劉石

（吉林建筑大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130118）

0 引言

水泥粉煤灰混凝土樁是加固軟土地基技術(shù)的代表，其簡(jiǎn)稱(chēng)為CFG 樁，是以粉煤灰為主，結(jié)合適量的水泥作為膠結(jié)材料，經(jīng)由拌合機(jī)械將碎石、石屑、砂等骨料拌合形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，通過(guò)褥墊層與基礎(chǔ)相連接，協(xié)同樁間土構(gòu)成復(fù)合地基。摻入外加劑后，粉煤灰用量占比為膠結(jié)材料總重量的80%時(shí)，28d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.5MPa 以上，形成的復(fù)合地基承載力可提高至原地基承載力的3 倍以上，加固后的地基沉降量顯著降低，能滿足一般建筑工程、交通工程地基的承載力要求[1]。

智慧工地的構(gòu)建范圍，現(xiàn)在已覆蓋到對(duì)進(jìn)場(chǎng)的大型工程機(jī)械及其施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化施工技術(shù)應(yīng)用，其中之一為基于北斗的高精度定位功能結(jié)合施工機(jī)械數(shù)字化自動(dòng)控制的技術(shù)應(yīng)用。即利用北斗實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK 高精度定位搭建底層地理信息，與施工過(guò)程中各類(lèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，通過(guò)施工智能信息分析管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成參數(shù)指令來(lái)指導(dǎo)機(jī)械進(jìn)行操作并自動(dòng)生成電子化記錄和分析報(bào)告，達(dá)到降低人為操作誤差、減少人工、提高精度、提升質(zhì)量、優(yōu)化管理目標(biāo)的技術(shù)。

樁類(lèi)工程的施工工藝特點(diǎn)，與數(shù)字信息化技術(shù)具有良好的匹配度和結(jié)合性，因此，采用CFG 樁方法對(duì)軟土地基進(jìn)行處理時(shí)，結(jié)合智能信息技術(shù)以優(yōu)化施工操作和執(zhí)行過(guò)程管理，則可以實(shí)現(xiàn)隱蔽工程透明化，過(guò)程可控化，擴(kuò)展數(shù)字化施工創(chuàng)新在基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的應(yīng)用深度。

1 工程概況

中移數(shù)字園區(qū)業(yè)務(wù)綜合樓位于淮安市洪澤區(qū)西順河鎮(zhèn)，該項(xiàng)目所在區(qū)域上部地層由第四系濱海相的地層組成，存在一層海積沖積成因的厚度為1.5～2.5m 的粉質(zhì)黏土，下為1.0～15.5m 的淤泥質(zhì)軟土。本工程為丙類(lèi)建筑，重要性等級(jí)、場(chǎng)地等級(jí)和地基等級(jí)均為二級(jí)，巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。

1.1 軟土參數(shù)的分析

在場(chǎng)地鉆探、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等勘察工作的基礎(chǔ)上，測(cè)得軟土的含水量在10%～37%。抗剪強(qiáng)度13MPa～35MPa，固結(jié)系數(shù)5.5×10-4～28×10-4cm2/s，天然快剪內(nèi)聚力3.5kPa～9.8kPa，快剪摩擦角4°～10.7°。地基承載力：當(dāng)觸探儀測(cè)到30cm 時(shí)，地基承載力為8kPa～120kPa；當(dāng)觸探儀測(cè)到60cm 時(shí)，地基承載力為60kPa～120kPa，靈敏度3～11，壓縮系數(shù)0.8MPa～1.9MPa。

1.2 軟土地基處理目標(biāo)

（1）提高土體抗剪強(qiáng)度，確保地基整體穩(wěn)定。

（2）降低土體壓縮性，控制沉降變形在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

（3）降低土體滲透系數(shù)，防止地基滲漏。

（4）改善土體的動(dòng)力性能，避免振動(dòng)液化而失穩(wěn)[2]。

1.3 軟土地基處理方案

本項(xiàng)目采用CFG 樁復(fù)合地基+筏板基礎(chǔ)。CFG 樁復(fù)合地基滿堂布置。

軟土地基處理工程采用振動(dòng)沉管灌注樁法施工，CFG 樁基間距為1.5m，樁徑為40～60cm。有效樁長(zhǎng)度為13～14.5m，樁端持力層為圓礫，樁頂超灌0.5m，總樁長(zhǎng)19570m。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。

