超深振冲碎石桩施工智能化监控系统研发与应用研究

刘强 赵宇飞 杨帆 罗文君 杜晓凡

摘要：振冲碎石桩是处理软弱地基的常见技术手段。应用该地基处理技术的大部分是隐蔽工程，施工过程质量控制的作用和意义远大于施工结束之后的质量检测。结合拉哇水电站中上游围堰地基软弱覆盖层振冲碎石桩加固项目，运用BIM+GIS、数据精细化分析等技术，构建了超深碎石桩施工过程实时监控软件系统。系统汇集振冲碎石桩施工过程深度、电流、填料量等实时数据，通过实时图形展示施工过程、自动分析与评价施工质量，实现了超深振冲碎石桩施工过程实时监控，保证了施工质量，并为围堰穩定施工建设提供强有力支撑。

关键词：振冲碎石桩;实时监控;BIM+GIS;数据分析;拉哇水电站

中图法分类号：TV553 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.011

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0065 - 07

0 引 言

振冲法地基处理最早由德国人S. Steuerman提出。1977年，中国引入振冲碎石桩施工技术，成功解决了官厅水库软弱地基的问题[1]，随后该方法在中国得到了迅速推广和应用。大量实际工程应用证明，该方法是软弱地基加固处理的一种快速、有效的技术手段。但是大量的工程实践也表明，应用地基处理的大部分是隐蔽工程，在工程施工结束后，不能对振冲碎石桩进行大量开放性检查，只能依靠有限的动力触探、渗透试验以及载荷试验来进行施工质量评价。对于隐蔽性工程来说，施工过程的质量控制作用与意义远远大于施工结束之后的质量检测。以往振冲碎石桩施工过程的监控主要以人工现场设备控制、现场数据记录为主，这样的管理方式较为传统，效率低下，也难以保证振冲碎石桩这种典型隐蔽工程的质量。近年来，在振冲碎石桩施工过程中，通过在施工设备上安装传感器，实现了对振冲施工过程中深度、电流、填料量等重要控制参数的实时采集与传输，结合实时监控和实时数据分析，有效保证了施工质量。

早在2003年左右，就有相关专家学者利用电脑控制系统开展振冲碎石桩施工过程的实时记录，通过在振冲碎石桩施工机械上安装相关的传感器，对振冲施工过程中重要的施工参数进行实时监测;施工结束后，数据自动保存并生成相关报表，实现了振冲碎石桩施工信息的全过程记录与分析[2-6]。近年来，在搅拌桩施工、振动沉管碎石桩、挤密砂桩等施工过程中，利用远程自动监控系统进行了施工过程远程实时监控[7-9]。这些技术的发展与应用，都为本文中利用数据实时传输模块将施工机械重要施工参数进行实时传输、开发超深振冲碎石桩施工过程实时智能化监控系统，并对汇聚到系统中的实时数据进行实时展示与分析提供了重要参考。

本文结合拉哇水电站上游围堰地基处理的振冲碎石桩施工过程[10]，基于振冲施工机械上安装的不同传感器，开展了超深振冲碎石桩施工过程实时智能化监控系统的研发与应用研究，为施工过程提供重要的监控平台，保证了超深振冲碎石桩的施工质量控制。

1 软件系统架构与功能设计

超深振冲碎石桩施工过程实时智能化监控系统主要是在振冲碎石桩施工工艺分析基础上，针对振冲碎石桩施工中的成孔、成桩过程，利用接收到的相关数据，进行基于BIM+GIS技术的振冲碎石桩设计情况、施工进度、三维施工状态、基础信息、实时监控等信息的展示。通过这些信息的形象化实时分析与展示，为工程建设单位、施工单位以及监理单位施工过程的高效管理与应用提供了重要平台。

