基于GNSS的监测系统辅助大型土坝碾压施工技术研究

龚 华

一、前言

土坝是以土、砂砾石等当地材料为主填筑的坝型。传统的土坝填筑碾压质量主要通过施工过程中的压实参数（铺层厚度、土石料性质、碾压遍数、碾压行车速度、激振力等）以及试坑检测的压实标准（压实度或干密度、含水量和级配等）来控制。存在以下问题：传统压实检测控制方法是事后检测控制，不能及时处理过程中发现的问题；传统压实检测控制方法属于点式检测控制，耗时较长，干扰施工流程，当个别检测点不满足要求时，难以界定重新碾压的范围；传统的质量控制手段容易造成欠压和超压。

为解决传统土坝碾压过程中质量控制问题，安徽水安建设集团股份有限公司在定远县江巷水库枢纽工程、山东省庄里水库工程大坝碾压过程中应用GNSS 定位等现代化技术，利用大数据采集手段，建立碾压遍数、厚度、速度与压实质量分析模型，对大型土坝的碾压施工实施全过程可视化监测，提高了工程质量，保证了投资效益。

二、技术特点与适用范围

（一）技术特点

1.结合GNSS 厘米级高精度定位技术通过对碾压设备移动轨迹采集和定位，实现实时全程连续可视化跟踪碾压过程，实现由事后检验到过程控制的质量管理模式。

2.根据碾压试验中建立的压实指标与碾压速度、碾压遍数等关联关系，对碾压作业时出现的欠压、超压、漏压等情况，通过传感器实现自动预警和报警，指导碾压施工，保证土方填筑质量。

3.建立了协同工作平台，做到与建设、施工、监理等单位数据共享，实现了项目多方协同管理。

（二）适用范围

适用于大坝坝体连续作业的大面积土方碾压工程，亦可适用于市政、公路大面积土方碾压工程。

三、工艺原理

基于GNSS 的监测系统辅助大型土坝碾压工艺核心是GNSS 监测系统的应用。在土坝碾压过程中，根据不同填料与碾压设备相互动态作用原理，利用振动碾主轴上的压实度传感器形成的振动响应信号，确定响应信号和压实质量的关系，建立压实指标关联分析模型和实时反馈体系。

GNSS 监测系统包括GNSS 基准站组件和振动压路机安装组件。系统运行时，架设在控制点上的GNSS 基准站实时向压路机上的GNSS 接收机发送差分信号，安装在压路机顶部的GNSS 接收机和无线电接收器，接收GNSS 信号和基站发送的差分信号进行实时定位；装在压路机振动碾主轴上的传感器实时将压实数据传输给安装在驾驶室的显示控制器及设备终端，使操作手和管理人员能够实时掌握压路机所在的三维位置、碾压遍数、压实厚度、压实度等信息。

四、施工操作要点

（一）安装GNSS 监测系统

1.基准站组件安装

（1）在项目现场浇筑钢筋混凝土基准站观测墩，观测墩埋深要大于冻土层，以防止土的松动或热胀冷缩。

（2）组装基站接收机、专用GNSS 天线、发射电台等部件。

（3）安装完成后，调试运行基准站，检验基准站差分稳定性、覆盖距离、数据传输能力、抗干扰能力是否满足现场施工要求。

2.压路机组件安装

（1）压路机组件由工程接收机、压实度传感器、判向传感器、工业级平板控制终端等部件组成。

（2）接收机为GNSS 数据传感器，安装在机顶，便于BDS 信号接收。

（3）压实度传感器安装在压轮中心位置，主要测量和记录压轮的振幅和频率，引导操作手对压实情况实时监控。

（4）判向传感器焊接在压路机大臂前端位置，伸出2cm；安装时，要调整传感器蓝色感应头处的箭头方向朝着钢轮转动的方向。

（5）工业平板控制终端安装在驾驶室驾驶员右手方向位置，工业平板控制终端精巧、可靠、结实，搭载Android 操作系统，集终端信息显示、数据通信枢纽功能于一体，实时反映压实状态。