筏板基礎(chǔ)位于粉質(zhì)黏土層，該部位地基承載力特征值為225kPa，CFG 樁加固后的復(fù)合地基承載力特征值為530kPa，單根樁豎向承載力特征值為1050kPa～1300kPa。

碎石褥墊層厚度為30cm，各邊應(yīng)超出筏板基礎(chǔ)250mm 以上。砂石級(jí)配1:1，碎石粒徑5～16mm，最大粒徑≤30mm。

2 施工智能信息化方案需解決的問(wèn)題

（1）勞動(dòng)效率不高。樁的定位點(diǎn)放樣工作至少需要兩名工人，在對(duì)樁進(jìn)行平面位置校正工序時(shí)，還需要一名工人協(xié)同作業(yè)。此外，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)開(kāi)放，基礎(chǔ)工程階段工況復(fù)雜，樁點(diǎn)可能被土覆蓋或地面發(fā)生變形，這就需要反復(fù)核對(duì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位是否一致，進(jìn)而增加放樣返工的概率，直接影響工期進(jìn)度。

（2）過(guò)程監(jiān)測(cè)不到位。由于鉆孔和成樁都是隱蔽工程，鉆進(jìn)電流值和終在鉆進(jìn)指標(biāo)，樁孔深度、混凝土灌注的充盈系數(shù)等施工參數(shù)基本由鉆桿上的進(jìn)尺標(biāo)志等測(cè)定；操作過(guò)程往往由作業(yè)人員的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，各個(gè)CFG 樁的工藝標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)程管控也難以做到一致，容易埋下安全和質(zhì)量隱患。

（3）監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析傳達(dá)不及時(shí)。本項(xiàng)目存在地質(zhì)不良和在施工荷載下地基變形較大的不利因素，會(huì)導(dǎo)致樁機(jī)就位后發(fā)生滑移走位，進(jìn)而樁機(jī)對(duì)位不準(zhǔn)確，然后出現(xiàn)樁偏距超標(biāo)以及垂直度超限等問(wèn)題，通過(guò)持續(xù)對(duì)樁機(jī)狀態(tài)、成樁參數(shù)的監(jiān)測(cè)可避免質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。因此將施工過(guò)程參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果迅速進(jìn)行分析并且及時(shí)傳達(dá)調(diào)整指令給操作人員，可提高施工效率和成品質(zhì)量。但是傳統(tǒng)作業(yè)中，在這些環(huán)節(jié)采用人工觀測(cè)記錄并核算反饋的方式，明顯落后于目前信息化管理的需求。

（4）監(jiān)測(cè)方式精度低。首先施工時(shí)，樁身垂直度需保證不大于樁身長(zhǎng)度的1%。傳統(tǒng)施工中，該項(xiàng)指標(biāo)僅通過(guò)懸掛在機(jī)頂導(dǎo)向架側(cè)面的垂球，比對(duì)在導(dǎo)向架上標(biāo)出的對(duì)照線來(lái)進(jìn)行垂直方向檢查，此觀測(cè)法無(wú)法滿足高精度質(zhì)量控制要求。其次在操作提鉆拔桿時(shí)，拔管速率對(duì)成樁質(zhì)量影響極大，拔管速率過(guò)快可能導(dǎo)致樁徑偏小、樁身夾泥或縮頸斷樁。本工程地基土層中有一定厚度的淤泥質(zhì)土，拔管線性速度控制在2m/min 左右。提拔速率過(guò)慢則振管時(shí)樁端一定范圍的樁體水泥含量較少，樁身強(qiáng)度不足。拔管速率自動(dòng)化和精準(zhǔn)化控制能力亟待加強(qiáng)。

（5）質(zhì)量結(jié)果數(shù)據(jù)不全面。施工時(shí)，由于測(cè)量粗放，人工操作為主，缺乏數(shù)字化設(shè)施等原因，成樁信息如樁深、下鉆速度、鉆機(jī)電流、灌漿量、左右傾、前后傾等數(shù)據(jù)記錄不全面，對(duì)工程質(zhì)量控制和管理不利。

