韓建偉，梁偉英

（1、廣西建筑科學研究設計院 南寧 530011；2、廣西建設職業(yè)技術(shù)學院 南寧 530007）

0 引言

靜壓樁以施工噪音低、振動小，施工質(zhì)量易控制，經(jīng)濟效益好等優(yōu)點在巖土工程、海洋工程等領域等到廣泛應用［1-2］。在靜壓樁施工過程中，樁位的測量與確定通常采用全站儀或經(jīng)緯儀，由人工現(xiàn)場放線并引導壓樁機進行施工作業(yè)。然而，傳統(tǒng)的靜壓樁定位方法容易受到天氣、距離、儀器控制等諸多因素的影響。同時，由人工現(xiàn)場監(jiān)控、引導無法精確控制壓樁機位置，且難以實現(xiàn)對樁位確定、樁架調(diào)整、樁桿貫入等過程的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，對施工質(zhì)量、進度和經(jīng)濟效益等造成嚴重影響［3］。

近年來，隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Naviga?tion Satellite System，GNSS）的不斷發(fā)展，GNSS 在工程放樣、地形測量等工程領域得到越來越廣泛的應用。GNSS 定位技術(shù)具有測量精度高、采樣頻率高、自動化程度高的“三高”優(yōu)勢［4-8］。除進行空間三維測量外，GNSS 還可獲取精度達3.0×10-5s 的時間信息，實現(xiàn)四維測量［5］。同時，GNSS 不受氣候條件限制，在惡劣天氣中仍能保持正常工作［9-10］。

基于此，本文研發(fā)基于GNSS 定位技術(shù)的靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)，詳細介紹系統(tǒng)組成和操作流程，并通過現(xiàn)場試驗對比分析了傳統(tǒng)定位工法和智能引導控制系統(tǒng)的靜壓樁施工效果。

1 靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成與基本原理

靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)主要由定位模塊、定位引導處理模塊和監(jiān)測模塊組成。如圖1 所示，基于GNSS 技術(shù)，通過現(xiàn)場基站或地方CORS 系統(tǒng)（連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)）為車載系統(tǒng)提供定位信息，從而引導靜壓樁樁機進行壓樁施工。

圖1 靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Basic Principles of Intelligent Localization Control System for Static Pile Driver

定位模塊由GNSS 雙天線定位接收機、定位天線和GNSS 基站接收機組成，如圖2 所示。雙天線GNSS定位接收機和基站GNSS接收機通過線纜接入定位天線，接收機之間通過內(nèi)置的無線電臺通訊模塊交互位置信息，由各自內(nèi)置的GNSS板卡解算位置信息，得到高精度定位信息。定位天線與雙天線GNSS定位接收機連接并安裝于靜壓樁樁機上，用于獲取壓樁機位置、航向等定位信息。

圖2 靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Components of Intelligent Localization Control System for Static Pile Driver

定位引導處理模塊為安裝在車載終端的內(nèi)置定位軟件，通過接受、處理定位信息對壓樁機進行引導。監(jiān)測模塊是安裝在平板電腦端的數(shù)據(jù)處理軟件，通過車載平板終端軟件分析解算的數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議形式無線傳輸?shù)狡桨咫娔X端，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

1.2 系統(tǒng)操作流程

首先，通過三腳架將GNSS 天線架設在施工現(xiàn)場選取的控制點上，架設無線電天線，并連接接收機和無線電主機（見圖3）。1 個基站可為多臺靜壓樁樁機提供定位導航信息，無線傳輸?shù)母采w范圍在空曠區(qū)域可達到4.0 km 左右，市區(qū)內(nèi)可達3.0 km。如圖4所示，將GNSS 雙天線定位接收機、無線信號接收天線和顯示終端安裝在靜壓樁樁機上。

圖3 基站設備連接示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Connections for the Base Station

圖4 車載設備連接安裝示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Installation for Vehicle Equipment

