基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程监控系统应用研究*

陈 飞,金建敏,柯小环,奚 进,陈 毅,叶观宝,樊 皝

(1.浙江交投高速公路建设管理公司,浙江 杭州 310024; 2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)

0 引言

为了适应城市建设和交通工程的需要,预应力管桩被广泛应用于软土地区。预应力管桩常用锤击法、静压顶压法和静压抱压法进行施工,具有承载力高、穿透能力强、施工速度快、污染小等优点[1-3]。然而,预应力管桩也具有隐蔽工程的特点,工序繁杂,工艺流程衔接紧密,易出现桩身倾斜、桩顶移位等问题,给工程质量监管带来了困难[4-5]。

目前对于预应力管桩桩身质量的管控措施主要是施工期间的人工旁站监督和施工结束后的桩身质量抽样检测[6-9]。但施工期间的人工旁站监督很难对管桩桩身质量进行全面把控;施工后的桩身质量抽样检测往往存在一定的滞后性,沉桩完成后如发现问题难以采取有效的补救措施;同时受抽样比例限制,桩身质量随机抽检难以实现所有桩的质量管控。因此,有必要对预应力管桩施工开展全过程远程监测系统的应用研究,从而掌握每根预应力管桩的施工质量,实现全过程质量控制。

近年来,物联网技术飞速发展,在隐蔽工程质量监管方面的应用被逐渐推广,基本实现对预应力管桩施工全过程的实时监测,但目前相关研究较少,尚未形成完整、系统的监控体系。基于此,本文介绍一种基于物联网技术的软土地基处理方法施工全过程在线实时监控系统。该监控系统可实时跟踪预应力管桩施工过程中的数据,并提供反馈和实时处理结果,可有效提高隐蔽工程施工质量管理水平,创新工程管理理念和方式,提高工程管理的科学性。

1 监控系统前端

静压法预应力管桩实时监控系统可实时监控管桩施工过程中的时间、桩长、桩位、压桩力、深度、倾斜度等,并实时记录和分析数据。通信结构和现场如图1,2所示。

图1 智能监控系统通信结构Fig.1 Communication structure of intelligent monitoring system

图2 智能监控系统现场示意Fig.2 Intelligent monitoring system on site

静压法预应力管桩实时监控系统硬件部分包括监控记录仪、倾角传感器、深度传感器和压力传感器,基本信息如表1所示。当设备满足施工条件时,按照要求安装各传感器并采集现场数据,采集数据前需对传感器进行标定,确保采集数据的合理性和有效性。

表1 监控系统关键仪器设备Table 1 Key instruments and equipment for monitoring system

1.1 监控记录仪

静压法预应力管桩施工记录仪应安装在钻机操作平台上合适位置处,便于工作人员观察和操作,操作界面如图3所示。使用时需将倾角传感器、深度传感器和压力传感器分别连接到主机侧板的对应接口,并连接电源线,电源线另一端插入220V的交流电源。

图3 静压法预应力管桩监控记录仪系统操作Fig.3 System operation of static pressure prestressedpipe pile monitoring recorder

1.2 倾角传感器

倾角传感器一般安装在转架上,顶压桩机安装在桩管夹具上部和轨道滑轮附近。倾角传感器的安装只需搭配固定底座即可完成,用焊机将铁块焊接到钻架高度1/5处,然后用2根φ4螺杆将倾角传感器固定到铁块上。倾角传感器通过测量前后向和左右向2个方向的角度,确保钻杆与地面的垂直度始终符合设计和施工要求。

1.3 深度传感器

深度传感器由光电编码器和传动部件机座组成,光电编码器通过传动滚轮传动,传动滚轮由传动部件带动。静压抱压法中,静压抱压桩机通过2个无线测距传感器实时监测2个传感器之间的距离数据,若夹持油路油压传感器和下压油路油压传感器同时监测到数据,且数据值大于预设数值,此时无线测距传感器记录2个测距传感器之间的距离;在持续下压过程中,每隔5s或25cm(取决于使用的监测标准)记录一次距离数据;完成所有压桩过程后,累计位移即为这根桩的压桩深度。