1.1 软件系统架构

该软件系统架构从下而上主要分为5部分。

（1）基础设施层。主要为在振冲碎石桩施工机械上安装的相关数据采集与传输设备、租赁的云服务器与云储存阵列，以及为整个系统运行提供的重要的基础设施资源。

（2）数据层。主要将该系统运行所需的基础数据进行系统归类管理，其主要的数据类型有3类：①BIM+GIS图形库，将通过设计资料形成的振冲碎石桩模型、待加固地层、以及地形数据进行系统管理，为数据的展示提供重要三维模型载体;②原始施工数据库，主要将实时传输到系统中每根桩的施工信息按照桩号等进行标签化管理，为系统模块应用提供唯一的数据源;③数据分析库，将系统应用过程中利用原始施工数据库加工形成的新数据进行按类系统管理，方便应用模块快速调用。

（3）服务层。主要包括进行数据分析应用的不同算法集、搜索引擎等。

（4）应用层。主要为通过需求分析得到的、供用户进行数据分析与应用展示的功能模块，也是本软件系统中最重要的数据分析与展示应用。

（5）用户层。主要针对本软件系统用户进行的分权限分层次的用户层管理。本超深振冲碎石桩施工过程智能化监控软件系统主要架构示意如图1所示。

1.2 功能设计

通过对目前工程中常见的搅拌桩、振动沉管碎石桩、挤密砂桩等施工监控系统调研分析，并结合拉哇水电站工程地基处理中精细化管理需求与现状，进行了超深振冲碎石桩施工过程智能化监控软件系统中的主要功能设计。功能设计主要内容包括：

（1）工程概览。通过该模块能够对拉哇水电站工程中振冲碎石桩设计总桩数、总延米、填料总方量以及桩深、桩数分布情况进行图像化展示，并且对不同施工单位的日完成量、完成进度等情况进行图形化展示，便于工程施工管理者根据实际情况进行工程进度动态优化与调整。

（2）三维视图。本模块主要利用BIM+GIS技术，对振冲碎石桩的待加固地层情况、振冲桩几何特征情况、施工进展情况、不同桩的设计与施工对比情况等进行展示，可为工程施工管理人员提供形象化的设计、施工状况展示。

（3）施工记录与实时监控。施工记录主要将振冲碎石桩施工过程信息按照1条/s的频率进行标签化的系统管理，为数据的分析处理提供唯一的数据源;实时监控主要对正在施工的振冲碎石桩进行施工过程中深度、电流以及填料量的实时展示，并且通过数据的动态驱动，在界面中进行施工过程曲线、实时桩形以及施工现状的动画展示，当施工过程中的控制参数不满足设计所需的技术要求时，将触发警报，提示工程施工管理人员采取相关措施保证施工过程严格按照施工控制指标进行。

（4）曲线分析。该模块为施工结束后的振冲碎石桩生成标准的时间-深度曲线、时间-电流曲线、时间-填料量曲线，并自动生成施工完成后振冲碎石桩的可能桩形。这些曲线可为施工质量评价提供重要参考。

（5）质量分析。该模块能够在振冲碎石桩施工结束后，通过对施工曲线进行精细化分析，提取振冲桩成桩过程中每一个波峰波谷的时间参数，对成桩过程中的加密电流、留振时间进行分析计算，并在此基础上评价振冲碎石桩的施工质量。

（6）施工报表。该模块中主要进行施工結束后的振冲碎石桩施工记录以及单桩施工质量验收评定表的自动化生成，这些自动化生成的报表可作为施工质量评价的重要参考资料进行存档。

2 软件系统开发关键技术

在本软件系统开发过程中，充分参考了以往类似软件系统，并且针对拉哇水电站覆盖层振冲碎石桩加固深度超过常规深度的主要挑战，通过利用近几年应用较广的BIM+GIS、大数据挖掘等技术，进行了软件系统功能模块的开发。在软件系统开发过程中，应用了BIM+GIS、数据实时分析展示、数据挖掘分析3个主要关键技术。

2.1 BIM+GIS技术

本软件系统开发过程中，主要利用BIM技术进行振冲碎石桩的设计三维立体化展示，并且对每根桩的坐标、桩深、所穿过的地层都进行单独的图层分块管理。同时利用开源的GIS资源，建立施工区域的地形模型，通过振冲桩设计模型、待加固地层地质模型的耦合嵌套，形成了模拟真实振冲施工碎石桩施工区域的施工管理底图。建立的BIM+GIS底图能在Web端进行轻量化展示。

