物联网技术对水泥搅拌桩施工质量的智能监控

彭 勃

中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000

水泥搅拌桩施工具有高度的隐蔽性，地质条件、施工工艺、施工水平和人为因素均影响搅拌桩施工质量。施工缺陷难以全面预见，搅拌桩桩身质量的评价具有滞后性，使得成桩后发现问题难以补救。而且，水泥搅拌桩施工质量直接影响到路基的稳定性，整体工程的营运质量及工程的安全性和经济性；水泥搅拌桩施工质量达不到设计要求，会造成极大的安全隐患和不可估量的损失。

水泥搅拌桩软基处理施工质量控制现状是目前基本上采用现场旁站监督和工后抽查验证，不能有效保证整体施工质量。基于软基处理的隐蔽性与重要性，以及多年来水泥搅拌桩施工存在水泥用量难以保证，水泥掺量的分布均匀性难以准确监控的难题。现通过物联网技术水泥搅拌桩施工监测自动化系统的精确监测与控制，全面实时反馈至施工现场作为施工作业修正指导。

1 物联网技术水泥搅拌桩施工自动化监测系统组成

在线监控记录系统是智能施工系统的“眼睛”和“大脑”，负责监控施工参数的同时记录下施工的整个过程。该系统分为硬件部分和软件部分，硬件部分为实现现场监测的各类传感器，包括人机交互部分——记录仪，数据采集部分——传感器及相关配件。物联网技术监控水泥搅拌桩施工质量工艺流程见图1。智能桩机是系统执行机构，根据设计参数进行施工，同时依据监控系统的数据进行自动调整。智能自动浆泵根据桩机指令进行送浆。

图1 物联网技术监控水泥搅拌桩施工质量工艺流程

1.1 系统硬件部分

1.1.1 人机交互部分

用于水泥搅拌桩施工监控的大屏幕液晶显示器安装在监控中心。深层搅拌桩监控施工记录仪安装在水泥搅拌桩施工现场，是水泥搅拌桩施工的操作平台。自动搅拌后台在线制浆记录仪，是水泥搅拌桩施工制浆操作后台。

1）智能桩机。

智能桩机由电磁流量传感器、密度传感器、压力传感器、深度位移传感器、电流互感器、倾角传感器及桩机记录仪组成。智能桩机最大限度地实现了施工的自动化，根据设计要求对施工进行精确控制，施工过程在无人干预下按既设参数运行。自动制浆站在节约人工的同时实现批量式自动制浆，每笔制浆数据包括水泥用量、水灰比等即时上传，防止人为偷减材料问题的产生。在线监控系统对施工过程做到全程实时监测并记录形成档案，成桩过程中的数据即时在线传输到服务器。业主、监理、项目部可实时查看现场施工情况。

智能桩机是系统施工的执行机构，智能桩机实现了施工的自动化，同时对施工进行精确控制。原来的普通桩机一根桩最多只分两段，智能桩机可以对每根桩分数段处理，最小可以0.1 m 一段，而且可以根据采集到的数据对浆量进行智能动态控制。

2）智能桩机传感器作用。

深度传感器安装在钻机井架上，用于测量钻机钻进深度，从而可以控制水泥搅拌桩的桩长。电磁流量计在钻机原有的注浆管道上选择适合处断开注浆管，用于测量水泥浆液的流量，控制水泥搅拌桩施工的用浆量。倾角传感器安装在转架上，控制水泥搅拌桩机前后左右的倾斜角度，通过倾角测量能保证钻杆与地面的垂直度［1］。密度传感器在钻机原有的注浆管道上选择适合处断开注浆管，然后将密度装置串接进去，安装时必须垂直放置密度装置，用于测量水泥浆液的水灰比。

1.1.2 操作界面

1）开机界面。

开机界面最上面一行显示了机器号和是否在线，中间部分为主要功能按钮，按不同按钮进入不同功能。

2）记录界面。

按记录按钮进入记录功能，没开始记录前显示蓝界面，根据提示输入桩号，按开始进入记录功能，打桩完成后按完成按钮，再次出现蓝界面，输入下一根桩号可以进入下一根桩的记录。