1.4 压力传感器

拆卸液压管道上原有的油管,通过三通将压力传感器安装上去。大部分静力压桩机的静压力来自于液压机构,通过压力传感器可实时监控油压变化,判断桩机状态,并记录其夹抱状态和压桩、拔桩状态,辅助深度传感器测量压桩深度。

2 监控系统管理平台

在规范和设计要求指导下,传感器实时监测桩机工作情况,实现管桩施工全过程监控,避免了人工干预的影响。施工期间传感器实时采集数据并自动上传平台,支持施工现场记录仪、PC端、手机APP实时数据同步展示,实时预警及反馈处理,过程数据回放。

2.1 实时数据监测

监控平台通过传感器跟踪管桩施工全过程(见图4),实时监测、采集和上传数据,支持每根桩施工全过程可视化模拟和多速率(正常、快速、极速)回放。

图4 实时数据监测平台Fig.4 Real-time data monitoring platform

2.2 生产记录

监控平台存储预应力管桩施工全过程的数据记录,可自动生成数据列表和曲线图,如桩位、垂直度、深度-时间曲线、深度-压力曲线等(见图5),通过全过程生产记录实现数据的可反馈和可追溯。

图5 生产记录Fig.5 Production record

2.3 预警系统

静压法预应力管桩施工全过程监控系统提供实时预警处理,基于提前录入的预警标准判断施工过程中出现的异常数据并报警显示,通过短信或邮件等方式向相关人员推送,支持预警系统闭环工作。

同时,设立各级监控中心,远程监控施工过程并提供数字化展示。管桩开始施工后,监控系统实时监测桩机工作情况,将数据上传至监控中心,一旦发现异常数据,监控中心将及时反馈至施工现场,查明异常原因,采取必要的解决措施。监控中心控制整个系统,可同时监控分布于各个项目的对应系统。用户登录平台输入指令可获取施工数据,还可直接打印基于数据生成的各类图表,以形成报表。施工现场记录仪可存储施工信息,采集的所有数据存储于系统服务器,可随时调阅查看。

3 现场应用

3.1 工程简介

瑞苍高速公路龙丽温至甬台温复线联络线工程项目位于浙南低山区和沿海丘陵平原区,水网密布,软土分布广泛,软基处理形式多样,工程量大,施工周期长。联络线软土主要分布在海积平原区,K18+618—K22+900(软土厚度13～19m)、 K24+610—K24+765(软土厚度1～3m)、K25+005—K27+660(软土厚度14～24m)、K28+810—K39+687.361路段软土厚度超过20m。全线软基路段总计17 969.361m。

软土地基施工是本项目的重点,其质量保障是本项目的难点。为避免和及时发现施工过程中可能出现的桩身倾斜、桩顶移位、压桩力过大等问题,本项目全面应用基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程监控系统,远程实时监控施工进程。

3.2 施工质量控制要求

本文基于瑞苍高速第2,3,4标段施工图设计方案中预应力管桩施工质量检验项目(见表2)对各标段施工现场预应力管桩进行施工质量检验。

表2 预应力管桩施工质量检验项目Table 2 Construction quality inspection items of PHC piles

预应力管桩施工设计要求最大单桩承载力设计值<1 000kN,桩间距允许误差值为±100mm,桩体垂直度≤1%,桩身无明显缺陷。第2标段设计桩长21～22m,设计压桩力481～489kN;第3标段设计桩长30～48m,设计压桩力255～2 011kN;第4标段设计桩长31～42m,设计压桩力667～1 501kN。

3.3 监测系统现场实施

3.3.1第2标段

第2标段SK0+209—SK0+060_674号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图6所示。该桩桩间距2.4m,成桩时间964s。平均压桩力560.18kN,大于设计压桩力481kN,满足要求;施工桩长21.74m,大于设计桩长21m,满足要求;最大垂直度0.21%,小于1%,满足要求。

图6 SK0+209—SK0+060_674号管桩监测数据Fig.6 Monitoring data of pipe pile SK0+209—SK0+060_674

第2标段SK0+209—SK0+060_669号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图7所示。该桩桩间距2.7m,成桩时间770s。平均压桩力506.17kN,大于设计压桩力481kN,满足要求;施工桩长21.06m,大于设计桩长21m,不满足要求;最大垂直度0.26%,小于1%,满足要求。

