水泥土双向搅拌桩自动智能化施工研究与应用

2021-03-09于连娜

建筑施工 2021年10期

于连娜边超

天津深基工程有限公司天津 300222

与传统水泥土搅拌桩相比，水泥土双向搅拌桩能够有效解决冒浆问题，大幅度提高地基加固效果[1]。水泥土双向搅拌桩由于具有造价低、工期短及土体加固效果好等优点，已成为目前应用最为广泛的软基处理方法之一[2]。

目前，我国水泥土双向搅拌桩的施工多采用手动操作，施工现场隐蔽性强，可视性效果差，因此，在水泥土双向搅拌桩施工过程中常常会发生水泥粉（浆）沿桩体分布不均匀等情况，从而降低了桩体施工质量，影响软基加固效果[3-4]。

传统的水泥土双向搅拌桩施工方法已经落后于工程人员对于软基处理的要求和标准。因此，本文以水泥土双向搅拌桩智能化施工为研究方向，将水泥土双向搅拌桩施工数字化、可视化，进而提升施工的精准性和可靠性。自动化施工降低了人为操作对桩体质量的影响，智能化控制喷灰均匀，压力稳定，同时装配有实时监控系统，能有效保证施工质量。

1 施工工艺研究内容

1.1 工艺比选

自2010年东南大学研究发明水泥土双向搅拌桩施工工艺以来，原先的单向搅拌桩工艺逐渐被淘汰。目前，国内水泥土双向搅拌桩施工工艺有2种，分别为干法和湿法。当地基土的天然含水率小于30%时宜采用湿法施工，当地基土的天然含水率大于30%时宜采用干法施工。

背景工程为引江济淮工程（安徽段）白山船闸项目，水泥土搅拌桩总计约380万延米，占工程总产值的40%，同时作为堤防防护桩，要兼备抗剪要求。根据工程实际地质情况（天然含水率为44.9%），结合水泥土双向搅拌桩工艺性试桩成果，白山船闸软基处理工程中的水泥土双向搅拌桩采用干法施工工艺。

1.2 智能化施工工艺原理

水泥土双向搅拌桩桩机的动力系统分别带动安装在内外同心钻杆上的2组搅拌叶片，同时、同速地进行正反双向切土，使钻机在施工过程中形成全程复搅，充分搅拌土体，从而提高桩体搅拌的均匀性，增加桩身的强度，并能有效地改善复合地基的承载特性，从而提高软土地基的承载力。

水泥土双向搅拌桩智能化施工是通过智能桩机、云端服务器和信息传输系统对成桩深度、喷灰压力、喷灰量、内外钻杆电流和桩机机架垂直度等进行监测，实时采集的数据无线传输至监控主机，供监控主机完成分析与控制工作。同时对传感器采集的施工数据进行分析，与设定的报警限值进行对比，如超出报警限值则响起警报，督促现场操作人员及时检查纠正。

通过通信网络或Internet网络，凭借网络信息的查询、双向传输，实时汇总到施工控制研究中心，经过智能化系统的分析计算与实时化、智能化的决策控制，实现水泥土双向搅拌桩智能化施工控制。同时，将采集的数据上传至云端服务器，通过PC端及移动端访问，对现场施工进行实时监控，如图1所示。

图1 智能化施工原理

1.3 设备及功能

水泥土双向搅拌桩智能化施工所需设备及功能如下：

1）智能操作电气箱：是水泥土双向搅拌桩智能化施工的核心部件，是施工控制中心，能够通过通信网络或Internet网络进行双向数据传输，经过系统的分析计算与决策控制，实现水泥土双向搅拌桩智能化施工。

