陳 飛,金建敏,柯小環(huán),奚 進(jìn),陳 毅,葉觀寶,樊 皝

(1.浙江交投高速公路建設(shè)管理公司,浙江 杭州 310024; 2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092)

0 引言

為了適應(yīng)城市建設(shè)和交通工程的需要,預(yù)應(yīng)力管樁被廣泛應(yīng)用于軟土地區(qū)。預(yù)應(yīng)力管樁常用錘擊法、靜壓頂壓法和靜壓抱壓法進(jìn)行施工,具有承載力高、穿透能力強(qiáng)、施工速度快、污染小等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。然而,預(yù)應(yīng)力管樁也具有隱蔽工程的特點(diǎn),工序繁雜,工藝流程銜接緊密,易出現(xiàn)樁身傾斜、樁頂移位等問(wèn)題,給工程質(zhì)量監(jiān)管帶來(lái)了困難[4-5]。

目前對(duì)于預(yù)應(yīng)力管樁樁身質(zhì)量的管控措施主要是施工期間的人工旁站監(jiān)督和施工結(jié)束后的樁身質(zhì)量抽樣檢測(cè)[6-9]。但施工期間的人工旁站監(jiān)督很難對(duì)管樁樁身質(zhì)量進(jìn)行全面把控;施工后的樁身質(zhì)量抽樣檢測(cè)往往存在一定的滯后性,沉樁完成后如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題難以采取有效的補(bǔ)救措施;同時(shí)受抽樣比例限制,樁身質(zhì)量隨機(jī)抽檢難以實(shí)現(xiàn)所有樁的質(zhì)量管控。因此,有必要對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁施工開(kāi)展全過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究,從而掌握每根預(yù)應(yīng)力管樁的施工質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)全過(guò)程質(zhì)量控制。

近年來(lái),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展,在隱蔽工程質(zhì)量監(jiān)管方面的應(yīng)用被逐漸推廣,基本實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁施工全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),但目前相關(guān)研究較少,尚未形成完整、系統(tǒng)的監(jiān)控體系?；诖?本文介紹一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軟土地基處理方法施工全過(guò)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)跟蹤預(yù)應(yīng)力管樁施工過(guò)程中的數(shù)據(jù),并提供反饋和實(shí)時(shí)處理結(jié)果,可有效提高隱蔽工程施工質(zhì)量管理水平,創(chuàng)新工程管理理念和方式,提高工程管理的科學(xué)性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)前端

靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控管樁施工過(guò)程中的時(shí)間、樁長(zhǎng)、樁位、壓樁力、深度、傾斜度等,并實(shí)時(shí)記錄和分析數(shù)據(jù)。通信結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)如圖1,2所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)Fig.1 Communication structure of intelligent monitoring system

圖2 智能監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)示意Fig.2 Intelligent monitoring system on site

靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分包括監(jiān)控記錄儀、傾角傳感器、深度傳感器和壓力傳感器,基本信息如表1所示。當(dāng)設(shè)備滿足施工條件時(shí),按照要求安裝各傳感器并采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),采集數(shù)據(jù)前需對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,確保采集數(shù)據(jù)的合理性和有效性。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵儀器設(shè)備Table 1 Key instruments and equipment for monitoring system

1.1 監(jiān)控記錄儀

靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁施工記錄儀應(yīng)安裝在鉆機(jī)操作平臺(tái)上合適位置處,便于工作人員觀察和操作,操作界面如圖3所示。使用時(shí)需將傾角傳感器、深度傳感器和壓力傳感器分別連接到主機(jī)側(cè)板的對(duì)應(yīng)接口,并連接電源線,電源線另一端插入220V的交流電源。

圖3 靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁監(jiān)控記錄儀系統(tǒng)操作Fig.3 System operation of static pressure prestressedpipe pile monitoring recorder

1.2 傾角傳感器

傾角傳感器一般安裝在轉(zhuǎn)架上,頂壓樁機(jī)安裝在樁管夾具上部和軌道滑輪附近。傾角傳感器的安裝只需搭配固定底座即可完成,用焊機(jī)將鐵塊焊接到鉆架高度1/5處,然后用2根φ4螺桿將傾角傳感器固定到鐵塊上。傾角傳感器通過(guò)測(cè)量前后向和左右向2個(gè)方向的角度,確保鉆桿與地面的垂直度始終符合設(shè)計(jì)和施工要求。

