浅析桩基自动化施工的技术应用特点

文｜中国铁路设计集团有限公司 陈志胜

【关键字】隐蔽工程；桩基自动化施工；传感器；北斗定位

桩基施工在铁路施工领域一直是最广泛、最重要的路基软基处理的一种方式，但是由于其隐蔽性的特点，对桩基的质量监管一直是路基施工管理的重点和难点。在以往的铁路建设中，桩基施工过程主要依靠施工单位人工记录，监理旁站的形式进行监管，最后再以桩基检测的方式（包括桩身完整性检测、地基承载力试验等）抽样检测成桩质量。采用这种形式，存在施工过程记录不规范、信息不准确的风险，指标值对于经验要求较高，无法具体量化，也严重浪费人力成本，这也只是桩基施工过程中的数据记录，对于成桩质量的管理也只能依靠抽查检测的方式进行，使得软基施工过程存在极大的风险。

本文通过介绍一种桩基自动化施工技术，有效提高桩基施工过程的自动化水平，获取多项施工技术参数，提高过程监控质量，通过结合在铁路工程项目上的应用，充分释放人力物力，使得桩基施工的每个环节都有迹可循，为铁路桩基施工质量提供全方位的施工过程数据。

一、系统介绍

图1 桩基自动监控技术硬件模块

桩基监控管理系统主要是依靠天线定位模块、进料测量模块、持力层电流测量模块等实时反馈现场桩机状态，包括打桩速度、深度、倾斜度、振动电机的电流情况等基础数据，并依靠通讯实时上传至服务器，实时记录桩机施工数据，施工质量可追溯，对工地施工质量进行规范化管理。

其主要分为定位模块（北斗天线模块）、进料测量模块（流量传感器）、显示模块（平板电脑）、集成模块（集线盒）、主控模块（主控控制）、传感器（持力层电机电流传感器、倾斜传感器）、电源模块、通讯模块（无线天线）八大模块。

二、关键技术研究

1、定位模块（北斗定位系统）

桩基定位模块主要是依靠建立的北斗卫星定位连续运行参考站，采用北斗高精度定位天线进行高精度定位，包括桩机精确位置、桩位放样、桩身深度等数据参数。

首先，建立桩机三维方向模型，确定桩机姿态位置，利用安装在桩机设备上的定位天线精准确定桩机位置；其次，如图2所示，桩点导航定位，利用高精度定位设备为桩点导航提供信息，施工人员在选择对应的桩点后，可以根据桩机模型和导航偏离值进行桩点导航；最后，桩深测量，利用布设在桩管顶端的定位设备，通过钻头在地面的高程，得出钻头进入地下的相对高差，从而得出桩深信息，并可通过该系统自动提示桩深达标情况。

表1 桩基自动监控技术八大模块功能定位

图2 桩基自动监控系统导航界面

图3 桩基自动监控系统数据传输流程图

图4 设计桩点数据导入

2、主控模块

主控模块，主要是由主控控制器、WIFI 无线天线和4G 天线组成，对整个系统平台的数据传输进行全方位的管控。包括桩位设计数据的传输、现场桩基设备的数据采集、传入后台服务器进行数据处理、成果数据远程发布在系统及移动端等各个环节，均由主控模块进行管理，可以说此模块为整个管理系统的大脑。

3、传感器

传感器模块主要包括布设在桩机设备上的一系列传感器的总称，其主要包括垂度传感器、电流传感器、入料流量传感器等。

垂度传感器也叫做倾角传感器，其监测原理是将感应器件在位置倾斜时发生的与大地引力方向的夹角变化这一物理量转化为模拟信号输出，将传感器安装在桩杆上，实时传输桩杆姿态数据至控制终端上。

电流传感器采用的是电磁式电流互感器，通过交流电引起的传感线圈的电磁感应变化来反映电流的大小，结合高程定位模块确定的钻孔深度来确定终孔电流值的大小。

入料传感器，即混凝土灌入量传感器，主要安装在泵机设备上，用于监测每次泵机推送的混凝土量的多少，从而作为重要参数来确定每个桩体的混凝土灌入量。

三、项目应用

本系统在在建某条铁路项目中进行了应用，在站场路基施工前，进行软基处理时，利用安装在桩机设备上的自动监控设备对整个路基范围的桩基进行监控施工。

首先，在后台管理系统中建立项目信息，导入设计桩点数据，然后建立工点模型。其中设计桩点数据包括点号、坐标、高程、桩深等参数，为指导桩点施工提供依据。

其次，结合配置的施工底图，根据系统显示的施工状态，在北斗卫星信号固定的情况下，可实时显示与桩点设计数据的坐标差值，导航到桩点位置进行施工，同时检核确定高程定位数据的准确性。可保证桩点施工位置的准确性，同时，减少测量人员桩点放样的工作，提高现场施工效率，减少技术人员投入。

再次，桩点正式开始施工时，在施工过程中需要检核传感器是否可以正常运作，否则会影响施工过程数据、桩深、持力层电流和灌入量等参数；在确保外部传感器连接正确后，过程中需时刻注意相关传感器的数据参数，包括垂直度传感器、持力层电流传感器、流量传感器等，这些传感器的监测数据将直接决定着桩体施工质量的好坏。

通过现场300 多个桩点的施工应用，与传统人工记录相比，在人员成本和数据精度上有明显的提高。系统的硬件设备在施工现场嘈杂、高温、振动、扬尘等恶劣环境下运行良好，在监测数据准确性、系统运行稳定性上保持了很高的水准，保证了监测数据的实时上传，优化提高了现场的施工水平。

图5 后台工点模型建立

图6 后台设计桩点导航施工

图7 后台施工中传感器参数

图8 桩基自动化系统电脑端平台

四、总结

工程施工过程中的质量监管一直是项目管理中的重点和难点，尤其对于隐蔽工程，对其施工的过程管控一直缺少有效的手段，桩基自动化监控填补了桩基施工过程中的监控空白。该技术以北斗高精度定位技术为基础，依靠一系列的传感器设备，实现对桩基施工的全过程监控，由原来的结果控制转变为过程控制。同时过程数据实时上传至后台管理平台，便于管理人员远程监管，该系统经过一系列的工程应用，其稳定性、可靠性均得到了实际验证，有效提高了桩基施工的质量管控和信息化水平。