图7 SK0+209—SK0+060_669号管桩监测数据Fig.7 Monitoring data of pipe pile SK0+209—SK0+060_669

第2标段CK0+718.283—CK0+689.5_D1274号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图8所示。该桩桩间距2m,成桩时间1 053s。平均压桩力628kN,大于设计压桩力481kN,满足要求;施工桩长19.30m,小于设计桩长21m,不满足设计要求;最大垂直度1.12%,大于1%,不满足要求。

图8 CK0+718.283—CK0+689.5_D1274号管桩监测数据Fig.8 Monitoring data of pipe pile CK0+718.283—CK0+689.5_D1274

3.3.2第3标段

第3标段AK0280—AK0330_D1536号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图9所示。该桩桩间距2.3m,成桩时间1 367s。平均压桩力 1 158.66kN, 大于设计压桩力1 124kN,满足设计要求;施工桩长40.05m,大于设计桩长40m,满足设计要求;最大垂直度0.07%,小于1%,满足设计要求。

图9 AK0280—AK0330_D1536号管桩监测数据Fig.9 Monitoring data of pipe pile AK0280—AK0330_D1536

第3标段AK0280-AK0330_D1523号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图10所示。该桩桩间距2.9m,成桩时间1 372s。平均压桩力941.06kN,小于设计压桩力1 124kN,不满足设计要求;施工桩长40.20m,大于设计桩长40m,满足要求;最大垂直度0.03%,满足要求。

图10 AK0280—AK0330_D1523号管桩监测数据Fig.10 Monitoring data of pipe pile AK0280—AK0330_D1523

第3标段AK0+592-AK0+658_7398号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图11所示。该桩桩间距1.6m,成桩时间956s。平均压桩力 3 849.01kN, 大于设计压桩力437kN,满足要求;施工桩长34.02m,大于设计桩长34m,不满足设计要求;最大垂直度0.21%,小于1%,满足要求。

图11 AK0+592—AK0+658_7398号管桩监测数据Fig.11 Monitoring data of pipe pile AK0+592—AK0+658_7398

3.3.3第4标段

第4标段HKO+325—HKO+424_3A59号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图12所示。该桩桩间距2.3m,成桩时间722s。平均压桩力987.22kN,大于设计压桩力686kN,满足设计要求;施工桩长32.27m,大于设计桩长32m,满足设计要求;最大垂直度0.12%,小于1%,满足设计要求。

图12 HKO+325-HKO+424_3A59号管桩监测数据Fig.12 Monitoring data of pipe pile HKO+325-HKO+424_3A59

第4标段AK0480-AK0577_1526号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图13所示。可知该桩桩间距2.7m,成桩时间643s。平均压桩力810.12kN,大于设计压桩力686kN,满足设计要求;施工桩长32.09m,小于设计桩长32m,不满足设计要求;最大垂直度0.11%,小于1%,满足要求。

图13 AK0480—AK0577_1526号管桩监测数据Fig.13 Monitoring data of pipe pile AK0480—AK0577_1526

4 结语

1)静压法预应力管桩施工全过程监控系统包括前端和管理平台两部分。监控系统前端由监控记录仪、倾角传感器、深度传感器和压力传感器组成,可对管桩施工情况进行实时监测,实时采集施工数据并自动上传。监控系统管理平台通过传感器对管桩施工全过程进行实时跟踪、记录和反馈,实现施工过程可视化模拟和数据回放。

2)工程实践表明,该监控系统可实现对预应力管桩施工全过程的实时追踪与反馈,并对施工数据进行实时处理和分析,从而及时发现预应力管桩施工过程中可能出现的诸如管桩不垂直、压桩力过大、压桩速度过快、压桩桩长不足等问题并提供报警信息。有效规避了传统施工质量监测方法在隐蔽工程中应用时存在的滞后性和片面性等局限,提高了预应力管桩施工质量的真实性和有效性。

3)将基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程实时监控系统应用到隐蔽工程的监测中,可获取所有管桩的详细施工数据和图表信息。进一步结合大数据分析实现信息化施工,研究建立桩身质量综合评价体系和单桩承载力预测模型,可实现管桩施工质量的实时监测和全面把控,极大地提升施工现场管理水平,提高工程质量管理的科学性和合理性,创新工程管理理念和管理方式。