1.3 深度傳感器

深度傳感器由光電編碼器和傳動(dòng)部件機(jī)座組成,光電編碼器通過(guò)傳動(dòng)滾輪傳動(dòng),傳動(dòng)滾輪由傳動(dòng)部件帶動(dòng)。靜壓抱壓法中,靜壓抱壓樁機(jī)通過(guò)2個(gè)無(wú)線測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2個(gè)傳感器之間的距離數(shù)據(jù),若夾持油路油壓傳感器和下壓油路油壓傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù),且數(shù)據(jù)值大于預(yù)設(shè)數(shù)值,此時(shí)無(wú)線測(cè)距傳感器記錄2個(gè)測(cè)距傳感器之間的距離;在持續(xù)下壓過(guò)程中,每隔5s或25cm(取決于使用的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn))記錄一次距離數(shù)據(jù);完成所有壓樁過(guò)程后,累計(jì)位移即為這根樁的壓樁深度。

1.4 壓力傳感器

拆卸液壓管道上原有的油管,通過(guò)三通將壓力傳感器安裝上去。大部分靜力壓樁機(jī)的靜壓力來(lái)自于液壓機(jī)構(gòu),通過(guò)壓力傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控油壓變化,判斷樁機(jī)狀態(tài),并記錄其夾抱狀態(tài)和壓樁、拔樁狀態(tài),輔助深度傳感器測(cè)量壓樁深度。

2 監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)

在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求指導(dǎo)下,傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁機(jī)工作情況,實(shí)現(xiàn)管樁施工全過(guò)程監(jiān)控,避免了人工干預(yù)的影響。施工期間傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)上傳平臺(tái),支持施工現(xiàn)場(chǎng)記錄儀、PC端、手機(jī)APP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步展示,實(shí)時(shí)預(yù)警及反饋處理,過(guò)程數(shù)據(jù)回放。

2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)傳感器跟蹤管樁施工全過(guò)程(見(jiàn)圖4),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集和上傳數(shù)據(jù),支持每根樁施工全過(guò)程可視化模擬和多速率(正常、快速、極速)回放。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)Fig.4 Real-time data monitoring platform

2.2 生產(chǎn)記錄

監(jiān)控平臺(tái)存儲(chǔ)預(yù)應(yīng)力管樁施工全過(guò)程的數(shù)據(jù)記錄,可自動(dòng)生成數(shù)據(jù)列表和曲線圖,如樁位、垂直度、深度-時(shí)間曲線、深度-壓力曲線等(見(jiàn)圖5),通過(guò)全過(guò)程生產(chǎn)記錄實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可反饋和可追溯。

圖5 生產(chǎn)記錄Fig.5 Production record

2.3 預(yù)警系統(tǒng)

靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁施工全過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)預(yù)警處理,基于提前錄入的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)判斷施工過(guò)程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)并報(bào)警顯示,通過(guò)短信或郵件等方式向相關(guān)人員推送,支持預(yù)警系統(tǒng)閉環(huán)工作。

同時(shí),設(shè)立各級(jí)監(jiān)控中心,遠(yuǎn)程監(jiān)控施工過(guò)程并提供數(shù)字化展示。管樁開(kāi)始施工后,監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁機(jī)工作情況,將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心,一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),監(jiān)控中心將及時(shí)反饋至施工現(xiàn)場(chǎng),查明異常原因,采取必要的解決措施。監(jiān)控中心控制整個(gè)系統(tǒng),可同時(shí)監(jiān)控分布于各個(gè)項(xiàng)目的對(duì)應(yīng)系統(tǒng)。用戶登錄平臺(tái)輸入指令可獲取施工數(shù)據(jù),還可直接打印基于數(shù)據(jù)生成的各類圖表,以形成報(bào)表。施工現(xiàn)場(chǎng)記錄儀可存儲(chǔ)施工信息,采集的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)服務(wù)器,可隨時(shí)調(diào)閱查看。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介

