成都天府国际机场全场地基处理和土石方工程数字化施工技术应用及思考

□ 成都天府国际机场建设指挥部 王 跃 陈正玺/文

从原子到比特，从物理世界到数字世界，这是人类从未经历的时代，数字化浪潮正在触达世界的每一个角落。那些你从未想过的可能，正和数字化一起变成现实。数字化是通过采集、处理、贮存、传输、分析和应用等环节，将现实世界的信息转变为计算机“0、1”二进制代码的过程。数字化施工是指建造生产领域的数字化，它融合了施工工艺、定位技术、传感器技术、网络技术、计算机软硬件技术与管理科学。

成都天府国际机场近期工程规划3条跑道，60万平方米航站楼，占地面积约2101万平方米。原始地形地貌丘壑相间、高低交错、起伏连绵，全场原地基处理面积约560万平方米，全场土石方工程挖填量约1.8亿立方米，具有工程体量大、面积广、质量要求严、资金投资多等特点，技术上还面临软弱地基处理复杂、不均匀沉降控制、高填方稳定控制等挑战。目前，现有法定工程质量的检验评定方法均为事后检验，受限于取样数量难以全面反应整个施工过程质量；而过程管控则主要依靠监理、三检和监测等单位进行人为监控，缺乏全时段、全方位地监控手段。为强化施工过程管理，提升工程质量水平，采取数字化施工技术对过程和质量进行实时监控，是社会发展、技术革新、工程管理提升的趋势所在。

数字化施工基本原理

（一）整体构架

数字化施工系统总体由前端数据采集、移动网络传输、后台数据中心三大部分构成。前端数据采集包含机械定位采集、作业状态采集、动作数据采集等；移动网络传输主要指前端数据通过移动运营商有线或无线网络形式传输至数据中心；后台数据中心主要包含服务器、数据库、信息大屏等软硬件。数字化施工整体架构如图1所示。

（二）传感器

成都天府国际机场建设项目研发的机场数字化施工质量监控系统，融合了北斗GP S、物联网、GI S、传感器、GP R S、软件工程等多种技术，实现了对碾压、强夯、碎石桩、C F G桩、三维可视化、建设期视频监控等信息的实时监测。系统使用方便，实现了前端数据采集，数据无线传输，以及后端可视化管理，可在监控电脑上实时三维和二维展示。

传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。本系统前端硬件系统集成了多种专用传感器，例如在碎石桩施工过程中采集关键数据，监测并记录沉桩深度和持力层电流等，保证施工数据的真实性、准确性和可靠性。不同工法机械监控设备原理将在后文中介绍。

（三）精确定位

北斗GP S主要由空间部分、地面控制部分和用户设备组成，是一种多用途、多机型、多模式的空间定位技术。与传统的测绘方法相比，主要由定位精度高、选点灵活、费用低、全天候全球性作业、观测速度快、功能齐全、应用广泛等特点。成都天府国际机场采用北斗GP S卫星导航定位系统，不仅可向用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间信息等技术参数，而且具有良好的抗干扰性和保密性。

在成都天府机场建设了两套北斗C OR S基准站系统，一主一备，用于为现场北斗GP S设备提供高精度厘米级差分定位服务。同时，基站具备网络差分计算（包括网络R T K和网络码差分）、单站差分计算（包括常规R T K和单站码差分）等能力。在系统有效范围内，可以进行网络R T K和常规R T K作业的区域，利用单台GN S S接收机和数据接收设备可进行高精度的厘米级实时定位。

基站布设情况根据现场勘查后确定，基本可覆盖整个施工区域，兼顾了供电、网络、安全、方便等因素，成都天府国际机场北斗定位基站架设如图2所示。

（四）网络传输

实现了实时动态管理强夯施工数据，大大提高了对施工过程的监测效率和准确性，可避免施工过程中质量监控的不足导致的隐患，并为机场施工过程提供决策辅助；竣工完成后的系统（含数据库），可以为未来的运行维护管理提供宝贵的施工基础数据库，具有可追溯性。

根据以往项目经验，在大范围的机场建设项目中，借用运营商通讯网络更具有实际可操作性且性价比较高。但在机场工程土地移交时已拆除了现场所有的电力、网络和通讯等设施，或者是现场局部有信号但网络覆盖情况不理想，为了保证项目的顺利实施，系统进场安装布设前，建设单位需与当地通讯运营商进行充分沟通，以保证在施工场地范围内的网络全覆盖。

（五）存储与分析

以先进的计算机信息技术为依托，将施工过程各类资源有效整合起来，打造一套技术先进的数字化机场飞行区监测监控信息化管理一体化平台，通过接口方式，实现飞行区施工过程可视化，管理科学化，优化飞行区施工过程资源配置。

监控中心及机房是本系统的核心所在，是执行日常监控、系统管理的重要场所，同时也是数字化监控系统稳定、可靠、安全运行的先决条件。承载工作人员日常查阅各类统计数据，收发现场数字化设备运行任务，数字化管理例会等重要功能，是实现管理高度集中化，管控一体化的重要保障。成都天府国际机场监控中心如图3所示。

监控中心及机房硬件设备主要包括：4台4 T B服务器、数据存储设备、监控中心计算机、大屏显示器、U P S电源及网络交换机等。在磁盘阵列存储方案实施时，本项目采用了磁盘阵列柜和光线接口方式，有效缓解了磁盘横向扩展和数据传输吞吐性能问题。24盘符磁盘阵列具备2个千兆网口，可扩展至6个千兆或2个万兆以太网口。可实现施工全程录相存储和随时调用、全天候、全工况的视频监控及数字化施工监控平台管理。