2）全自动灰罐：配备称重传感器、压力传感器及自动化操作气阀、蝶阀等设施，能够实现自动送灰、泄压上料、喷灰量控制及数据上传等功能。

3）绞龙（螺旋输送机）：一端与全自动灰罐连接，一端与水泥罐连接，通过信号线与控制中心进行信息传输，能够根据所需灰量进行自动供灰。

4）螺杆式空气压缩机：粉喷桩施工的送气、送灰及压力来源，能够根据气压变化自动进行供气、停气。

5）储气罐：与空气压缩机相连接，主要起到稳定气压、储存空气的作用。

6）干燥机：对施工所用的空气进行干燥，防止空气中的水分与水泥接触造成水泥结块堵管等现象。

7）监控系统：对传感器采集的施工数据进行分析，如超出报警值则响起警报，督促现场操作人员及时检查纠正。

8）PC端及移动端：通过访问云端服务器网址，实施对施工现场每台桩机的实时监控。

1.4 主要施工工艺

桩机按照测量点位移动至施工位置后，由桩机操作手输入桩基编号，开始进行桩基施工，桩基施工采用两搅一喷（下钻时边搅拌边喷灰、提钻时只搅拌不喷灰）施工工艺，相关控制均通过气阀启闭完成。水泥土双向搅拌桩智能化施工设备如图2所示。

图2 智能化施工设备示意

1.4.1 下钻

桩机下钻时排压阀、补料阀处于闭合状态，补压阀处于开启状态，喷灰阀及喷气阀交替启闭，完成喷灰作业。具体工艺如下：

灰罐排压阀、补料阀、绞龙关闭，补压阀打开，内外钻杆正常运行，钻杆下钻进入地面以下20 cm（空钻深度，可变）后，系统根据设定开始自动喷灰、喷气，设定每米所需灰量为63 kg，空钻时系统只设定间隔喷气作业，以避免钻杆堵杆。当钻进深度大于空钻长度后，系统执行喷灰流程，每米中的0～80 cm段设定喷灰时长为1 s，喷气时长为2 s，系统计算时长1.5 s，每次喷灰量为10～15 kg，喷灰、喷气交替进行，0～80 cm段的喷灰、喷气循环间隔时间不定（根据系统计算自动调整，计算间隔时间超过7 s自动进行一次喷气作业，以防钻头喷灰孔阻塞）。每米中的80～100 cm段设定喷灰时间为0.3～0.5 s，喷气时间为2 s，以实现计量精度，系统根据钻杆下钻深度运算当前位置所需灰量，并与已喷灰量对比，当已喷灰量与所需灰量差值大于喷灰参数（可变）并且已喷灰量未达到设定的每米所需灰量63 kg时，延迟1.5 s（可变）系统自动执行喷灰、喷气循环，喷灰、喷气时间根据每米钻进深度自动切换。每米中的0～80 cm段喷灰、喷气频率低，每次灰量大，每米中的80～100 cm段喷灰喷气频率高，每次灰量小。系统计算每米喷灰量并实时打印出已完成每米灰量、时间，当钻进深度大于设计钻进深度时，系统自动切换，只执行喷气作业。

1.4.2 提钻

桩机提钻时，喷灰阀、补压阀处于闭合状态，排压阀、补料阀处于开启状态，至灰罐内水泥达到设定量（1 300 kg）后关闭（此工作在提钻完成前结束），喷气阀间隔性启闭送气直至提钻完成。具体工艺如下：

操作人员按下提钻控制按钮后，系统自动判断当前灰罐质量是否大于工程桩所需灰量。灰罐质量小于工程桩所需灰量时，灰罐排压阀打开将灰罐内空气排出，当压力小于20 kPa后，延时10 s打开补料阀。补料阀打开后延时5 s打开绞龙，为灰罐补料。

补料过程中设备提钻喷气继续作业，排压阀一直开启。当灰罐质量达到设定质量后（1 300 kg），系统自动关闭绞龙，延时7 s后，关闭排压阀及补料阀，再经过5 s后打开补压阀，为灰罐补充压力，灰罐补料在设备提钻过程中进行。

提钻完成后，前台自带微型打印机打印施工小票，桩机移位至下一施工位置继续进行桩基作业。

桩机施工全过程数据均可在桩机智能化施工前台显示，作为操作手操作依据，监控数据同步完整传输至PC端和移动端，实现实时监控。