瑞蒼高速公路龍麗溫至甬臺(tái)溫復(fù)線聯(lián)絡(luò)線工程項(xiàng)目位于浙南低山區(qū)和沿海丘陵平原區(qū),水網(wǎng)密布,軟土分布廣泛,軟基處理形式多樣,工程量大,施工周期長(zhǎng)。聯(lián)絡(luò)線軟土主要分布在海積平原區(qū),K18+618—K22+900(軟土厚度13～19m)、 K24+610—K24+765(軟土厚度1～3m)、K25+005—K27+660(軟土厚度14～24m)、K28+810—K39+687.361路段軟土厚度超過(guò)20m。全線軟基路段總計(jì)17 969.361m。

軟土地基施工是本項(xiàng)目的重點(diǎn),其質(zhì)量保障是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。為避免和及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的樁身傾斜、樁頂移位、壓樁力過(guò)大等問(wèn)題,本項(xiàng)目全面應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁施工全過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng),遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控施工進(jìn)程。

3.2 施工質(zhì)量控制要求

本文基于瑞蒼高速第2,3,4標(biāo)段施工圖設(shè)計(jì)方案中預(yù)應(yīng)力管樁施工質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目(見(jiàn)表2)對(duì)各標(biāo)段施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行施工質(zhì)量檢驗(yàn)。

表2 預(yù)應(yīng)力管樁施工質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目Table 2 Construction quality inspection items of PHC piles

預(yù)應(yīng)力管樁施工設(shè)計(jì)要求最大單樁承載力設(shè)計(jì)值<1 000kN,樁間距允許誤差值為±100mm,樁體垂直度≤1%,樁身無(wú)明顯缺陷。第2標(biāo)段設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)21～22m,設(shè)計(jì)壓樁力481～489kN;第3標(biāo)段設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)30～48m,設(shè)計(jì)壓樁力255～2 011kN;第4標(biāo)段設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)31～42m,設(shè)計(jì)壓樁力667～1 501kN。

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.3.1第2標(biāo)段

第2標(biāo)段SK0+209—SK0+060_674號(hào)管樁樁長(zhǎng)、壓力、最大壓力隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。該樁樁間距2.4m,成樁時(shí)間964s。平均壓樁力560.18kN,大于設(shè)計(jì)壓樁力481kN,滿足要求;施工樁長(zhǎng)21.74m,大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)21m,滿足要求;最大垂直度0.21%,小于1%,滿足要求。

圖6 SK0+209—SK0+060_674號(hào)管樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring data of pipe pile SK0+209—SK0+060_674

第2標(biāo)段SK0+209—SK0+060_669號(hào)管樁樁長(zhǎng)、壓力、最大壓力隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。該樁樁間距2.7m,成樁時(shí)間770s。平均壓樁力506.17kN,大于設(shè)計(jì)壓樁力481kN,滿足要求;施工樁長(zhǎng)21.06m,大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)21m,不滿足要求;最大垂直度0.26%,小于1%,滿足要求。

圖7 SK0+209—SK0+060_669號(hào)管樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring data of pipe pile SK0+209—SK0+060_669

第2標(biāo)段CK0+718.283—CK0+689.5_D1274號(hào)管樁樁長(zhǎng)、壓力、最大壓力隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。該樁樁間距2m,成樁時(shí)間1 053s。平均壓樁力628kN,大于設(shè)計(jì)壓樁力481kN,滿足要求;施工樁長(zhǎng)19.30m,小于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)21m,不滿足設(shè)計(jì)要求;最大垂直度1.12%,大于1%,不滿足要求。

圖8 CK0+718.283—CK0+689.5_D1274號(hào)管樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.8 Monitoring data of pipe pile CK0+718.283—CK0+689.5_D1274

3.3.2第3標(biāo)段

第3標(biāo)段AK0280—AK0330_D1536號(hào)管樁樁長(zhǎng)、壓力、最大壓力隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。該樁樁間距2.3m,成樁時(shí)間1 367s。平均壓樁力 1 158.66kN, 大于設(shè)計(jì)壓樁力1 124kN,滿足設(shè)計(jì)要求;施工樁長(zhǎng)40.05m,大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)40m,滿足設(shè)計(jì)要求;最大垂直度0.07%,小于1%,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 AK0280—AK0330_D1536號(hào)管樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.9 Monitoring data of pipe pile AK0280—AK0330_D1536

