水泥土双向搅拌桩智能化施工的研究与应用

赵明时

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

水泥土搅拌桩是利用水泥作为固化剂，将其与软土搅拌，并形成具有一定强度及稳定性的加固体。特别是水泥土双向搅拌桩，与传统水泥土搅拌桩相比，能够有效解决冒浆问题，大幅度提高地基加固效果[1]。由于水泥土双向搅拌桩施工具有造价低、工期短及土体加固效果好等优点，水泥土双向搅拌桩加固土体成为目前最为广泛的软基处理方法之一[2]。

目前我国水泥土双向搅拌桩的施工多采用手动操作，施工现场隐蔽性强，可视性效果差，因此，在水泥土双向搅拌桩施工过程中常常会发生水泥粉（浆）沿桩体的分布不均匀等情况，从而降低桩体施工质量，影响软基加固效果[3-4]。传统的水泥土双向搅拌桩施工方法已经落后于工程人员对于软基处理的要求和标准[5]，因此，本文以水泥土双向搅拌桩智能化施工为研究对象，将水泥土双向搅拌桩施工数字化、可视化，进而提升施工的精准性和可靠性[6]。

1 工程背景

引江济淮工程（安徽段）白山船闸项目水泥土搅拌桩总计约380万延米，占工程总产值的40 %，同时作为堤防防护桩要兼备抗剪要求。目前国内水泥土双向搅拌桩施工工艺有两种，分别为干法和湿法。当地基土的天然含水量小于30 %时宜采用湿法施工，当地基土的天然含水量大于30 %时宜采用干法施工。根据本工程实际地质情况（W=44.9 %），结合水泥土双向搅拌桩工艺性试桩成果，白山船闸软基处理工程水泥土双向搅拌桩采用干法施工工艺。

2 智能化施工工艺

2.1 工艺原理

水泥土双向搅拌桩桩机的动力系统分别带动安装在内外同心钻杆上的两组搅拌叶片同时、同速正、反双向切土，使钻机在施工过程中形成全程复搅，充分搅拌土体，从而提高桩体搅拌的均匀性，增加桩身强度，并能有效改善复合地基的承载特性，提高软土地基的承载力。

水泥土双向搅拌桩智能化施工是通过智能桩机、云端服务器和信息传输系统对成桩深度、喷灰压力、喷灰量、内、外钻杆电流和桩机机架垂直度进行监测，实时采集的数据通过无线传输至监控主机，供监控主机完成分析与控制工作，同时对传感器采集的施工数据进行分析，与设定的报警限值进行对比，如超出报警限值则响起警报，督促现场操作人员及时检查纠正。通过通信网络或Internet网络，凭借网络信息的查询、双向传输、实时汇总到施工控制研究中心，经过智能化系统的分析计算与实时化、智能化的决策控制，实现水泥土双向搅拌桩智能化施工控制。同时采集的数据上传至云端服务器，通过PC端及移动端访问，对现场施工进行实时监控，如图1所示。

图1 智能化施工原理

2.2 设备及功能

水泥土双向搅拌桩智能化施工所需设备及功能如下：

1）智能操作电气箱：是水泥土双向搅拌桩智能化施工的核心部件，是施工控制中心，能够实现通过通信网络或Internet网络进行双向数据传输，经过系统的分析计算与决策控制，实现水泥土双向搅拌桩智能化施工。

2）全自动灰罐：配备称重传感器、压力传感器及自动化操作气阀、蝶阀等设施，能够实现自动送灰、泄压上料、喷灰量控制及数据上传等功能。

3）绞龙：一端与全自动灰罐连接，一端与水泥罐连接，通过信号线与控制中心进行信息传输，能够根据所需灰量进行自动供灰。

4）螺杆式空压机：粉喷桩施工的送气、送灰及压力来源，能够根据气压变化自动进行供气、停气功能。

5）储气罐：与空压机连接，主要起储存空气、稳定气压的作用。

6）干燥机：对施工所用的空气进行干燥，防止空气中水分与水泥接触造成水泥结块造成堵管等现象。

7）监控系统：桩机、云端服务器和信息传输系统对成桩深度、喷粉量、内、外钻杆电流和桩机机架垂直度进行监测，实时采集的数据有线传输至监控主机，供监控主机完成分析与控制工作，对传感器采集的施工数据进行分析，与设定的报警限值进行对比，如超出报警限值则响起警报，督促现场操作人员及时检查纠正，如图2所示。

图2 智能化施工监控界面

8）PC端及移动端：通过网址访问云端服务器，实现对施工现场每台桩机的实时监控。

2.3 主要施工工艺

桩机按照测量点位移动至施工位置后，由桩机操作手输入桩基编号，开始进行桩基施工，桩基施工采用两搅一喷（下钻时边搅拌边喷灰、提钻时只搅拌不喷灰）施工工艺，相关控制均通过气阀启闭完成。水泥土双向搅拌桩智能化施工示意如图3。

