挤密砂桩施工远程自动监控系统设计

王千星，赵玉君

(中建港航局集团有限公司，上海 200433)

挤密砂桩法[1]是1956年日本开发的一种快速加固软基的方法，它利用冲击或振动在软基中形成密实的砂桩，用于加固松砂、软黏土、吹填土、冲积平原、沼泽地、山谷和海底等软土地基。挤密砂桩是用简单的机械，通过振动或冲击荷载，把砂挤入软土中，形成较大直径的砂桩，使地基加固[2]。海上挤密砂桩在我国已有较为成熟的应用，如洋山深水港区1～4期工程[3-4]及港珠澳大桥工程，其地基加固效果显著[5-6]。

砂桩的质量检验可采用静力触探、动力触探、载荷试验和标准贯入试验等方法，标准贯入试验可检测浅部砂桩质量，受地质条件限制，遇到地下水较大时，很难检测砂桩深部质量[7-8]。

但上述检验方法均为事后质量控制，无法做到在砂桩施工过程中控制施工质量、避免事后返工等问题。尤其是砂桩沉桩阶段施工质量控制多为人工观测，根据标记于沉管上的标尺比对沉管深度，但其精度不足，而且反插作业难以监管。沉桩深度、沉桩速率、反插位置和深度等参数，受操作人员技术和素质影响，无法精确控制，易导致砂桩桩长短缺、反插位置和深度不合格。此外，砂桩机施工须配专职人员在场监督检查。

因此，需要开发一套砂桩施工质量控制系统，可实现砂桩沉桩过程中沉桩深度、沉桩速率、反插位置和深度等参数的实时可视化监控，并实现相应参数的无线传输功能，解放现场监督人员。

1 自动监控系统

挤密砂桩施工质量自动监控系统将3大子系统集于一体：行程监控系统可记录砂桩施工动态行程；电流监控系统可实时记录沉桩过程中打桩机电流变化规律；远程监控系统可实现砂桩施工行程和电流远程监控。其基本原理见图1。由图1可知，通过沉桩行程监控系统可实时记录沉桩过程中沉桩深度、留振时间、反插位置和反插深度等关键参数，通过桩机电流监控系统实时记录桩机振动锤振动电流变化规律，通过设置电流报警阈值保证桩机安全工作和停锤标准，通过远程监控系统即可将行程数据和电流数据无线传输至监控室，近似实现远程无人监管。

图1 自动监控系统技术路线

基于图 1自动监控系统原理设计开发了一套系统控制柜(图2)。

图2 自动监控系统控制柜

图2a)自动监控系统控制柜包括行程监控、电流监控、无线发送和预警警报系统；图2b)行程自动监控元件——旋转编码器通过旋转编码器与沉桩机缆绳连接，记录沉桩管上提和下沉行程；图2c)用于监测沉桩机振动锤电流的元件——电流互感器，使用时，将振动锤三相电线穿过每一个电流互感器，实时监测振动锤电流变化情况，并通过设置上限值进行预警。行程监控系统画面见图3。

图3 行程监控系统画面

2 现场实测分析

以福建宁德某砂桩工程为例，进行自动监控系统的应用。现场行程记录和电流监控安装见图4。

图4a)为沉管缆绳行程记录装置，通过固定装置与沉管缆绳接触，利用旋转编码器记录缆绳行程；图4b)为电流监控设备，将该设备安装在沉管振动锤三相电线上，用以记录振动锤电流变化。

图4 现场行程和电流监控安装

2.1 沉桩行程

砂桩沉桩过程中沉管行程监控记录见图5。由图5可见，砂桩沉管自动监控系统可有效记录每根砂桩沉管的全过程，包括成孔深度、反插位置、反插深度以及相应的工作时间。由图5a)可知，砂桩一次成孔直至达到设计深度(约7.3 m)，随后下料上拔并进行反插。该桩共进行9次反插，每次上拔高度在1～5 m范围内。且在前4次反插时，由于砂桩密实度低，反插速率快，在之后的5次反插过程中，由于砂桩密实度逐渐提升，反插阻力较大，插入速率下降。由图5b)可见，第2根桩与第1根桩具有类似的规律。不同的是，第2根桩在一次成孔到设计深度后，留振一段时间(约1 min20 s)之后才开始上拔和反插作业。该桩成孔深度较第1根桩更深，但其反插次数较第1根桩少，且总体反插深度小于第1根桩。

图5 砂桩沉管行程记录

从2根桩的施工效果可见，砂桩施工过程具有显著的差异性，包括沉管速率、留振时间、反插位置、反插深度等，均不一致，而传统的现场监管无法做到精细化管理，只能大致确定沉桩深度及反插次数。

通过系统对2根桩的监测效果可知，该监控系统可实时精确记录砂桩施工过程，下一步计划对系统进行完善，实现操作人员直观了解沉桩过程相关参数，规范常规砂桩施工，严格依据沉桩工艺进行作业。同时，监管人员也可通过系统直观查看每根桩的实际沉桩参数，避免出现偷工减料等现象。

2.2 沉桩振动锤电流

砂桩沉桩过程中振动锤电流变化见图6。由图6可知，砂桩施工过程中会引起沉桩机振动锤电流变化：开始沉桩时，桩机启动工作会引起一个瞬时电流激增，随后稳定；沉桩开始后振动电流逐步增加，电流增至80 A后开始下降；后期电流总体平稳，维持在32A左右，局部发生电流激增现象，最大增幅近12 A。为了弄清电流激增变化规律及其与沉桩过程的关系，对比分析沉桩行程和电流变化规律，结果见图7。

图6 2#砂桩沉管振动锤单相电流变化

图7 2#砂桩沉管行程和振动锤电流对比

由图7可知，振动锤电流变化与沉桩行程有显著的关联性，当沉桩机进入坚硬地层或振动反插时会引起电流激增。原因在于，沉管进入坚硬地层以及沉管反插导致砂桩更为密实，对沉管有一定的抱箍影响，进而影响沉桩机振动锤电流变化。

2.3 远程监控系统

远程监控系统主要由无线模块、监控软件、交换机、网络线缆、办公PC组成。触摸屏安装在打桩现场的主控制箱上，实时显示系统数据，同时可以对相关参数进行设置。通过远程客户端可以实时显示打桩深度和打桩电机电流大小，亦可根据需要打印出不同时段的图形和数据。同时，历史数据也会存储在客户端和触摸屏存储器中以方便导出。

远程监控系统监控画面可实时显示沉管行程、A/B/C三相电流数值，并具有查看报警记录、历史数据等功能(图8)。远程监控画面中监控历史数据的曲线和列表显示见图9。

图8 实时数值监控画面

图9 历史数据

通过图 9可以清晰直观地了解任意时段每根桩的施工过程，包括沉桩深度、沉桩速率、反插位置和反插深度以及振动锤电流实时变化规律等参数。后期通过自动打印功能亦可将所需数据打印出，作为施工记录依据。

3 结论

1)研制的砂桩沉桩施工过程自动监控系统包括行程自动监控、电流监控以及远程监控系统。可精确、实时记录砂桩成桩参数(沉桩深度、反插位置和深度、时间等)和桩机电流变化情况，通过与行程记录对比，电流激增与沉管反插能够准确对应。

2)通过远程监控系统可将行程和电流数据实时传输至监控室，解放现场监管人员，保存成桩详细工艺参数资料。

4)实现砂桩成桩施工工艺精细化管理，严格按照指定的施工工艺施工，规范施工，保证施工质量，提高施工效率。