（6）施工數(shù)據(jù)報(bào)告滯后。人工記錄施工數(shù)據(jù)時(shí)，錄入周期長(zhǎng)，可能發(fā)生筆誤或遺漏，匯總及上交的效率往往較低，而且各層級(jí)交互傳遞時(shí)，數(shù)據(jù)可能被錯(cuò)誤導(dǎo)入和丟失，延誤施工信息的核對(duì)校準(zhǔn)。

3 施工智能信息化技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基施工（CFG）實(shí)施信息化管控與輔助施工，達(dá)到業(yè)主、監(jiān)理、承建方協(xié)同高效作業(yè)、確保施工過(guò)程的智能施工狀態(tài)，該項(xiàng)目需對(duì)施工工藝和流程進(jìn)行信息化數(shù)字化構(gòu)建，具體方案如表1 所示。

表1 智能信息化構(gòu)建項(xiàng)目

4 施工智能信息化技術(shù)作業(yè)實(shí)施

施工作業(yè)主要分為6 個(gè)步驟。

（1）樁機(jī)信息化改造。采用北斗系統(tǒng)終端主板，一機(jī)雙天線，帶有4G 和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)傳模塊，可以自動(dòng)組網(wǎng)連接，帶有藍(lán)牙5.0 模塊，移動(dòng)終端可以與工作站直接溝通，連網(wǎng)時(shí)數(shù)據(jù)即刻補(bǔ)充上傳。天線分別安裝在樁機(jī)動(dòng)力頭和樁機(jī)機(jī)身上，動(dòng)力頭上的天線用于定位，機(jī)身上的天線用于定向，實(shí)時(shí)監(jiān)控CFG 樁的位置和深度。樁機(jī)的桅桿上安裝高精度傾角傳感器和方位角傳感器，糾正樁機(jī)平臺(tái)不平時(shí)帶來(lái)的誤差，單獨(dú)測(cè)繪或放點(diǎn)時(shí)，±30°傾斜范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)垂直[3]。

（2）數(shù)據(jù)初始化。導(dǎo)入樁位信息，將施工作業(yè)面劃分情況、樁基樁號(hào)、平面和高程坐標(biāo)、樁長(zhǎng)、樁徑等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)并錄入系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)安裝調(diào)試。在項(xiàng)目場(chǎng)地作業(yè)點(diǎn)安裝基準(zhǔn)站，為系統(tǒng)提供厘米級(jí)定位服務(wù)；進(jìn)行終端安裝，在樁機(jī)控制室旁安裝工作站，在電機(jī)主線安裝電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集鉆機(jī)電流值。在混凝土泵送設(shè)備口安裝混凝土灌入量傳感器；在樁機(jī)控制室安裝車(chē)載終端平板，用于圖形化施工操作交互、接收偏差報(bào)警信息及糾偏數(shù)據(jù)、發(fā)送施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到管理中心的服務(wù)器；在施工管理信息平臺(tái)同步展示進(jìn)程信息和施工監(jiān)控畫(huà)面；安裝客戶端，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)上傳的施工數(shù)據(jù)智能分析后，將分析結(jié)果傳遞到管理模塊下，工程管理人員通過(guò)客戶端軟件實(shí)現(xiàn)施工遠(yuǎn)程管理[4]。

（4）樁機(jī)就位鉆孔。技術(shù)人員檢查定位系統(tǒng)連接情況，樁機(jī)根據(jù)錄入完成的樁位信息，通過(guò)北斗定位數(shù)據(jù)引導(dǎo)，進(jìn)行就位操作。對(duì)樁后根據(jù)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)確定機(jī)架高度，利用傳感器數(shù)據(jù)調(diào)整并控制鉆桿垂直度，開(kāi)始鉆孔作業(yè)；作業(yè)過(guò)程中保持持續(xù)觀測(cè)終端平板的“水平偏差值”“垂直度偏差值”“鉆進(jìn)深度值”“提鉆速率”“持力層電流值”等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)輔助實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施工，提高成樁合格率。如果數(shù)據(jù)分析結(jié)果為異常（深度未達(dá)標(biāo)、提鉆超速、混凝土超灌），將觸發(fā)預(yù)警提醒作業(yè)人員及時(shí)調(diào)整糾偏，保證樁點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（5）灌注混凝土并拔管。鉆孔至符合設(shè)計(jì)樁深時(shí)，確認(rèn)施工記錄及電流參數(shù)滿足要求后，開(kāi)始泵送混凝土，然后反向提桿，用采集傳感器計(jì)算混凝土方量，保證管口在混凝土澆筑面以下，從而控制拔管速度。圖形化實(shí)時(shí)顯示并記錄樁點(diǎn)偏差（±3cm）、成樁深度（±5cm）、沉樁電流、持力層電流、樁塔傾斜度、混凝土灌入量、充盈系數(shù)、提鉆速度等。