然后，在施工現(xiàn)場選取3～4 個測量控制點進行校準，確保定位誤差在允許范圍內(nèi)。在完成場地平整、靜壓樁成品和設備檢查后，將包含靜壓樁定位信息的CAD 文件導入系統(tǒng)后便可開始壓樁施工。施工完成后，系統(tǒng)軟件還可根據(jù)要求輸出靜壓樁施工的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息。

2 現(xiàn)場試驗研究

2.1 現(xiàn)場試驗介紹

位于廣西南寧的某商住樓工程，地貌單元屬南寧盆地邕江Ⅰ級階地，根據(jù)現(xiàn)場勘探，場地土層的分布情況和物理力學參數(shù)如表1所示。采用外徑500 mm、內(nèi)徑300 mm 的預應力混凝土管樁對地基進行加固，樁身混凝土等級為C60，靜壓施工。

表1 各土層物理參數(shù)Tab.1 Mechanical Parameters of Soil

為研究靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)的施工效果，選取2臺型號相同的液壓靜力壓樁機，一組通過全站儀和鋼尺進行人工定位，另一組采用本文研發(fā)的智能引導控制系統(tǒng)對壓樁機進行定位引導。通過在同一工程近似環(huán)境中開展壓樁施工，對比分析傳統(tǒng)的全站儀定位法和智能引導控制系統(tǒng)的靜壓樁施工效果。

2.2 試驗結(jié)果分析

基于全站儀定位方法和智能引導控制系統(tǒng)進行靜壓樁施工的樁體定位數(shù)據(jù)分別如表2 和表3 所示。由表2 可知，采用全站儀對靜壓樁施工進行地位，樁體的實際定位信息與設計值存在較大偏差，平面內(nèi)最大偏差為10.8 cm，高程最大偏差為8.4 cm，水平坐標和高程偏差的平均值分別為6.61 cm、6.90 cm 和6.69 cm。如表3 所示，采用智能引導控制系統(tǒng)可將靜壓樁定位偏差控制在3.0 cm 以內(nèi)，水平坐標和高程偏差的平均值分別為1.21 cm、1.10 cm 和1.46 cm。對比分析發(fā)現(xiàn)，采用基于GNSS定位技術(shù)的壓樁機智能引導控制系統(tǒng)能有效減小靜壓樁定位偏差，顯著提高施工精度。

表2 基于全站儀測得的靜壓樁定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析Tab.2 Locating Data for Static Pressure Piles Based on Total Station

表3 基于智能引導控制系統(tǒng)的靜壓樁定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析Tab.3 Locating Data for Static Pressure Piles Based on Intelligent Localization Control System

根據(jù)施工進度的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，采用全站儀定位法的靜壓樁平均施時間為37.9 min∕根，而基于智能引導控制系統(tǒng)的靜壓樁平均施工時間為32.7 min∕根，相較于傳統(tǒng)的全站儀定位方法，單根靜壓樁的施工時間減少了13.7%，明顯提升施工效率，節(jié)約工期。與此同時，采用基于GNSS定位技術(shù)的靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)還可以減少約20.0%的人工成本，大大提高了工程經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

本文基于GNSS 定位技術(shù)建立靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)基本原理和操作流程，對比傳統(tǒng)壓樁機定位方法，利用現(xiàn)場試驗研究智能引導控制系統(tǒng)的靜壓樁施工效果。主要結(jié)論如下：①采用基于GNSS 定位技術(shù)的智能引導控制系統(tǒng)能有效減小靜壓樁定位偏差，將偏差絕對值控制在3.0 cm 以內(nèi)，顯著提高靜壓樁施工精度；②靜壓樁樁機智能引導控制系統(tǒng)能縮短單樁施工時間，顯著提升施工效率，同時還能有效降低人工成本，進一步提高工程經(jīng)濟效益。本文研究成果可對相關(guān)工程起到一定啟示和借鑒作用，具有重要的工程實踐價值。