三轴搅拌桩智能监测技术研究与应用

摘要:本文主要讲述了在三轴搅拌桩施工管理过程中，通过启用智能监测技术更好地保证工程质量、安全、进度、成本建设目标的顺利实现，有效地改善水泥土桩施工过程中存在的问题。并且深入的讨论了三轴搅拌桩智能监测技术的系统原理。

关键词: 水泥搅拌桩；物联网技术；在线监测系统 

0 引言

自水泥土搅拌桩技术问世以来，由于其在软土加固方面表现出色、施工机械简便、施工速度快、造价较为经济、对环境影响较小等诸多优势，得到了广泛应用，然而在水泥土桩施工管理过程中，长期存在量测技术落后、人为因素

影响质量、技术与实际难结合等问题。

2021年到2030年是民航局四型机场建设全面推进的新阶段，也是浦东机场四期工程建设的高峰期。智慧机场建设基于数字化技术云平台、智能视频分析、建筑信息模型等新技术，驱动施工现场管理升级。通过工程建设过程中对关键工作进行智能化管理，可实现浦东机场四期工程建设的网联化、可视化、协同化、智能化、精细化管理。三轴搅拌桩智能在线监测系统作为浦东机场四期工程智慧机场建设的一部分，很好地改善了水泥土桩施工过程中存在的管理问题，对以后的行业发展起到了积极的作用。

1. 工程概况

（1）工程名称：上海浦东国际机场四期扩建飞行区工程（一阶段）场道及附属设施工程(一标段)——西南远客机坪等场道及附属设施工程。

（2）基本参数：三轴水泥土搅拌桩，单桩桩径0.65m，搭接0.2m，桩长10m⁓21m，布桩间距为2.9mx2.5m，相邻两排交错布置，采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺量15%，水灰比1：1.2。

（3）工程部位：道面影响区深层地基处理。上海浦东国际机场四期扩建飞行区工程（一阶段）场道及附属设施工程(一标段)——西南远客机坪等场道及附属设施工程位于浦东国际级机场一、三跑道南侧，工程场地软弱土层厚度大，在道面荷载作用下沉降较大，且易发生不均匀沉降。因此必须对场道工程道面影响区范围内的软弱地基土进行深层处理，解决地基土的沉降量及不均匀沉降问题。

鉴于水泥搅拌桩在浦东机场三期场道工程地基处理应用中取得的良好效果，设计在该工程中继续采用了三轴搅拌桩对道面影响区范围内的软土地基进行深层处理。

（4）智能在线监测系统应用

该工程水泥搅拌桩地基处理面积为9.4万平方米，设计搅拌桩数量为13000根，计划施工工期为4个月。由于该工程三轴搅拌桩工程量大，施工中计划投入8⁓10台三轴搅拌桩机同时施工，每日施工时间约为16⁓18小时。如采用传统方法进行对三轴搅拌桩的施工过程进行全过程管理，需要投入大量的人力。在该工程三轴搅拌桩施工过程中，采用了智能在线监测系统对三轴搅拌桩进行全过程监控，杜绝了人为因素对三轴搅拌桩质量的影响，并节省了大量人员投入，确保了三轴搅拌桩的施工质量。

2. 水泥搅拌桩施工技术要求及工艺流程

水泥搅拌桩成桩工艺主要分为两喷两搅及两喷四搅。在该工程的成桩工艺试验中均有采用，最终确定采用两喷两搅工艺进行大面积施工。两喷两搅及两喷四搅施工工序如下：

（1）水泥搅拌桩两搅两喷的施工顺序为：

搅拌机械就位→②喷浆搅拌到达底部（底部停留旋转喷浆30S）→③喷浆搅拌上升→④停机械移至下根桩点就位。

（2）水泥搅拌桩四搅两喷的施工顺序为：

①搅拌机械就位→②沉入到达底部（停留旋转喷浆30S）→③喷浆搅拌上升→④重复搅拌下沉→⑤喷浆重复搅拌上升→⑥停机械移至下根桩点就位。

图1 水泥土搅拌桩施工工艺流程图

（3）水泥搅拌桩施工技术要求

①搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度应相互匹配，以确保加固深度范围内土体的任何一点均能经过20次以上的搅拌。

②施工中应保持搅拌桩机底盘的水平和导向架的竖直，搅拌桩的垂直偏差不得超过0.5%；桩位的偏差不得大于5cm；成桩直径和桩长不得小于设计值。

③水泥土搅拌桩施工钻进速度≤1.0m/min，为保证桩体含灰均匀性，钻进时不带浆。在钻进的同时，按确定的水泥掺量和水灰比拌制水泥浆，复搅及提升速度≤0.8m/min。