（6）形成后臺(tái)數(shù)據(jù)。已確認(rèn)完成的樁的施工過(guò)程數(shù)據(jù)將自動(dòng)上傳到平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，不能中途修改，既保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)管的時(shí)效性和同步性。數(shù)據(jù)庫(kù)生成成樁質(zhì)量報(bào)告、進(jìn)度報(bào)告、CFG 樁機(jī)工況報(bào)告、報(bào)警統(tǒng)計(jì)等資料，施工單位、監(jiān)理、建設(shè)單位可通過(guò)登錄監(jiān)控中心平臺(tái)及時(shí)跟蹤施工過(guò)程和完成情況。非現(xiàn)場(chǎng)人員可通過(guò)手機(jī)端或者網(wǎng)頁(yè)端查看歷史數(shù)據(jù)[5]。

5 施工信息化成果

該項(xiàng)目由于基坑工程階段的計(jì)劃工期較短，需要在夜間、陰雨天、場(chǎng)地不良等因素下提升施工效率，實(shí)現(xiàn)24h 不間斷作業(yè)。在進(jìn)行軟土地基處理的智能信息化施工后，相比于常規(guī)施工方法和正常時(shí)間作業(yè)下，施工時(shí)間減少了50%，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度顯著下降，勞動(dòng)條件得到較大改善。

在智能施工信息化系統(tǒng)的賦能下，該復(fù)合地基工程實(shí)現(xiàn)了高精度作業(yè)，通過(guò)3cm 的精準(zhǔn)放樣，工程質(zhì)量顯著提高。通過(guò)減少人工放樣、輔助引導(dǎo)，工程生產(chǎn)效率提高了40%。在成本投入、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理、人材機(jī)投入等方面平均減少30%。

6 結(jié)語(yǔ)

CFG 樁智能施工信息化技術(shù)利用北斗高精度定位技術(shù)、圖形信息技術(shù)，通過(guò)安裝在樁機(jī)上的傾角和定向傳感器數(shù)據(jù)反饋，直接導(dǎo)入設(shè)計(jì)樁位，解算校核過(guò)的基準(zhǔn)定位軸線尺寸，得到樁頭和鉆桿實(shí)時(shí)、精確的定位信息，用圖形導(dǎo)航和人機(jī)互動(dòng)來(lái)高效引導(dǎo)施工人員快速準(zhǔn)確定位樁點(diǎn)位置，完全免除了人工前期放樣與劃線的冗雜低效工序，消除人為誤差干擾，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)打樁定位，使樁基作業(yè)效率大幅提高。

該系統(tǒng)通過(guò)基于三維地形的施工場(chǎng)景構(gòu)建數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)了24h 全天候，全工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，技術(shù)人員可以在各類(lèi)終端設(shè)備中精準(zhǔn)監(jiān)控施工樁位分布，精準(zhǔn)開(kāi)鉆。同時(shí)，樁機(jī)作業(yè)狀況及施工數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)回傳至系統(tǒng)后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了同步遠(yuǎn)程查看機(jī)械位置、狀況、施工成果及施工質(zhì)量等過(guò)程信息，將工程作業(yè)的控制和管理從傳統(tǒng)依靠人為的經(jīng)驗(yàn)變?yōu)閳?zhí)行精確的數(shù)字化信息化指令，能有效避免以往因?yàn)闃堕L(zhǎng)不足、地層鉆進(jìn)電流不夠而造成的返工，縮減人力成本和管理成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且降低了斷樁、偏樁的概率，提高了樁機(jī)施工效率；施工過(guò)程中無(wú)須旁站輔工人員，降低了發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，減輕了施工管理壓力；能夠自動(dòng)進(jìn)行項(xiàng)目施工信息統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)生成施工記錄表、成果圖等圖表信息，數(shù)據(jù)可共享，還可進(jìn)一步為主體結(jié)構(gòu)BIM 模型和項(xiàng)目運(yùn)維提供了安全可靠的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的支撐。