基于北斗RTK定位技术的高速公路路基CFG桩施工质量控制

张海宝，邹佳成，彭泽峰，毛晓晴，刘 爽

(中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北 武汉 430065)

0 引言

水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)由一定比例的水泥、粉煤灰、碎石及石屑混合料现场灌注而成。其黏结强度相对较好、负荷作用较为明显、施工效益良好，因而作为近年来高速公路软基开发与应用常用的地基处理方式之一。长螺旋管内泵压成桩工艺作为CFG桩常用施工工艺，具有作业工效高、操作简便的优势。但由于软土天然含水量高、抗剪强度低、固结系数小、流动性强，在施工时往往因提钻速率与泵送量不匹配、施工区域地基承载力较低影响钻机垂直度控制等因素造成断桩、颈缩、窜孔、垂直度偏大、桩基偏位等质量通病，降低整个软基处理区域的复合地基承载力，严重时将导致路基产生沉降，造成较大的直接或间接经济损失。

武汉东四环线高速公路化工互通路基CFG桩工程量近50万m3，施工范围内地质条件变化大、布桩形式多、桩长及桩顶标高差异大，造成现场管理难度大。为解决这一问题，现场采用北斗RTK定位技术，针对长螺旋管内泵压成桩工艺进行高精度、全过程的施工质量管控。经过近半年的应用总结及更新，通过采用该技术进行路基CFG桩施工质量控制已初见成效。

1 CFG桩施工监测系统概况

1.1 监测系统组成

基于北斗RTK定位技术的CFG桩施工监测系统主要由定位定向单元、垂直度监测单元、钻机电流传感单元、混合料泵送电流传感单元、操作单元、施工信息及成果管理单元等组成。

1.2 各单元功能简介

1.2.1定位定向单元

定位定向单元主要设备包括基站、定位天线、定向天线。基站设置于其信号传输范围内，为定位定向单元传输位置信息。定位天线安装于长螺旋钻机钻杆顶，定向天线安装于钻机尾部。通过定位天线所采集的位置信息进行厘米级桩基定位，并结合定向天线数据进行钻机姿态、方位计算分析，计算结果最终在钻机驾驶室内操作终端上显示为位置引导信息，指示钻机向所选桩点处移动。

1.2.2垂直度监测单元

垂直度监测单元主要监测设备为倾角传感器。传感器采用强磁吸附于钻机钻杆机架底部法兰盘上，用于采集钻杆垂直度数据。

1.2.3钻机电流传感单元

钻机电流传感单元主要监测设备为安装于钻机电源位置的电流传感器，采集数据为CFG桩施工全过程的钻机电流信息。

表1 桩点文件格式

1.2.4混合料泵送电流传感单元

混合料泵送电流传感单元主要监测设备为安装于地泵电源位置的电流传感器，采集数据为地泵作业时间内的电流信息。

1.2.5操作单元

操作单元主要设备为安装于钻机驾驶室内的操作终端。操作终端是基于北斗RTK定位技术的CFG桩施工监测系统的引导终端，钻机操作员通过在终端上选择桩区、导入桩点文件、点选桩点，由系统引导完成CFG桩施工全过程。同时，所有监测设备所采集的数据最终将在操作终端上经计算、处理后显示为桩基偏位、垂直度、钻进速率、钻孔深度、钻进过程中电流值等具体数值信息，指导钻机操作员对施工过程进行调整，提高成桩质量。

1.2.6施工信息及成果管理单元

施工信息管理单元的主要功能为施工段落的划分及各区域CFG桩桩点信息文件的导入。成果管理单元为施工信息汇总的载体，通过成果管理单元对各区域内每根CFG桩的施工信息进行批量查看、处理与导出。以上两项功能通过在云服务器上部署管理系统实现。

2 过程质量控制方法

2.1 桩区划分及桩点文件导入

桩区划分及桩点文件导入在管理系统上优先完成。桩区划分与设计保持一致，桩点文件按划分的桩区使用Excel文件格式导入系统。桩点文件信息主要包括桩号、坐标、桩顶标高及钻孔深度等，格式如表1所示。

2.2 桩点定位

由于安装在钻杆顶部的定位天线与钻杆中心存在一定偏差，因此设备使用前需进行校核、修正。在武汉东四环线高速公路化工互通采用现场已有4个控制点(施工区域东、西、南、北方向各1个)进行校核，路基CFG桩施工区域全部位于控制点的控制区域内，以确保校核准确性。控制点间距约为1.5km。经校核后，其定位精度可以达到±10mm+1×10-6mm，满足规范要求。施工前由钻机操作人员在操作终端上点选桩位，终端将显示具体移动方向及距离以引导钻机进行桩位对正。

2.3 垂直度控制

垂直度监测单元采用倾角传感器进行数据采集，倾角传感器相关参数为：测量方向x-y(360°模块双轴)；量程±90°；零点最大误差0.1°；交叉轴最大误差4%，中误差2%；相对精度为±15°量程内0.01°。

