实时监控技术在南水北调郑州段高填方工程施工中的应用

高军凯 杨朝元

摘要：南水北调总干渠属大型过水土渠，土方填筑量大，填方高，防渗要求高，因此渠堤土方填筑施工与质量控制尤为重要。高填方碾压施工质量实时监控技术在郑州段工程中的研究与应用，实现了碾压控制参数的全过程、全天候实时监控，对提升现场质量管控水平、优质高效的完成土方填筑施工提供了技术支持，有很大的推广价值，以期为类似工程土方填筑施工提供参考。

关键词：实时监控；南水北调；高填方；碾压控制；应用

中图分类号：TU74文献标识码： A

1.工程概况

南水北调工程分东线、中线、西线3条调水线，是缓解中国北方水资源严重短缺局面的战略性工程，其中，中线工程南起丹江口水库，北至北京市团城湖，全长1432km，其中输水总干渠长约1276km，主要采用明渠自流输送，年平均调水量约95亿m3。

郑州段工程起点位于新郑市观音寺镇英李村，终点位于穿黄隧洞出口，途径新郑、中牟、管城、二七、中原、高新、荥阳等七个市（县、区），包括新郑南段、潮河段、郑州1段、郑州2段四个设计单元工程，全长128.94km，占中线总干渠总长的1/10，占河南境内总干渠长度的1/5。

中线工程土石方工程量巨大，开挖量80049万m3，回填量32398万m3，总干渠全填方渠道长82km，半挖半填渠道长523km，全挖方渠道长498km，填方高度大于6m的渠道为高填方渠道，全线高填方长139.5km，填筑总量约7872.97万m3。郑州段工程高填方量达366.236万m3，高填方渠道长9.329km，最大填筑高度17米。

2.实施背景

总干渠高填方段施工影响因素多、潜在危险性大，事故危害性大。高填方段是采用扰动后的土料逐层压实填筑，填筑高度大，每一层碾压参数控制好坏都直接影响堤身的稳定性；内外水条件复杂，尤其在渠内高水位运行情况下，水位差大，存在渗透破坏的可能性；高填方段渠道一旦溃堤会造成水量大量流失，将直接影响沿线居民的生命财产安全。

常规的控制方法不能很好适应南水北调工程的建设要求。常规的压实质量控制主要依靠监理现场旁站、巡检方式来控制渠道施工过程的碾压参数和试坑试验来检验质量，一方面与南水北调大规模机械化施工不相适应；另一方面，无法实现过程中质量信息的及时反馈控制，往往发现问题在全部碾压施工完成之后，返工的工作量巨大。此外南水北调作为一个线性工程，填筑施工更是长距离、大面积、连续性作业，这对监理现场旁站和巡检都提出了更高的要求，往往难以有效地监控施工质量。

因此，在建设过程中如何有效对填筑施工质量进行监督、管理与控制，是南水北调高填方渠道工程建设能否实现高质量、高强度安全施工的关键。为此，河南省南水北调中线工程建设管理局委托天津大学开展新郑南段高填方渠道工程填筑碾压质量实时监控试验研究项目，对新郑南段高填方填筑碾压全过程进行实时监控，以确保高填方施工质量。

3. 碾压施工质量实时监控系统

3.1 主要特点

实时监控系统先进性与实用性俱备，是具有实时性、连续性、自动化、高精度等特点的施工管理与控制系统，其依托当前计算机相关技术，以互联网为基础，借助于现代测绘技术、电子信息技术、管理科学等，实现工程建设管理的网络化、可视化、数字化与集成化，通过在碾压设备上安装施工信息监测采集仪器，对渠道填筑碾压机械施工过程（轨迹、速度、振动状态、遍数、碾压厚度、压后高程等）进行全天候实时自动监测，当发现不达标情况时，向相关质量人员报警，以指导现场整改，实行远程、现场“双监控”，保证了质量控制的快速反应及业主和监理对工程建设质量的深度参与；系统客户端软件采用图形化操作界面，操作简单，界面友好，能有效地减少用户的认知负担，实用性强。

3.2 实时监控系统构成

新郑南段高填方渠道工程填筑碾压质量实时监控系统主要由总控中心、现场分控站、GPS基准站、监测流动站（碾压机械）和网络系统等部分组成，总控中心是实时监控系统的核心组成部分，设置于业主营地，主要包括服务器系统、数据库系统、通讯系统、安全备份系统以及现场监控应用系统等。现场分控站建于施工项目部，用于监理人员24小时实时监控碾压质量，一旦出现质量偏差，现场及时纠偏，主要由无线数据通讯网络设备、图形工作站监控终端、双向对讲机以及UPS 设备等组成；GPS差分基准站即定位差分基准站，是整个监测系统的“位置标准”，包括定位接收机、卫星天线、无线电台和差分信号无线发送天线等，主要用于计算流动站的空间位置信息，采用Trimble双频R5 GPS接收机集成测绘单元和RTK（动态差分）技术，使差分基准站和碾压机械GPS移动终端的测量精度达到厘米级；监测流动站也称碾压机械机载终端，包括安装于碾压机械上的GPS接收机、DTU、激振力监测设备及报警接收设备，主要对包括碾压机械的动态位置坐标、定位时间和激振力输出状态等碾压过程信息进行高精度、高稳定性的自动实施采集，通过DTU数据传输装置将有效的监测结果连续、实时地上传至中心数据库，供后续系统软件进行应用分析；网络系统主要包括碾压机械流动站GPRS传输网络、定位基准站无线电差分网络、监控中心（总控中心和现场分控站）有线通讯网络三个部分。