数字化施工应用

（一）原地基处理施工应用数字化

1.碎石桩/C F G桩数字化应用

在全场地基处理设备上安装北斗定位天线，通过主控箱可实现对施工位置和施工时间的管理；通过安装电流传感器可实现对设备电机电流值的测量；通过安装测距传感器等设备实现对地基处理深度、反插次数施工业务管理。

1）碎石桩数字化设备现场安装如图4所示。

2）碎石桩/C F G桩质量监控界面如图5所示。

3）碎石桩部分数据分析如图6所示。

2.强夯置换数字化应用

强夯机监控设备主要由北斗定位天线、传感器、数据传输系统及驾驶室平板等，可实现夯点信息、夯击次数和提锤高度等主要施工参数的监控。

1） 强夯数字化设备安装现场如图7所示。

2） 强夯压实监测监控功能实现界面如图8所示。

3） 强夯置换部分施工数据分析结果如图9所示。

（二）填筑体施工应用数字化

1.振/冲碾数字化应用

碾压质量监控系统包括振动碾压和冲击碾压，通过两种过程控制系统对碾压过程数据进行记录，引导操作员按照设计速度和轨迹进行碾压。

压路机控制系统主要原理是，借助高精度GP S定位和压实测量传感器技术，自动记录碾压过程数据；同时，数字化、图像化实时显示和记录施工规范要求的碾压遍数、碾压轨迹、碾压厚度、振动频率、行驶速度、压实度值和工作面高程等参数。

1）冲碾数字化设备安装现场如图10所示。

2）碾压质量监控界面如图11所示。

3）振碾部分施工数据分析结果如图12所示。

2.强夯数字化应用

强夯数字化应用，可实现对现场施工监控数据的采集、传输、分析处理、存储、显示和反馈；建立现场质量管理实时监控，及时发现施工过程中不达标之处并进行提醒，促进快速调整与改进；屏蔽人为因素、天气因素的干扰，夜间施工、不利天气情况下的施工同样可以实时监控；节约竣工资料整理工作量，提供数据的查阅功能，保证施工过程的可追溯性；实现数据分析功能，便于决策管理。

强夯现场安装图及监控模块管理界面见图7～8，强夯部分施工数据分析结果见图13。

（三）数字化施工管理应用

1.数字沙盘呈现

随着机场建设的进行，地面等现场场景会有很大变化。以数字地形模型为基础建立的机场三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传机场和区域规划、工程管理和仿真、旅游等领域。沙盘系统可以三维表现原始地形，表现设计地形，并定期根据车辆回传的高精度北斗GP S高程信息，三维表现施工地形，并可观察到全部安装GP S装置车辆的三维位置及运行状态。成都天府国际机场数字沙盘如图14所示。

2.现场视频监控

在整个机场施工区域共安装了3组摄像头，基本可动态覆盖整个场区范围，可全天候、多终端、全方位对重点施工区域实施动态监控并储存记录。操作人员可通过软件控制摄像机主机，从而完成对摄像机上、下、左、右各个方位的操作。同时，特制的摄像镜头的变倍自动对焦功能也将数公里半径范围的施工区域一览无余。专业视频存储设备保障了90天的视频数据回放和下载。此外，重要施工节点的抓拍图片留存可达数十年。任何密码授权的用户只需通过平台操作界面发出指令，便可随时查询录像。经授权后的建设单位人员可对摄像头进行方向和缩放控制，还可实现对过程的回放功能。图15展示了三组高清摄像机相对建设指挥部的安装位置。

3.施工单位管理应用

以传统碎石桩施工方案为例，除了操作员，还需要技术人员进行测量，管理人员现场监控。现在，有了监控设备自带的自动布点功能，每台碎石桩机可减少2个人力成本。在大规模的建设工程中，用带有数字化的设备替代人力，不仅节约了人力成本，而且避免了人为因素导致的工程进度和工程质量问题。同时，现场实时监控的数据也为建设单位管理者掌握现场施工进度，合理安排后续工序提供了数据支撑。施工方可以更加科学合理地安排机械租赁、劳务协调等工作。

4.监理单位管理应用

监理可使用北斗移动平板在施工现场进行精确定位。通过扫描施工机械二维码标签，查找基本信息，对施工现场进行核查、取证、测量、放样等。机场数字化施工平台移动终端监控如图16所示。

利用数字化手段统一处理机场建设过程中的相关问题，并与机场传统建设方法相适应、相融合，监理单位可最大限度地利用信息资源，借助数字化的手段做出科学决策。

5.建设单位管理应用

通过在施工机械上安装监控装置来获取施工信息，利用摄像头获取现场场景，通过监控平台分析监控得到的信息，全过程是数字化施工质量监控的主要特征之一。随着数字化技术的推广应用，施工质量透明化进程得到进一步提高，数字化技术在智慧机场建设过程中发挥的作用越来越重要。

机场工程数字化施工质量管理平台界面如图17所示。施工信息能够全天候实时获取、分析、存储、展现，施工过程清晰明了，施工质量一目了然。从根本上改变了原来工程管理的信息获取、传输及信息处理方式，实现了管理手段的信息化。

成都天府国际机场全方位数字化施工过程，使得施工机械有了记忆，操作手依靠实时数据进行施工，监理和业主凭借监控数据掌握质量情况。在成都天府国际机场的施工现场，从原地基到填筑体，从地下到地面，传统建筑施工被一行行代码激活，科技在默默守护工程质量，科技让人机互联，数据监控现场触达每一个角落。机场施工跨入智能时代，数字化施工将成为机场建设的新手段。