倾角传感器采集的数据以具体的垂直度数值、偏位方向显示在操作终端上。钻机操作人员只需根据终端上引导进行调整，确保施工垂直度满足要求。经现场实测，倾角传感器监测精度满足要求。

2.4 钻进速率及钻深控制

施工过程中钻进速率通过卫星定位测量安装在钻杆顶部的定位天线高程变化由系统计算得出。系统自行对定位天线高程变化数据按单位时间进行采集、计算，转换为实时钻进速率显示在终端上，指导钻机操作员控制下钻速度以适应淤泥质黏土层、砂层、粉质黏土层等不同地层的施工要求。

施工钻进时采用钻深控制、标高校核的方式确保施工桩长满足要求。由于受施工场地的影响，往往一个施工区域内场地不能做到完全平整，可能存在10～20cm的标高误差。此时若全部使用场地的平均标高进行控制，则有可能造成个别场地标高较高位置有效桩长不足。因此，系统在使用钻深控制的基础上采用标高进行校核。当钻进过程中的钻机电流值下降到界限值以下时，系统将自动通过钻深数据计算此时钻进的实际桩底标高HL，并与设计桩底标高H0进行比对。若HL>H0，操作终端上将会发出提示引导钻机机手继续向下钻进。

施工过程中终端上将会随时显示钻机电流传感单元采集的电流数据。通过电流数据的变化判断钻进过程中地层的变化，以指导操作人员控制不同地层的钻进速率。也可将钻深数据与地质勘察报告进行比对，若有与报告不符情况及时向设计单位反映，并调整施工顺序或跳打间距，避免发生窜孔。

2.5 提钻速率及灌注量控制

提钻速率监测方法与钻进速率监测方法相同。监测提钻速率与灌注量的目的是做好提钻与泵送混合料的配合，避免提钻过快造成颈缩、断桩及提钻过慢造成堵管、扩孔、窜孔等问题。灌注量通过混合料泵送电流传感单元采集数据控制。在使用前先根据一段时间内混合料的泵送量、泵送次数、地泵电流变化大致计算出平均每次的泵送量，在系统中进行预设置，设置完成后通过采集的地泵电流数据进行泵送量的大致估算。

例如，地泵设置为A工况时，施工1根CFG桩共泵送混凝土V1(m3)。根据混合料泵送电流传感单元采集的数据，全过程中电流共发生N1次突变，每次突变电流峰值为M1。则可得出地泵在A工况下单次泵送量V0=V1/N1。调整地泵为B工况继续试验并重复进行计算，如此将多次试验后采集的电流峰值、泵送量数据进行拟合，大致确定电流突变峰值与单次泵送量的关系，在后续施工中通过电流传感器数据判断桩基施工灌注量，以在确保桩基施工质量的前提下节约材料。

3 应用效果分析

现场随机抽取桩基进行验证，部分试验数据如表2～6所示。

经验证，该技术在桩点定位、垂直度、钻深、钻进速率、电流值方面所采集的数据与现场测量数据相对偏差在允许范围内。武汉东四环线高速公路化工互通路基CFG桩施工已全面采用该技术进行过程管控。与传统施工质量过程管控相比，基于北斗RTK定位技术的高速公路路基CFG桩施工质量控制技术具有以下优势。

表2 桩点定位控制验证 m

表3 垂直度控制验证

表4 钻进速率控制验证

表5 钻深控制验证 m

表6 电流值控制监测验证 A

1)定位准确。采用北斗RTK定位技术控制的桩基定位、钻杆垂直度、钻深准确且精度高。

2)通过数据化信息，实现了钻进速率、提钻速率的定量控制与穿越不同地层时的动态调整。确保了桩基施工质量，避免了颈缩、断桩等桩基施工质量问题。现场对已施工的桩基按设计要求进行了低应变、取芯法检测，单桩承载力及复合地基承载力试验，试验结果良好。

3)在确保施工质量的前提下节约了材料。通过提钻速率、钻深及泵送量的协调控制，与传统人工控制相比更准确，有效避免了灌注混合料的浪费现象。现场施工过程中，桩间土开挖后切除的桩头基本未发生超高过多现象。施工过程中灌注量的监测控制为施工过程材料用量的校核提供了参考。

4)完整保留了施工过程记录，施工过程可追溯。

4 结语

通过基于北斗RTK定位技术的高速公路路基CFG桩施工质量控制研究与应用，实现了对应用长螺旋管内泵压成桩工艺施工的高速公路路基CFG桩全方位、全过程、高精度、动态化的施工质量管控；提高了现场施工的标准水平、信息化水平及施工质量，克服了传统施工方式中可能发生的质量通病，降低了管理难度；同时，为北斗RTK定位技术的深化应用及路基CFG桩的施工信息化管控提供了思路，为后续类似项目应用该技术提供了借鉴经验。