趙明時(shí)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引言

水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑，將其與軟土攪拌，并形成具有一定強(qiáng)度及穩(wěn)定性的加固體。特別是水泥土雙向攪拌樁，與傳統(tǒng)水泥土攪拌樁相比，能夠有效解決冒漿問題，大幅度提高地基加固效果[1]。由于水泥土雙向攪拌樁施工具有造價(jià)低、工期短及土體加固效果好等優(yōu)點(diǎn)，水泥土雙向攪拌樁加固土體成為目前最為廣泛的軟基處理方法之一[2]。

目前我國水泥土雙向攪拌樁的施工多采用手動操作，施工現(xiàn)場隱蔽性強(qiáng)，可視性效果差，因此，在水泥土雙向攪拌樁施工過程中常常會發(fā)生水泥粉（漿）沿樁體的分布不均勻等情況，從而降低樁體施工質(zhì)量，影響軟基加固效果[3-4]。傳統(tǒng)的水泥土雙向攪拌樁施工方法已經(jīng)落后于工程人員對于軟基處理的要求和標(biāo)準(zhǔn)[5]，因此，本文以水泥土雙向攪拌樁智能化施工為研究對象，將水泥土雙向攪拌樁施工數(shù)字化、可視化，進(jìn)而提升施工的精準(zhǔn)性和可靠性[6]。

1 工程背景

引江濟(jì)淮工程（安徽段）白山船閘項(xiàng)目水泥土攪拌樁總計(jì)約380萬延米，占工程總產(chǎn)值的40 %，同時(shí)作為堤防防護(hù)樁要兼?zhèn)淇辜粢?。目前國?nèi)水泥土雙向攪拌樁施工工藝有兩種，分別為干法和濕法。當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0 %時(shí)宜采用濕法施工，當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓看笥?0 %時(shí)宜采用干法施工。根據(jù)本工程實(shí)際地質(zhì)情況（W=44.9 %），結(jié)合水泥土雙向攪拌樁工藝性試樁成果，白山船閘軟基處理工程水泥土雙向攪拌樁采用干法施工工藝。

2 智能化施工工藝

2.1 工藝原理

水泥土雙向攪拌樁樁機(jī)的動力系統(tǒng)分別帶動安裝在內(nèi)外同心鉆桿上的兩組攪拌葉片同時(shí)、同速正、反雙向切土，使鉆機(jī)在施工過程中形成全程復(fù)攪，充分?jǐn)嚢柰馏w，從而提高樁體攪拌的均勻性，增加樁身強(qiáng)度，并能有效改善復(fù)合地基的承載特性，提高軟土地基的承載力。

水泥土雙向攪拌樁智能化施工是通過智能樁機(jī)、云端服務(wù)器和信息傳輸系統(tǒng)對成樁深度、噴灰壓力、噴灰量、內(nèi)、外鉆桿電流和樁機(jī)機(jī)架垂直度進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸至監(jiān)控主機(jī)，供監(jiān)控主機(jī)完成分析與控制工作，同時(shí)對傳感器采集的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與設(shè)定的報(bào)警限值進(jìn)行對比，如超出報(bào)警限值則響起警報(bào)，督促現(xiàn)場操作人員及時(shí)檢查糾正。通過通信網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)，憑借網(wǎng)絡(luò)信息的查詢、雙向傳輸、實(shí)時(shí)匯總到施工控制研究中心，經(jīng)過智能化系統(tǒng)的分析計(jì)算與實(shí)時(shí)化、智能化的決策控制，實(shí)現(xiàn)水泥土雙向攪拌樁智能化施工控制。同時(shí)采集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，通過PC端及移動端訪問，對現(xiàn)場施工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖1所示。

圖1 智能化施工原理

2.2 設(shè)備及功能

水泥土雙向攪拌樁智能化施工所需設(shè)備及功能如下：

1）智能操作電氣箱：是水泥土雙向攪拌樁智能化施工的核心部件，是施工控制中心，能夠?qū)崿F(xiàn)通過通信網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過系統(tǒng)的分析計(jì)算與決策控制，實(shí)現(xiàn)水泥土雙向攪拌樁智能化施工。

2）全自動灰罐：配備稱重傳感器、壓力傳感器及自動化操作氣閥、蝶閥等設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)自動送灰、泄壓上料、噴灰量控制及數(shù)據(jù)上傳等功能。