（二）设置GNSS 系统基础参数

1.基准站组件参数设置主要包含网络、电台、频道、空中波特率、发射功率等，根据GNSS 系统的不同分类（GPS 系统、北斗系统等）、基准站的不同型号设置不同的参数。

2.压路机组件参数设置主要包含网路、GNSS、振动传感器、方向传感器、差分、颜色、坐标等。振动、方向传感器参数直接反应压路机工作状态，如压实程度、稳定性、均匀性、行走轨迹。

（三）一次碾压试验

在坝基范围内选定碾压试验的场地面积，场地面积不小于20m×30m，将试验场地以长边为轴线方向，划分为10m×15m 的4 个试验小块。试验前将坝基平整清理，并将表层压实。通过一次碾压试验确定满足设计要求、合理的碾压技术参数（铺土厚度、碾压遍数、碾压行驶速度、土料含水率、激振力），确定取土、卸料、平整、碾压等施工方法；根据碾压试验确定的碾压技术参数修正GNSS 监测系统参数，使GNSS 监测系统能够科学合理实时地反映大坝碾压全过程，进而实现碾压质量的过程控制。

（四）二次碾压试验

1.确定压实关联度。平板控制终端内压实关联度参数根据不同土料设置为不同数值。用同一台压路机以弱振模式在确认已经碾压合格(常规检测合格)的路段上进行二次碾压试验，连续测试100m 采集并自动计算的平均值作为压实关联度（考虑工作关联性，这项步骤可以在碾压合格的一次碾压试验段上进行作业）。

2.建立模型。坝体填料根据现场土场运距、土质不同，需要从不同土场中取土填坝。根据一次碾压试验确定的碾压参数，设置所对应压路机组件中平板控制终端内碾压参数，碾压参数包括虚铺厚度、行驶速度、碾压遍数、激振力，建立与碾压试验一致的碾压模型。

（五）校核压实关联度

用同一台压路机以弱振模式在已经碾压合格(常规检测合格)的路段上进行碾压确定压实关联度后，在大坝碾压工作段任选取200m 作为校核压实关联度试验段（不同土料均要任选取200m）。碾压工作按照设定的GNSS 监测系统基础参数、压实关联度进行碾压作业，碾压结束后依据《水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准——土石方工程》（SL631-2012）要求进行压实度常规试验。压实度满足评定标准，可视为GNSS 监测系统中压实关联度参数可以应用于本工程碾压工作。

（六）全过程连续可视化跟踪碾压

1.GNSS 监测系统应用前，将项目施工平面布置图导入该系统，根据施工规范要求，划分单元工程、施工工区等，对各单元工程或施工工区可以建立直观、立体施工过程演示图。项目管理人员可以应用GNSS 监测系统以单元工程、施工工区为单位，对该区域平面、立面的碾压状态进行科学汇总，详实准确记录，可以反映施工过程中可能出现质量缺陷的薄弱部位，为常规质量检测薄弱部位提供定位支持，使抽检更具说服力。

2.在实施碾压过程中，GNSS 监测系统通过传感器对施工区段的碾压遍数（总数）、碾压遍数（静压和振动）、碾压速度超限次数、碾压速度平均值、碾压速度最终值、激振力数值、沉降量数据实时记录，驾驶室中的平板控制终端对不符合碾压参数的作业区域实行自动预警和报警，指导碾压施工。

3.平板控制终端通过无线传输方式实时回传至后台服务器，后台服务器会实时将数据通过网页端发布出来，即管理人员在后方通过WEB 端实时查看每台压路机的位置、碾压轨迹、碾压遍数、行驶速度、振动频率、压实度状态等，并且施工数据会在服务器中存档。WEB 网页终端管理人员账户根据参建单位需要，设立施工、监理、业主、设计单位账号，各参建单位自行登录该系统，即可实时观测大坝填筑碾压状态。