在拉哇水电站超深振冲碎石桩施工过程实时智能化监控软件系统开发过程中：①提出了基于构件合并和边叠法综合的轻量化方法，实现在不影响应用效果的前提下，去除冗余重复信息，保留必要的模型属性及几何图形信息，达到模型轻量化的应用需求;②利用基于模型动态加载方法和WebGL、ActiveX与云技术融合的三维模型展示以及交互引擎技术，实现桩设计信息与地质体模型基于Web访问的模型动态加载和高效交互渲染;③基于搭建的振冲碎石桩施工过程智能化监控软件平台，利用主流建模软件轻量化插件，研发了基于Web端应用的WebGL和ActiveX图形平台，实现模型交互、渲染和展示等图像化多应用模式，如图2～3所示。

2.2 数据实时分析展示技术

通过汇聚到软件系统中的超深振冲碎石桩施工过程实时信息，对其进行实时流程化分析与计算，实现动态数据驱动的施工过程图形化展示，并实现施工过程的云端远程实时监控。振冲碎石桩施工过程的动态展示界面如图4所示，能够实时展示振冲施工中的过程参数。

数据实时分析和展示时，安装在施工机械设备上的深度传感器、电流传感器以及填料称量传感器可能由于漂移、机械抖动等原因产生较大偶然误差，因而在数据实时分析展示过程中，要通过过滤处理将这些偶然误差去除，得到真实反映实时施工状态的信息、图形化的实时展示。偶然误差过滤是实时数据分析展示的重要基础工作。在偶然误差过滤中，使用的偶然误差判断标准充分考虑了振冲碎石桩施工工艺特点，对其造孔过程中的进尺速率、成桩过程中的上拔速率、电流突变等因素进行了挖掘与分析，通过实时数据与前几组数据的对比分析，判断其是否包含较大偶然误差，再利用该数据进行图形的动态驱动。

2.3 数据挖掘分析技术

随着施工过程的不断发展，汇聚到实时监控软件系统中的施工过程数据不断增加。由于施工过程数据采集频率为1条/s数据，照此频率计算，一根深40 m的振冲碎石桩施工完成时将会产生约8 000条数据;拉哇水电站上游围堰二期地基处理设计的振冲碎石桩超过2 600根，一共将产生超过1 500万条数据。这些重要的施工数据中不仅反映了机械施工过程中的实时信息，也包含了施工机械在不同地质条件下的响应。因此，利用数据挖掘分析技术，能够进行施工过程中的施工曲线精细化分析，得到成孔及成桩过程中的关键施工信息，并且与设计所需的技术要求进行对比，进行施工质量评价;此外，还可通过对施工过程中数据的清理与过滤，挖掘不同地质条件下施工机械在施工过程中的响应规律，开展利用施工实时数据判断地层类型的研究分析。

通过施工过程数据挖掘分析自动判别的振冲碎石桩施工全过程阶段划分与成孔成桩过程中振冲器下沉及提升时的深度与速率关系如图5～6所示。由图5中深度和电流分别随施工时间变化的曲线可以看出，整个振冲施工过程可以大致分为5个阶段：①A点之前是振冲器下护筒阶段;②AB段为成孔阶段;③CD段为振冲成桩阶段;④DE段为振冲器穿过上层砂砾石层或者到达护筒阶段;⑤E点以后即振冲施工结束，振冲器拔出护筒。这5个阶段的划分为施工数据的进一步过滤与深入挖掘提供了重要基础。

3 工程应用

拉哇水电站位于金沙江上游，左岸为四川省甘孜藏族自治州巴塘县拉哇乡。拉哇水电站坝址区分布有湖相沉积深厚覆盖层，深度达70 m。根据河床钻孔揭露，中坝址河床覆盖层物质成分复杂，由金沙江河流冲积物、堰塞湖相静水沉积物、崩（滑）堆积物组成，物质成分为砂卵石、砾石、漂石、中细砂、粉细砂、黏土质砂、砂质低液限黏土、低液限黏土、细粒土砂、块石及碎石土，由上至下可分为5层。