3.3实时监控流程

通过安装在碾压机械上的监测终端，实时采集碾压机械的动态坐标、激振力输出状态，经GPRS网络实时发送至远程数据库服务器中；然后，根据预先设定的控制标准，实时分析判断碾压机械的行驶速度是否超标、激振力输出状态是否与设定的状态相符合，如出现不达标现象则通过驾驶室报警器和相关人员的PDA发出相应的报警；现场分控站和总控中心的监控终端计算机通过有线网络或无线WiFi网络，读取上述数据，进行进一步实时计算和分析，包括碾压质量参数（含碾压机械的行驶轨迹、碾压遍数、压实高程和压实厚度）的实时计算和分析，再将实时计算和分析的结果与预先设定的标准作比较，指导相关人员做出现场反馈与控制措施。

4.工程应用

南水北调中线一期工程高填方段碾压施工质量实时监控系统于2012年2月21日至2013年6月29日应用于郑州段工程新郑南段填方段施工，对渠道碾压机械进行实时自动的监控，从工程应用的情况分析，完全达到了对渠道的填筑碾压施工质量进行实时监控的目的。

4.1监控标准

根据南水北调相关规范标准结合监控系统的特点，设定了系统监控报警标准。系统对高填方填筑施工过程中的碾压参数（包括碾压机碾压遍数、行驶速率、振动状态、压后高程）进行全天候监测，碾压遍数具体到每一施工单元，满足碾压遍数要求的区域面积比率不低于99%，且无明显漏碾、欠碾区域；碾压机速度连续10秒超过最大限速时则系统发出超速报警；碾压机连续20米条带激振力不达标（比如要求为振碾而实际为静碾）则系统发出激振力不达标报警；压实厚度控制目标为每一施工单元监控得到的压实厚度均值与要求的厚度之间的偏差应不超过10%。

4.2监控成果分析

全阶段共对28个单元的760个碾压层进行了完整的监控，具体监控情况如下：

（1）完整监控下的碾压层振碾标准遍数及以上的碾压区域面积比率平均值为99.47 %，碾压遍数统计情况见图1。

图1碾压遍数统计图

（2）碾压施工过程中产生超速报警883次，激振力不达标报警159次。

（3）碾压层压实厚度现场控制标准为35cm以下。统计数据显示：正式运行期间所有完整监控的碾压层压实厚度均不超厚，集中分布在25~30cm左右，压实厚度统计情况见图2。

图2碾压层压实厚度统计图

（4）从数据统计情况分析，不达标报警现象多发生在监控系统应用的初期，中后期不达标现象较少，此外，根据过程中现场环刀取样检测，所有填筑层压实度均满足不小于98%的质量要求，说明在设备、人员都达到正常状态后，监控系统对现场碾压施工质量起到了很好的监督、控制作用，高填方渠道的填筑质量得到了很好的保证。

4.3质量可追溯性

土方填筑是注重过程控制的施工项目，而常规的控制手段难以真实的反映施工过程质量控制情况，可追溯性差，实时监控系统可以在每个碾压层施工结束后，输出碾压质量图形报告，包括碾压轨迹图、碾压遍数图、压实厚度图和碾压层平整度（高程）图等，同时将所有施工单元的碾压质量信息保存至网络数据库，使工程质量的可追溯性得到了很大的提高。4.4可改进的方面

实时监控系统很好的适应、满足了施工现场和质量控制的要求，但实际应用过程中发现仍存在个别可以改进的方面。

（1）信号弱。由于南水北调工程长距离、大范围、地形地貌多变的特性，在应用过程中出现在桥梁、村落、房屋、沟壑及一些较偏僻的地方系统信号较弱的现象。

（2）虚铺厚度监测。实时监控系统在静压结束后，可以初次生成反映铺土厚度实际值的图形报告，但暂时不具备反映虚铺厚度值的功能，对于南水北调高填方渠道大面积的填筑施工，虚铺厚度控制精度对填筑质量的影响很大，监控系统如能反映此参数，对填筑施工的数字化控制、精细化和连续性施工等都有很大的好处。

5.效益分析

高填方碾压施工质量实时监控系统在郑州段高填方渠道工程得到了成功的应用，充分发挥了该技术的优势和潜力，在规范现场施工、提高工程管理水平和效率、减少各类返工、消除质量隐患、加快进度等方面发挥了重要的作用，并在减少、减轻质量管理人员数量和工作强度的情况下高效地保证了碾压质量，由此节约工程成本88.3万元，工期提前60天，取得了良好的经济效益。同时保证了施工精确控制，每层填筑一次成型，减少了碾压振动对周边群众生产生活的干扰和影响，带来一定的环境效益和社会效益。

6.结束语

南水北调工程是利国利民的大型调水工程，渠道填筑质量直接关系到工程的长期正常运行，现代化的监控技术在工程中的实践与应用，克服了常规管控手段的缺陷和不足，使土方填筑施工中受人为因素干扰大、管理粗放、过程控制难的现状得以改变，实现了对碾压施工过程质量的精细化、远程化、数字化、全天候实时监控，使质量控制更方便、更到位，同时具有显著的经济和社会效益，应用前景十分广阔。

参考文献：

[1] 李道西  王逸飞 南水北调中线工程郑州段土方填筑施工与质量控制《华北水利水电学院学报》 2012年03期

[2] 李斌  杨斌 碾压施工质量实时监控系统在南水北调工程中的应用 《南水北调与水利科技》 2012年02期

作者：高军凯男1981年生于河南安阳汉族2005年毕业于中南林业科技大学公路与桥梁专业，本科，工程师