4.GNSS 监测系统自带实时数据库、历史数据报表，实现了对碾压作业进行在线读取和历史回放，历史数据报表可以下载、导出、打印，可以作为施工过程资料存档。

（七）检测验收

碾压结束后，确定土坝检测频次为1 次每100～200m3。为更好地反映坝体填筑质量，在满足常规检测基础上，重点对实时监测反映的薄弱部位（如接头位置、碾压超速、超压以及其他超出参数范围部位等）进行抽检，如薄弱位置满足压实要求，则基本可以反映本单元工程满足施工要求，反之，采取开挖、换填等措施对薄弱部位进行施工处理，彻底消除存在的质量隐患。

五、质量控制要点

（一）碾压质量控制要点

平行于大坝轴线采用进退法碾压，每两遍的搭接处要错位，严禁漏压和过压；碾压速度按确定的碾压参数严格控制，随时检查碾压机具的性能（如频率、振幅）；填筑时，边坡部位超填要满足规范要求，以保证削坡后边坡压实度能满足设计标准；严格控制土的上限含水率不超过设计上限。

（二）GNSS 监测系统使用控制要点

1.施工过程中在同一个作业面有两台及以上压路机作业，注意要点如下：

（1）每层填料，每台压路机必须在固定的区域进行碾压。例如某一作业面有两台压路机进行碾压，那么可以将坝体分为左、右半幅用两台压路机分别进行碾压，如果是三台压路机则将坝体分为左、中、右三幅，依此类推。

（2）在每层填料碾压的过程中，压路机不能交替碾压。

（3）在实际碾压过程中，必须保证全程打开GNSS 监测系统进行数据记录，压路机换轮时要将绘图关闭，换完轮后再将绘图打开进行碾压。

2.如果同一台压路机需要在几个不同作业面作业时，注意要点如下：

（1）如果此压路机在另一个作业面前一层的规定区域有碾压数据，那么可以直接进行碾压，如果没有前一层的数据，在填料前，压路机需要在坝体上静压一遍获取前一层上表面高程信息。

（2）如果此压路机在第一个作业面的碾压工作还没有完成，但需要临时到另一个作业面进行碾压，先将在第一个作业面的工作打印出一份报告，然后将地图重置，等再回到第一个作业面完成之前未完成的作业后，打印剩下的报告。

（3）压路机在转换作业面的时候将绘图关闭。

（4）GNSS 监测系统会将压路机作业全过程数据真实地记录在数据卡中，为保证数据完整统一，在施工应用中，不得频繁地调动压路机。

六、效益分析

（一）经济效益分析

1.提高机械使用效率。GNSS 监测系统的平板控制终端可以直观地给操作手提供实时的碾压状态，在压实过程中反映每一层的压实程度，在合适的时间进行常规检测，优化了碾压遍数，防止欠压、过压及漏压。尤其在夜间施工，为操作者提供便利，提高施工质量。

2.节约人员成本。减少重复检测时间，节约检测人员成本；提高机械工作效率，节约操作人员成本；缩短大坝施工周期，节约管理人员成本。

3.降低油耗。应用GNSS 监测系统辅助大坝碾压作业，操作手可以直接观测大坝碾压实际情况，不会出现盲目碾压，减少返工率，促进碾压作业的高质量发展；同时也可以做到最大限度减少搭轮错压宽度，避免错压、欠压及超压，提高工作效率，降低机械油耗。

（二）社会效益分析

1.推动信息化技术在工程施工中的深入应用。GNSS 监测系统是基于大数据、互联网技术下，进行项目多方协同管理、动态管理、全过程监管的信息化技术，实践证明该技术不仅能够节本增效，还满足高质量发展要求，满足时代发展要求，对信息化技术在工程中的应用起到了很好的助推作用。

2.创新项目管理模式。GNSS 监测系统的应用改变了项目生产以传统手工管理为主的管理模式和业务流程，使广大管理人员从繁琐的手工劳动中解放出来，不仅扩大了项目管理的覆盖面，还能使管理工作有的放矢，提高管理效率，降低管理成本■