第3標(biāo)段AK0280-AK0330_D1523號(hào)管樁樁長(zhǎng)、壓力、最大壓力隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。該樁樁間距2.9m,成樁時(shí)間1 372s。平均壓樁力941.06kN,小于設(shè)計(jì)壓樁力1 124kN,不滿足設(shè)計(jì)要求;施工樁長(zhǎng)40.20m,大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)40m,滿足要求;最大垂直度0.03%,滿足要求。

圖10 AK0280—AK0330_D1523號(hào)管樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.10 Monitoring data of pipe pile AK0280—AK0330_D1523

第3標(biāo)段AK0+592-AK0+658_7398號(hào)管樁樁長(zhǎng)、壓力、最大壓力隨時(shí)間變化曲線如圖11所示。該樁樁間距1.6m,成樁時(shí)間956s。平均壓樁力 3 849.01kN, 大于設(shè)計(jì)壓樁力437kN,滿足要求;施工樁長(zhǎng)34.02m,大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)34m,不滿足設(shè)計(jì)要求;最大垂直度0.21%,小于1%,滿足要求。

圖11 AK0+592—AK0+658_7398號(hào)管樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.11 Monitoring data of pipe pile AK0+592—AK0+658_7398

3.3.3第4標(biāo)段

第4標(biāo)段HKO+325—HKO+424_3A59號(hào)管樁樁長(zhǎng)、壓力、最大壓力隨時(shí)間變化曲線如圖12所示。該樁樁間距2.3m,成樁時(shí)間722s。平均壓樁力987.22kN,大于設(shè)計(jì)壓樁力686kN,滿足設(shè)計(jì)要求;施工樁長(zhǎng)32.27m,大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)32m,滿足設(shè)計(jì)要求;最大垂直度0.12%,小于1%,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 HKO+325-HKO+424_3A59號(hào)管樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.12 Monitoring data of pipe pile HKO+325-HKO+424_3A59

第4標(biāo)段AK0480-AK0577_1526號(hào)管樁樁長(zhǎng)、壓力、最大壓力隨時(shí)間變化曲線如圖13所示。可知該樁樁間距2.7m,成樁時(shí)間643s。平均壓樁力810.12kN,大于設(shè)計(jì)壓樁力686kN,滿足設(shè)計(jì)要求;施工樁長(zhǎng)32.09m,小于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)32m,不滿足設(shè)計(jì)要求;最大垂直度0.11%,小于1%,滿足要求。

圖13 AK0480—AK0577_1526號(hào)管樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.13 Monitoring data of pipe pile AK0480—AK0577_1526

4 結(jié)語(yǔ)

1)靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁施工全過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)包括前端和管理平臺(tái)兩部分。監(jiān)控系統(tǒng)前端由監(jiān)控記錄儀、傾角傳感器、深度傳感器和壓力傳感器組成,可對(duì)管樁施工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)采集施工數(shù)據(jù)并自動(dòng)上傳。監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)通過(guò)傳感器對(duì)管樁施工全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、記錄和反饋,實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程可視化模擬和數(shù)據(jù)回放。

2)工程實(shí)踐表明,該監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁施工全過(guò)程的實(shí)時(shí)追蹤與反饋,并對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管樁施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的諸如管樁不垂直、壓樁力過(guò)大、壓樁速度過(guò)快、壓樁樁長(zhǎng)不足等問(wèn)題并提供報(bào)警信息。有效規(guī)避了傳統(tǒng)施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法在隱蔽工程中應(yīng)用時(shí)存在的滯后性和片面性等局限,提高了預(yù)應(yīng)力管樁施工質(zhì)量的真實(shí)性和有效性。

3)將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁施工全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到隱蔽工程的監(jiān)測(cè)中,可獲取所有管樁的詳細(xì)施工數(shù)據(jù)和圖表信息。進(jìn)一步結(jié)合大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)信息化施工,研究建立樁身質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體系和單樁承載力預(yù)測(cè)模型,可實(shí)現(xiàn)管樁施工質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和全面把控,極大地提升施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平,提高工程質(zhì)量管理的科學(xué)性和合理性,創(chuàng)新工程管理理念和管理方式。