在拉哇水电站上游围堰地基处理的二期振冲碎石桩施工过程中，利用开挖完成的超深振冲碎石桩施工过程智能化监控软件系统进行了施工过程的远程云端管理，该围堰地基处理振冲碎石桩设计情况如图7所示。

2020年12月5日至2021年3月20日，在整个二期施工过程中，共采集到2 622根振冲碎石桩施工信息，总延米为77 311 m，碎石桩料总填筑11.06万m3。其中桩深超过50 m的振冲碎石桩共373根，桩深在40～50 m之间的桩有868根，桩深在30～40 m之间的桩有709根，桩深在20～30 m之间的桩有389根，桩深小于20 m的浅桩有283根。总深度超过70 m的桩有3根，其中最深的振冲碎石桩桩深为71.69 m，打破了国内外振冲碎石桩最深记录。二期振冲碎石桩施工总结如图8所示。在监测系统实际应用中，不同施工单位每天的工作进度以及整体工程施工进度与形象面貌都会在工程看板模块中直接展示，这为工程管理人员具体了解工程施工进度并进行下一阶段工程施工优化与调度提供了重要的支撑。

在实际施工管理过程中，振冲碎石桩施工过程智能化监控系统能够针对施工结束的振冲碎石桩进行施工过程曲线分析，如图9所示;并且通过对曲线的深入分析，得到振冲施工过程的加密电流、留振时间的过程曲线，如图10所示，为施工过程实时质量控制与评价提供重要支撑。

施工结束后，可以按照拉哇水电站中振冲碎石桩施工记录表以及施工质量验评表式样自动生成各振冲桩桩号的相关报表（相关示例如图11所示），为施工验收与质量评定提供重要的支撑。

4 结 语

针对拉哇水电站坝址区存在的超深分层多且地质条件复杂的软弱覆盖层和需采用振冲碎石桩进行地基加固的工程条件，开发了振冲碎石桩施工过程智能化监控软件系统，为国内外振冲碎石桩处理世界级的深地基工程施工过程管理与质量控制提供了可靠的手段。

后续将结合实际工程中为振冲碎石桩施工质量检测所进行的重型动力触探、渗透试验以及振冲桩开挖试验，开展施工过程信息与实际工程检测信息之间的相关分析，探讨超过20 m的振冲碎石桩施工质量检测的新技术与新方法，并进一步对系统功能模块进行总结完善，以供类似工程施工过程管理与质量控制借鉴。

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（编辑：高小雲）

Research on development and application of intelligent monitoring system for construction of ultra-deep vibro-replacement stone column

LIU Qiang 1， ZHAO Yufei 2， YANG Fan 2， LUO Wenjun 1， DU Xiaofan 1

（1. Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd， Chengdu 610041， China;   2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

Abstract：Vibro-replacement stone column is the most common means to deal with soft soil foundations. Most of the foundation treatments which applies vibro-replacement stone columns are concealed projects， so the quality control in the construction process is much more important than that after the construction. In the upper and middle cofferdam foundation of Lawa Hydropower Station， the vibro-replacement stone columns were applied to reinforce the weak overburden. With this case， the real-time monitoring system of the ultra-deep vibro-replacement stone column is established through the applications of BIM technology， GIS technology， refined data analysis technology， etc. During the construction process， the system collected real-time data such as the depth， the current， and the filling amount. According to these data， the construction process can be displayed graphically， and the automatic analysis and evaluation of construction quality can be carried out in real time. This system realized the real-time monitoring of the ultra-deep vibro-replacement stone column in the construction process， ensured the construction quality and provided an essential guarantee for the stability of the cofferdam.

Key words：vibro-replacement stone column; real-time monitoring; BIM+GIS; data analysis; Lawa Hydropower Station