3）记录详情界面。

记录时的主监控界面，以数值与图表的方式显示当前传感器状态、数值，显示部分统计信息，提供操作按钮，用于控制记录进程。

1.1.3 全自动制浆站

该自动拌浆机由电控柜、搅拌机、储浆筒、水泵、空压机、气动阀、螺旋输送机及电子传感器等组成。LD-BZ 系列自动拌浆机是由水泥罐、螺旋送浆机、拌浆筒、储浆筒、水泵、电控柜及电子配料仪器等组成，是一种准确计量、自动化程度高的拌浆设备。它广泛应用于SMW 工法、三轴搅拌桩加固、二轴搅拌桩加固、旋喷桩等桩基工程。全自动制浆站设计合理、运输方便、搅拌效率高，具有配料传感称重、电子显示、精度高、安装维修简单等特点。

1.2 系统软件部分

软件部分由信号接收、数据整理、综合分析、成果反馈等子系统构成，软硬件之间通过无线方式实时连通。

1.2.1 系统登录

安装好软件后双击图标启动软件，登录用户名，密码可向管理员索取，不同用户名有不同的功能，对应不同的项目。

1.2.2 实时监测

双击一览表上的设备，打开实时详情子窗口，如果双击的设备为在线制浆站则显示制浆站的制浆记录，如果双击的设备为桩机则显示桩机的工作情况，可以同时打开多个水泥搅拌桩监控记录仪实时察看子窗口。

1.2.3 打桩过程全程记录

物联网技术监控水泥搅拌桩系统能实时自动生成深度与浆量曲线、深度与电流曲线。深度与浆量曲线反映打桩过程中深度与浆量之间的关系。深度与电流曲线反映下钻和提钻过程中电流数值变化大小。第一次下钻和提钻过程中，由于土质较硬，钻杆负荷大，反映出电流数值大；第二次下钻过程中，由于已经钻过一次，土质已经均匀，钻杆负荷较小，反映出电流数值小。

2 材料与设备

基于物联网技术监控水泥搅拌桩施工所需要的大屏幕液晶显示器、施工记录仪、自动化在线制浆记录仪、传感器及仪器设备见表1。

表1 物联网技术监控水泥搅拌桩主要设备配置

3 经济效益分析

3.1 传统水泥搅拌桩施工效益分析

传统水泥搅拌桩施工方法的质量管理，基本上采取“一人一机”的现场旁站监控方法，严防施工班组偷工减料和不按照试桩工艺参数施工。2018年5月至2019年8月，施工期共计15 个月，施工高峰全线有95 台钻机施工，一般施工状态下投入70 台钻机进行施工。按照“一人一机”的现场旁站监控方法，需安排70 个监理员和70 个技术员现场旁站监控质量。每一施工段安排一人进行现场施工管理，全部施工段安排4 个测量员进行桩位测量放样。传统常规水泥搅拌桩施工质量经济效益分析见表2。

3.2 物联网技术监控水泥搅拌桩施工效益分析

物联网技术监控水泥搅拌桩施工，实现施工智能自动化，尽量减少人工操作。按照“一工点一人”的现场旁站监控方法，安排30 个监理员和30 个技术员现场旁站监控质量。每一施工段安排一人进行现场施工管理，全部施工段安排4个测量员进行桩位测量放样。相比传统常规水泥搅拌桩施工方法的旁站监控质量管理，减少了40 个监理员和40 个技术员。同时，还避免了人工操作中的不确定性，在节约人工成本的同时，提高了施工质量。物联网技术监控水泥搅拌桩施工提高了成桩精度，可以对成桩过程分多段进行精确控制，根据地层情况进行不同掺入量的控制，再根据系统反馈信号确保掺入量达标。具体经济效益分析见表3。

3.3 物联网技术监控与传统常规水泥搅拌桩施工效益对比

由表2可知，用于水泥搅拌桩施工质量监控的人员总费用为2858万元。由表3可知，用于水泥搅拌桩施工质量监控的人员总费用为1576万元。物联网技术监控相比传统常规水泥搅拌桩施工质量监控的人员费用减少1282 万元，降低了工程造价，取得了良好的经济效益［2］。