④要保证每段的水泥浆注入量，搅拌时间。

⑤水泥土搅拌桩成桩以后对桩头不做特殊处理，仅对工作面进行整平处理，待检验合格后，即可进行山皮石垫层施工。

⑥应详细记录施工过程中的各项参数及特殊情况，记录每根桩的水泥用量、搅拌时间。

根据水泥搅拌桩的施工技术要求，搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、桩径通过设备选型即可确定。桩位偏差、搅拌机的垂直偏差、每段水泥浆注入量、水泥用量、搅拌时间、钻进速度、提升速度、桩长等施工参数可根据设计要求进行调整。可调整的施工参数应作为水泥搅拌桩的质量控制要点，以保证水泥搅拌桩的施工质量符合设计及规范的要求。

3.智能监测系统原理

该系统采用北斗高精度定位技术，结合传感器和控制模块等装置，在施工过程中对数据存储、分析，并采用无线传输的方式上传数据至监控平台。

业主、监理单位、施工单位等工程各参与方都可以通过电脑或手机登录监控平台实时进行信息交流，及时掌握三轴搅拌桩的施工质量、工程计量、施工进度等。并且通过系统采集施工过程中的各项原始数据，综合处理后得到“厘米级精度的桩位信息”“垂直度偏差值”、“钻进深度值”、“提钻速率”、“钻进电流值”、“灌浆量”等关键数据，实时显示在工业级车载终端上，辅助机手精准施工，提高成桩合格率，保障机手全天24小时高效工作，提高生产效率；业主方、监理方、施工方接入后台web系统或者使用APP，可及时跟踪施工过程及任务完成情况。

上海浦东国际机场西南远客机坪工程三轴搅拌桩数字化监控管理平台

4.智能监测实施内容

根据三轴搅拌桩的施工特性，桩位偏差、钻杆的钻进及提升速度、桩架垂直度、喷浆量、泥浆比重是影响三轴搅拌桩成桩质量的要点。采用三轴搅拌桩智能监测系统前，建设单位、施工总承包单位、监理单位只能在每日三轴搅拌桩施工完毕后，通过桩机上安装的记录仪打印纸质小票，收集每日的施工数据。对施工数据进行统计分析时，需要耗费大量的人力。多台设备同时施工时，受总包施工管理人员及监理人员的人数的限制，无法及时对每台三轴搅拌桩的施工进行全过程管控，造成施工管理方面的缺失。

在本工程三轴搅拌桩深层地基处理施工过程中，采用了三轴搅拌桩智能监测系统，可以有效的对影响三轴搅拌桩施工质量的各个施工环节进行监控。通过安装在桩机上的各类传感器，可将每台三轴搅拌桩机的施工数据实时上传至数字化管理平台。工程各参建各方可在授权后，可在数字化管理平台上查询三轴搅拌桩的施工数据，了解施工过程，并实现数据共享。三轴搅拌桩智能监控内容主要包括以下方面：

（1）加载桩位设计文件：在数字化监控管理平台中导入桩位图，桩位图可在电脑或手机终端上通过直观的平面图展示。每根桩施工完成后，可以在桩位图上明确标示。

（2）可视化选点：通过在桩机上安装终端系统，在导入系统中的桩位图上选择本次打桩点。

（3）桩位引导：通过在桩机上安装的北斗高精度点位传感器，确定桩机的位置。桩位选点后，桩机根据系统提示方向的信息移动至所选桩位。

（4）桩深监测：实时监测钻杆钻入地表以下的深度，保证成桩深度。

（5）桩架倾斜：读取桩架前后左右倾斜度，整体垂直度偏差，并上传系统平台。

（6）钻进电流：实时监测钻头钻进及提升过程钻机电流。

（7）钻进及提升速度：实时监测三轴搅拌桩喷浆过程中钻杆钻进及提升的速度。

（8）电子小票：通过电子小票，可以知悉桩位编号、施工日期、开始时间、结束时间、工作时间、累计浆量、平均流速、总浆量、水灰比、总平均流速、桩径、桩长等。

5.智能监测实施步骤

1、平台搭设：选择适用于工程建设的数字化技术云平台，并选择工程需要实施的各类管理模块。

2、机械改造：桩基改造涉及正常运行，改造需专业人员进行，以免影响机械运行。

3、传感器设备的安装：机械运行数据主要依靠传感器数据采集终端获取数据，硬件安装的位置和数据采集的准确性有很大关系。

4、系统调试：数据的准确性、软件的正常数据分析影响系统的正常使用，必须联调正常。保障运行应用。

6.智能监测技术的优势与未来发展

（1）高效性：通过系统的数据记录及分析能够极大的减少人力成本，时间成本，可以实时、连续地监测目标对象，大大提高了监测效率。

（2）准确性：由智能系统进行数据统计及整理上报，减少了人为因素的干扰，数据记录的不完整，提高了监测数据的准确性。

（3）全面性：智能监测系统可以同时监测施工过程中的多个参数及技术指标，实现对目标对象的全面了解。

（4）实时性：实现对工程进度的在线管控，包括计划编制、现场实时进度统计、施工日志自动统计、施工报表自动汇总等，及时发现异常情况，为采取措施争取时间。

参考文献

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