步驅動相同方向扶樁滾輪的伸縮對樁身垂直度進行調整，使之滿足設計要求；通過振動錘對鋼管樁進行穩(wěn)樁，并持續(xù)觀測樁身垂直度情況，發(fā)現偏差立即停錘并重新校正；當樁身入土超過一定深度時，嚴禁使用抱樁器扶樁滾輪進行強行糾偏，穩(wěn)樁完成再次測量樁身垂直度，符合要求后更換液壓沖擊錘開始沉樁作業(yè)。

2.4.2 貫入度測量

貫入度檢測的目的，主要是判斷鋼管樁是否沉樁到位。打樁平臺貫入度測量，采用樁基貫入度檢測儀完成，主要由激光多普勒測速測長儀、PLC 控制器、觸摸屏、安裝機架組成。激光多普勒測速儀測速應用的是差分激光多普勒原理，激光器發(fā)出的光平均分成兩束后射出，在被測物體表面再次匯聚，探測器接收反射光；當被測物體平面移動速度為零時，反射光與探測光頻率相同；當速度不為零時，反射光相對探測光會發(fā)生頻移，測速儀通過快速傅里葉變換解算頻移大小，得出被測物體精準的移動速度和長度[2]。

將樁基貫入度檢測儀垂直安裝固定于離樁表面1 000～1 200 mm 處，并保證其與被檢測樁的垂直度；儀器上電后向樁表面打出光束，用于測量樁的運動速度和行程，通過通訊接口與電腦連接，在定制軟件上可設置和記錄參數；基樁準備沖擊下沉時，給儀器接入一次控制信號，將系統內積分長度清零，基樁受沖擊的下沉、反彈到靜止過程，儀器全程測量基樁在垂直方向的運動速度，同時積分計算整個過程的移動距離，達到測量樁身貫入度的目的。

2.4.3 錘擊數記錄

打樁錘采用液壓沖擊錘，可通過實時記錄打樁錘液壓系統油缸壓力的變化，并根據變化區(qū)間判斷打樁錘擊次數，達到檢測和記錄每根樁的錘擊數，同時將數據發(fā)送至操控臺進行分析處理。

2.5 安全監(jiān)測系統

平臺安全監(jiān)測系統，包含平臺水平度的監(jiān)測、平臺所受水平力的監(jiān)測、現場施工的視頻監(jiān)控。

（1）平臺水平度的監(jiān)測，通過GPS 結合傾斜儀進行測量。當監(jiān)測到平臺傾斜角超過設定值時發(fā)出報警，同時禁止平臺移動操作，待確定問題并消除報警后解除鎖定；

（2）平臺所受水平力的監(jiān)測，通過在上、下兩層抱樁器的扶樁滾輪上各安裝4 個銷軸傳感器，測量鋼管樁對各個扶樁滾輪的作用力，通過軟件分析，推算出平臺所受的水平力；當監(jiān)測到水平力超過設定值時，發(fā)出報警并提示如何調節(jié)扶樁滾輪，減低平臺所受水平力進而消除報警；

（3）現場施工的視頻監(jiān)控，通過在平臺作業(yè)區(qū)域設置8 臺攝像機，分別安裝于平臺上、下方的4 個角落，顯示器設置于控制室，具備單畫面/多畫面切換顯示、視頻錄制保存等功能，實現對平臺作業(yè)區(qū)域的實時監(jiān)控。

2.6 設備監(jiān)控系統

平臺安裝有發(fā)電機組、振動錘、沖擊錘、液壓動力站等設備，需要對平臺主要設備的運行狀態(tài)、報警信號等進行集中監(jiān)測，通過PLC 采集設備信號，并傳輸至操作室控制系統，在軟件界面上建立模擬平臺并布置各設備，直觀顯示各設備施工狀態(tài)，點擊可進入相應設備專用界面顯示該設備的相關參數。

（1）柴油發(fā)電機組監(jiān)控

對集裝箱靜音式發(fā)電機組進行遠程監(jiān)控，發(fā)電機組具備RS485 通訊接口，提供開放式Modbus 通訊協議，采集至設備監(jiān)控系統，實時監(jiān)控發(fā)電機組轉速、水溫、油溫、油壓、電壓、電流、頻率、功率等重要參數。

（2）其它主要設備監(jiān)控

對振動錘、樁錘、液壓動力站等進行遠程監(jiān)控，并集成至設備監(jiān)控系統，實時監(jiān)控設備的啟停狀態(tài)、運行參數、故障報警等信號。

（3）設置風速風向儀，監(jiān)測并記錄施工期間的風速、風向信息。

3 結語與建議

本平臺在制作完成后，進行了試樁試驗并在秘魯錢凱項目得到了實際應用和驗證：

（1）平臺移動速度約0.5 m/min，定位精度為±2 cm；

（2）抱樁器開合動作正常；

（3）樁身監(jiān)測功能正常，數據可自動保存，并生成實時報表和歷史報表；可實時顯示樁身垂直度并進行預警提示和操作指示；實現了打樁過程中貫入度的動態(tài)監(jiān)測，測量精度達到0.05%以上，同時可設置終錘標準，達到標準時使樁機自動停機；通過打樁錘液壓系統油缸壓力的變化進行的錘擊數統計次數準確；

（4）平臺安全監(jiān)測系統運行正常，能實時監(jiān)測平臺的受力情況和水平姿態(tài)，并通過攝像頭實現了對平臺現場施工全方位的監(jiān)控；

（5）設備監(jiān)控功能正常，發(fā)電機組、液壓泵站等主要設備的運行狀態(tài)、故障報警信號可在操作室實時屏顯。

本樁頂擱置式自移動打樁平臺電控系統，集合了平臺的主要控制功能，并集成至操作控制室，如有需要可通過光纜或無線傳輸方式將系統數據傳輸至智慧工地等綜合系統，進一步提升施工的信息化數字化管理水平。