3）絞龍：一端與全自動灰罐連接，一端與水泥罐連接，通過信號線與控制中心進(jìn)行信息傳輸，能夠根據(jù)所需灰量進(jìn)行自動供灰。

4）螺桿式空壓機(jī)：粉噴樁施工的送氣、送灰及壓力來源，能夠根據(jù)氣壓變化自動進(jìn)行供氣、停氣功能。

5）儲氣罐：與空壓機(jī)連接，主要起儲存空氣、穩(wěn)定氣壓的作用。

6）干燥機(jī)：對施工所用的空氣進(jìn)行干燥，防止空氣中水分與水泥接觸造成水泥結(jié)塊造成堵管等現(xiàn)象。

7）監(jiān)控系統(tǒng)：樁機(jī)、云端服務(wù)器和信息傳輸系統(tǒng)對成樁深度、噴粉量、內(nèi)、外鉆桿電流和樁機(jī)機(jī)架垂直度進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)有線傳輸至監(jiān)控主機(jī)，供監(jiān)控主機(jī)完成分析與控制工作，對傳感器采集的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與設(shè)定的報(bào)警限值進(jìn)行對比，如超出報(bào)警限值則響起警報(bào)，督促現(xiàn)場操作人員及時(shí)檢查糾正，如圖2所示。

圖2 智能化施工監(jiān)控界面

8）PC端及移動端：通過網(wǎng)址訪問云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對施工現(xiàn)場每臺樁機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 主要施工工藝

樁機(jī)按照測量點(diǎn)位移動至施工位置后，由樁機(jī)操作手輸入樁基編號，開始進(jìn)行樁基施工，樁基施工采用兩攪一噴（下鉆時(shí)邊攪拌邊噴灰、提鉆時(shí)只攪拌不噴灰）施工工藝，相關(guān)控制均通過氣閥啟閉完成。水泥土雙向攪拌樁智能化施工示意如圖3。

圖3 智能化施工示意

1）下鉆

樁機(jī)下鉆時(shí)③排壓閥、⑤補(bǔ)料閥處于閉合狀態(tài)，④補(bǔ)壓閥處于開啟狀態(tài)，①噴灰閥及②噴氣閥交替啟閉，完成噴灰作業(yè)。具體工藝如下：

灰罐③排壓閥、⑤補(bǔ)料閥、絞龍關(guān)閉，④補(bǔ)壓閥打開，內(nèi)外鉆桿正常運(yùn)行，鉆桿下鉆進(jìn)入地面以下20 cm（空鉆深度，可變）后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定開始自動噴灰、噴氣，設(shè)定每米所需灰量為63 kg，空鉆時(shí)系統(tǒng)只設(shè)定間隔噴氣作業(yè)，以避免鉆桿堵桿。當(dāng)鉆進(jìn)深度大于空鉆長度后，系統(tǒng)執(zhí)行噴灰流程，每米0～80 cm設(shè)定噴灰時(shí)長為1 s，噴氣時(shí)長為2 s，系統(tǒng)計(jì)算時(shí)長1.5 s，每次噴灰量約為10～15 kg，噴灰、噴氣交替進(jìn)行，0～80 cm時(shí)噴灰、噴氣循環(huán)間隔時(shí)間不定，（根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算自動調(diào)整噴灰間隔時(shí)間，計(jì)算間隔時(shí)間超過7 s自動進(jìn)行一次噴氣作業(yè)，以防鉆頭噴灰孔阻塞），80～100 cm設(shè)定噴灰時(shí)間為0.3～0.5 s，噴氣時(shí)間為2 s，以實(shí)現(xiàn)計(jì)量精度，系統(tǒng)根據(jù)鉆桿下鉆深度運(yùn)算當(dāng)前位置所需灰量與已噴灰量對比，當(dāng)已噴灰量與所需灰量差值大于噴灰參數(shù)（可變）并且已噴灰量未達(dá)到設(shè)定的每米所需灰量63 kg時(shí)，延遲1.5 s（可變）系統(tǒng)自動執(zhí)行噴灰、噴氣循環(huán)，噴灰、噴氣時(shí)間根據(jù)每米鉆進(jìn)深度自動切換，每米0～80 cm噴灰、噴氣頻率低，每次灰量大，每米80～100 cm噴灰噴氣頻率高，每次灰量小；系統(tǒng)計(jì)算每米噴灰量并實(shí)時(shí)打印出已完成每米灰量、時(shí)間；當(dāng)鉆進(jìn)深度大于設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度時(shí)，系統(tǒng)自動切換只執(zhí)行噴氣作業(yè)。

2）提鉆

樁機(jī)提鉆時(shí)①噴灰閥、④補(bǔ)壓閥處于閉合狀態(tài)，③排壓閥、⑤補(bǔ)料閥處于開啟狀態(tài)至灰罐內(nèi)水泥達(dá)到設(shè)定量（1 300 kg）后關(guān)閉（此工作在提鉆完成前結(jié)束），②噴氣閥間隔性啟閉送氣直至提鉆完成。具體工藝如下：