图3 智能化施工示意

1）下钻

桩机下钻时③排压阀、⑤补料阀处于闭合状态，④补压阀处于开启状态，①喷灰阀及②喷气阀交替启闭，完成喷灰作业。具体工艺如下：

灰罐③排压阀、⑤补料阀、绞龙关闭，④补压阀打开，内外钻杆正常运行，钻杆下钻进入地面以下20 cm（空钻深度，可变）后，系统根据设定开始自动喷灰、喷气，设定每米所需灰量为63 kg，空钻时系统只设定间隔喷气作业，以避免钻杆堵杆。当钻进深度大于空钻长度后，系统执行喷灰流程，每米0～80 cm设定喷灰时长为1 s，喷气时长为2 s，系统计算时长1.5 s，每次喷灰量约为10～15 kg，喷灰、喷气交替进行，0～80 cm时喷灰、喷气循环间隔时间不定，（根据系统计算自动调整喷灰间隔时间，计算间隔时间超过7 s自动进行一次喷气作业，以防钻头喷灰孔阻塞），80～100 cm设定喷灰时间为0.3～0.5 s，喷气时间为2 s，以实现计量精度，系统根据钻杆下钻深度运算当前位置所需灰量与已喷灰量对比，当已喷灰量与所需灰量差值大于喷灰参数（可变）并且已喷灰量未达到设定的每米所需灰量63 kg时，延迟1.5 s（可变）系统自动执行喷灰、喷气循环，喷灰、喷气时间根据每米钻进深度自动切换，每米0～80 cm喷灰、喷气频率低，每次灰量大，每米80～100 cm喷灰喷气频率高，每次灰量小；系统计算每米喷灰量并实时打印出已完成每米灰量、时间；当钻进深度大于设计钻进深度时，系统自动切换只执行喷气作业。

2）提钻

桩机提钻时①喷灰阀、④补压阀处于闭合状态，③排压阀、⑤补料阀处于开启状态至灰罐内水泥达到设定量（1 300 kg）后关闭（此工作在提钻完成前结束），②喷气阀间隔性启闭送气直至提钻完成。具体工艺如下：

操作人员按下提钻控制按钮后，系统自动判断当前灰罐重量是否大于工程桩所需灰量，灰罐重量小于工程桩所需灰量时，灰罐③排压阀打开将灰罐内空气排出，当压力小于20 kPa后，延时10 s打开⑤补料阀，⑤补料阀打开后延时5 s打开绞龙，为灰罐补料，补料过程设备提钻喷气继续作业，③排压阀一直开启；当灰罐重量达到设定重量后（1 300 kg），系统自动关闭绞龙，延时7 s后，关闭③排压阀及⑤补料阀，5 s打开④补压阀，为灰罐补充压力，灰罐补料过程在设备提钻过程进行。

提钻完成后，前台自带微型打印机打印施工小票，桩机移位至下一施工位置继续进行桩基作业。

桩机施工全过程数据均可在桩机智能化施工前台显示供操作手作为操作依据，监控数据同步传输至PC端及移动端实现实时监控，如图4所示。

图4 PC端智能化施工监控

2.4 施工控制要点

水泥土双向搅拌桩智能化施工中最主要的两个影响因素为人为因素和设备因素。

1）目前市场上水泥土搅拌桩施工主要以手动操作为主，操作手文化程度较低，对自动化操作控制学习接受能力低，要加强培训。

2）所有搅拌桩机在智能化操控系统安装前要确保设备性能稳定，在电流表、电压表、压力表、电子秤等装置安装完成后要重新进行计量标定并定时校核。

3）每台设备均要配备完整的计量监测自动记录系统，对深度、流量、压力、电流、倾斜度等各个技术指标进行自动监测、自动记录及打印。

4）确保后台设备的封闭性（尤其是灰罐和绞龙的软连接处），防止水泥受潮结块堵塞喷灰管，影响施工效率。

3 工艺实施效果

本工程将水泥土双向搅拌桩的传统手动施工和智能化施工进行比较试验，并对桩体进行取芯完整率、无侧限抗压强度、标贯试验，结果如下。

3.1 取芯完整率

采用智能化施工的水泥土双向搅拌桩14 d龄期取芯率平均为92.69 %，28 d龄期取芯率平均为93.51 %。采用传统手动施工的水泥土双向搅拌桩14 d龄期取芯率平均为82.81 %，28 d龄期取芯率平均为87.77 %。即采用智能化施工的水泥土双向搅拌桩取芯完整率要优于采用传统手动施工的水泥土双向搅拌桩取芯完整率。

图5 取芯完整率对比

3.2 无侧限抗压强度

采用智能化施工的水泥土双向搅拌桩14 d抗压强度为2.7 MPa，28 d抗压强度为3.1 MPa。采用传统手动施工的水泥土双向搅拌桩14 d抗压强度为1.8 MPa，28 d抗压强度为2.6 MPa。即采用智能化施工的水泥土双向搅拌桩无侧限抗压强度要优于采用传统手动施工的水泥土双向搅拌桩无侧限抗压强度。

图6 无侧限抗压强度对比

3.3 标贯试验

采用智能化施工的水泥土双向搅拌桩桩身贯入击数总体上较高，贯入击数均在30击以上。采用传统手动施工的水泥土双向搅拌桩在深度3～5 m范围内，标贯击数偏低，为6.44～13.76击，其它深度贯入击数一般在30击左右。即采用智能化施工的水泥土双向搅拌桩贯入击数要优于采用传统手动施工的水泥土双向搅拌桩贯入击数。

综上试验结果，采用智能化施工的水泥土双向搅拌桩桩体质量优于采用传统手动施工的水泥土双向搅拌桩桩体质量。

4 结语

利用水泥土双向搅拌桩智能化施工完成了白山船闸项目软基处理，地基处理效果较好，且采用智能化施工的水泥土双向搅拌桩取芯完整率、无侧限抗压强度、标贯击数均优于传统手动施工，有效的保障了地基处理的施工质量。

水泥土双向搅拌桩智能化施工以数字化、可视化及高效性等优势得到行业内工程人员的认可，是软基处理，特别是水泥土搅拌桩依托计算机及信息技术进一步提升的契机，也是社会发展的必然产物，可供其他类似工程借鉴，具有较高的社会价值和推广前景。