表2 传统常规水泥搅拌桩施工质量经济效益分析

表3 物联网技术监控水泥搅拌桩施工质量经济效益分析

4 应用实例

G25 德清至G60 桐乡高速联络线湖州段工程第LTJ01 合同段，起讫里程为LYK0+847（LZK0+843）～LK12+997，线路全长12.150 km，位于德清县乾元镇及钟管镇境内。湖州段穿越水网密布的杭嘉绍平原沿湖沿河沼积地区，水资源丰富，地质条件较差，软土路段不均匀分布，软土主要为流塑状淤泥和软塑—流塑状淤泥土，软基处理工程量大，水泥搅拌桩设计数量共计105710根，合计长1887 870 m。其中，深度大于10 m双向水泥搅拌桩设计数量共计100493根，合计长1826 339 m，深度小于10 m单向水泥搅拌桩设计数量共计5217根，合计长61531 m，全部采用物联网技术监控水泥搅拌桩施工质量。

采用物联网技术监控水泥搅拌桩施工监测系统，全线完成水泥搅拌桩检测6464 根，其中，单向水泥搅拌桩3665 根，双向水泥搅拌桩2799 根。全线单向水泥搅拌桩（桩长小于10 m）合格率为93.5%，全线双向水泥搅拌桩（桩长大于10 m）合格率为85.4%，传统水泥搅拌桩施工质量合格率为50%～60%，物联网技术监控水泥搅拌桩合格率整体提高了30%～34%，合格率相比传统施工方法显著提高。软基科技课题组根据浙江省检测标准，对400根水泥搅拌桩进行标准贯入试验、钻孔取芯芯样的硬度或状态检验、室内芯样的无侧限抗压强度试验和桩体质量指标CMPQD 值4 个方面的试验指标检测，根据检测指标得出桩身质量综合评价，进行了抽检对桩身质量综合评价，评价结果为：共抽检177 根，合格桩155 根，合格率为87.6%。软基路段路基填筑沉降情况LK7+655～LK7+794 路段，共4103根，合计长82060 m。软基路基在已经填筑1.6 m 高度的情况下，经过4个月的沉降观测，最大累计沉降量37 mm，沉降速率0.2 mm/d；最小累计沉降量14.5 mm，沉降速率0.01 mm/d，完全符合设计要求。

水泥搅拌桩施工质量直接关系到地基加固的成效。因此，要加大施工质量控制的力度，将水泥搅拌桩质量控制贯穿施工的全过程，坚持全过程的施工监控和事后检测。水泥搅拌桩加固处理软基提高了地基承载力，避免了软土路基产生工后沉降和沉降差异造成的高速公路运营安全隐患，从而可以取得良好的经济效益和社会效益。

5 结语

基于物联网技术水泥搅拌桩施工监测自动化系统，根据影响搅拌桩桩身质量的重要施工参数，在水泥搅拌桩机上安装各种类型的传感器。将所采集到的施工信息传输到现场的桩机记录仪，桩机记录仪将采集的各种信号参数传输到电信基站，电信基站传输到互联网服务器，再由互联网服务器传输到互联网与现场数据中心。互联网服务器与现场数据中心可以互相传输数据，互联网服务器将现场数据传输到互联网，再由互联网将现场数据传输到笔记本电脑、PC机、手持设备，业主、监理单位、项目部等相关单位可随时查看施工情况。

物联网技术水泥搅拌桩施工监测自动化系统，由自动记录子系统、实时数据在线反馈子系统及报警子系统组成。物联网技术水泥搅拌桩施工在线实时监测自动化系统，可监测钻进深度、喷浆量和喷浆压力、浆液密度、提升速率、搅拌次数，实现实时监测数据上传与记录。实现了施工数据的实时采集、实时上传，智能分析单桩施工过程中的水灰比、桩体水泥浆液的段浆量、水泥浆液喷浆总量、桩长、转速等。以此实现从现场信号采集、转换、发送到在线实时反馈不合格参数远程报警等功能。

在线监控系统对施工过程做到全程实时监测并记录形成档案，成桩过程中的数据即时在线传输到服务器。施工管理人员可实时了解施工过程中工艺参数的变化情况，以最快的速度采取相关措施进行调整，从而保证了施工质量，避免了施工资源浪费。在线监控系统不受地域限制，随时随地查看现场施工数据，对现场施工情况作出有效分析判断，实时反馈至施工现场作为施工作业修正指导，实现了远程多人实时在线监测，极大地提高了工作效率。

运用先进的物联网技术，建立一套完善的水泥搅拌桩智能施工监测监控系统，不仅仅对于水泥搅拌桩施工技术的发展是一个促进，对软基处理的各种工法都能够起到积极作用，而且对我国的施工水平也必将会产生巨大的推动作用。