操作人員按下提鉆控制按鈕后，系統(tǒng)自動判斷當(dāng)前灰罐重量是否大于工程樁所需灰量，灰罐重量小于工程樁所需灰量時(shí)，灰罐③排壓閥打開將灰罐內(nèi)空氣排出，當(dāng)壓力小于20 kPa后，延時(shí)10 s打開⑤補(bǔ)料閥，⑤補(bǔ)料閥打開后延時(shí)5 s打開絞龍，為灰罐補(bǔ)料，補(bǔ)料過程設(shè)備提鉆噴氣繼續(xù)作業(yè)，③排壓閥一直開啟；當(dāng)灰罐重量達(dá)到設(shè)定重量后（1 300 kg），系統(tǒng)自動關(guān)閉絞龍，延時(shí)7 s后，關(guān)閉③排壓閥及⑤補(bǔ)料閥，5 s打開④補(bǔ)壓閥，為灰罐補(bǔ)充壓力，灰罐補(bǔ)料過程在設(shè)備提鉆過程進(jìn)行。

提鉆完成后，前臺自帶微型打印機(jī)打印施工小票，樁機(jī)移位至下一施工位置繼續(xù)進(jìn)行樁基作業(yè)。

樁機(jī)施工全過程數(shù)據(jù)均可在樁機(jī)智能化施工前臺顯示供操作手作為操作依據(jù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)同步傳輸至PC端及移動端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖4所示。

圖4 PC端智能化施工監(jiān)控

2.4 施工控制要點(diǎn)

水泥土雙向攪拌樁智能化施工中最主要的兩個(gè)影響因素為人為因素和設(shè)備因素。

1）目前市場上水泥土攪拌樁施工主要以手動操作為主，操作手文化程度較低，對自動化操作控制學(xué)習(xí)接受能力低，要加強(qiáng)培訓(xùn)。

2）所有攪拌樁機(jī)在智能化操控系統(tǒng)安裝前要確保設(shè)備性能穩(wěn)定，在電流表、電壓表、壓力表、電子秤等裝置安裝完成后要重新進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定并定時(shí)校核。

3）每臺設(shè)備均要配備完整的計(jì)量監(jiān)測自動記錄系統(tǒng)，對深度、流量、壓力、電流、傾斜度等各個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行自動監(jiān)測、自動記錄及打印。

4）確保后臺設(shè)備的封閉性（尤其是灰罐和絞龍的軟連接處），防止水泥受潮結(jié)塊堵塞噴灰管，影響施工效率。

3 工藝實(shí)施效果

本工程將水泥土雙向攪拌樁的傳統(tǒng)手動施工和智能化施工進(jìn)行比較試驗(yàn)，并對樁體進(jìn)行取芯完整率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、標(biāo)貫試驗(yàn)，結(jié)果如下。

3.1 取芯完整率

采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁14 d齡期取芯率平均為92.69 %，28 d齡期取芯率平均為93.51 %。采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁14 d齡期取芯率平均為82.81 %，28 d齡期取芯率平均為87.77 %。即采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁取芯完整率要優(yōu)于采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁取芯完整率。

圖5 取芯完整率對比

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁14 d抗壓強(qiáng)度為2.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為3.1 MPa。采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁14 d抗壓強(qiáng)度為1.8 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為2.6 MPa。即采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比

3.3 標(biāo)貫試驗(yàn)

采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁樁身貫入擊數(shù)總體上較高，貫入擊數(shù)均在30擊以上。采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁在深度3～5 m范圍內(nèi)，標(biāo)貫擊數(shù)偏低，為6.44～13.76擊，其它深度貫入擊數(shù)一般在30擊左右。即采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁貫入擊數(shù)要優(yōu)于采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁貫入擊數(shù)。

綜上試驗(yàn)結(jié)果，采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁樁體質(zhì)量優(yōu)于采用傳統(tǒng)手動施工的水泥土雙向攪拌樁樁體質(zhì)量。

4 結(jié)語

利用水泥土雙向攪拌樁智能化施工完成了白山船閘項(xiàng)目軟基處理，地基處理效果較好，且采用智能化施工的水泥土雙向攪拌樁取芯完整率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、標(biāo)貫擊數(shù)均優(yōu)于傳統(tǒng)手動施工，有效的保障了地基處理的施工質(zhì)量。

水泥土雙向攪拌樁智能化施工以數(shù)字化、可視化及高效性等優(yōu)勢得到行業(yè)內(nèi)工程人員的認(rèn)可，是軟基處理，特別是水泥土攪拌樁依托計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)進(jìn)一步提升的契機(jī)，也是社會發(fā)展的必然產(chǎn)物，可供其他類似工程借鑒，具有較高的社會價(jià)值和推廣前景。