倾斜岩层下冲孔灌注桩斜岩处理施工技术分析

满 鑫 中铁二十二局集团市政工程有限公司工程师

1 研究背景

岩溶地区复杂多变的地质条件给工程带来了巨大的基础问题，倾斜岩层在岩溶区是常见的不良地质情况，对倾斜岩层处理不当往往会导致严重的工程事故。在倾斜岩层条件下进行桩基础施工时，如果采用倾斜的岩石面作为持力层，如果桩顶承受较大的荷载，可能造成桩基础沉降过大，导致事故发生。同时，在冲孔灌注桩桩基础施工时也可能导致严重的施工事故。

为了研究岩溶地区冲孔灌注桩的安全稳定施工，学者们对岩溶地区倾斜岩层条件下桩基础的施工技术进行研究分析。王泽林等基于宁波-舟山港衢山港区鼠浪湖矿石中转码头工程研究了斜岩条件下大直径嵌岩桩的施工方法[1]；金晖基于微机自动控制系统，提高了冲孔灌注桩斜岩施工的效率[2]；蒙江涛等对岩溶地区倾斜岩层中钻孔灌注桩的施工技术进行了总结[3]；陈景辉通过实际工程总结了深层大倾斜岩面下钻孔灌注桩的施工方法[4]；凌劲参考实际工程，建立数值模型分析了斜岩条件下桩基础的承载特性[5]。

工程实践证明，岩溶地区的岩面标高复杂多变，多存在倾斜岩面，穿越倾泻斜岩面的桩在入岩施工时经常存在卡锤、每次进尺小甚至无法进尺的问题，造成施工进度过慢、施工成本增加的问题。目前针对斜岩倾斜角度的研究仍然较少，在施工过程中，判断冲孔灌注桩斜岩需要依靠人工进行全过程实时监测，存在人为判断不准确、不及时等问题，且发现斜岩后，需要进行人工测量并计算得到斜岩的倾斜角度，导致费时费力、人工成本高和施工效率低。

2 工程概况

广州北站综合交通枢纽开发建设项目（二期）安置区地块二位于广州市花都区广州北站南侧，工业大道东旁粤花小区附近，属广州北站综合交通枢纽项目的配套工程。项目主要包括住宅楼、商铺和相应配套（幼儿园、派出所等），住宅楼高度在81.8～97.8 m，其他公建配套建筑高度均不大于24 m。本工程结构形式为剪力墙结构，住宅楼抗震设防为丙类，幼儿园抗震设防为乙类。基础拟采用钻（冲）孔灌注桩桩基础、微风化灰岩作为基础持力层。

3 基于视频监测技术的冲孔灌注桩施工工艺及斜岩处理方法

3.1 倾斜岩层条件下冲孔灌注桩施工特点

在进行冲孔灌注桩桩基础施工时，由于存在倾斜岩层，冲锤冲击的平面位置存在较大的强度差，强度较弱的一侧在快速冲进的冲锤冲击下发生较大的下沉位移；强度大的一侧下沉位移小，导致冲锤发生倾斜。如果未及时发现倾斜岩层并对其进行处理，由于冲锤冲进施工，冲锤斜向冲进斜岩处桩孔孔壁，会造成斜岩处孔径增大，形成斜孔，破坏孔壁甚至发生塌孔事故。因此需要在施工过程中及时发现倾斜岩层的存在，并处理斜岩，保证冲锤冲进的位置为一个同等强度的平面，使冲锤能够平稳冲进，以此提高施工效率，避免施工事故。为了实现冲孔灌注桩斜岩的高效判别及处理，本文引入视频监测技术，将其应用于冲孔灌注桩施工中，完成斜岩的智能判别及处理施工，形成基于视频检测技术的冲孔灌注桩施工工艺，其施工流程如图1所示。

图1 基于视频监测技术的冲孔灌注桩施工工艺流程

3.2 基于视频监测技术的冲孔灌注桩斜岩判别及处理施工工艺

3.2.1 冲孔灌注桩施工准备

首先铺设冲孔灌注桩施工流水线，进行桩位的定位及放样，埋设一定深度的钢护筒，由工程师检查桩位放样及钢护筒施工质量，通过检查后，冲孔灌注桩桩机就位。

3.2.2 视频监测技术判别斜岩及处理

（1） 安装相机及反光条装置

在冲孔灌注桩桩机附近放置两台相机，并将其固定在三脚架上，用于从不同方位实时监测冲孔灌注桩施工的过程，在冲锤上方的钢丝绳上等距安装多条反光条，为相机提供明确的跟踪目标，并监测冲锤冲进深度，如图2所示。

图2 安装相机装置及反光条

安装多条反光条可防止第一条反光条随冲锤冲进后进入桩孔后导致相机跟踪目标丢失。控制终端为平板电脑，由施工人员控制。装置安装示意图如图3所示。

图3 冲孔灌注桩斜岩视频监测简图

（2） 视频监测系统实时监测

相机装置与电脑控制终端通过无线网络进行连接，实时监测冲孔灌注桩施工过程，视频数据实时传输至电脑控制终端，形成视频监测系统，连接关系如图4所示。

图4 视频监测系统

（3） 视频处理

在建立视频监测系统后，开始冲孔灌注桩施工。相机设备实时监测施工过程，并将视频数据传输至电脑控制终端，电脑控制终端接收到视频数据后，由视频监测系统软件对视频图像进行实时处理，将带有反光条的钢丝绳从视频图像中与背景图像分离，以此提高图像处理效率。视频图像处理过程为：灰度化处理→目标边缘检测→目标背景分割处理，如图5所示。

图5 视频图像处理过程 （a）视频图像 （b）灰度化 （c）边缘监测 （d）分割处理

（4） 斜岩倾斜角度判别

控制系统实时监控并处理视频中每一帧图像的反光条，判断钢丝绳是否发生明显偏位，并由控制终端通过智能算法计算反光条的竖向位移及偏位情况，从而计算出斜岩的倾斜角度，并根据反光条偏位情况判别冲孔灌注桩桩底是否存在斜岩。

通过布置两台不同方位的相机同时对冲孔灌注桩施工过程进行实时监测，两台相机监测面与钢丝绳偏位情况的几何关系如图6所示。

图6 相机监测面与钢丝绳偏位几何关系图

反光条的竖向位移及水平位移计算公式如下：

其中，Hji、Xji分别为冲锤第i次冲进后相机j监测到反光条的竖向位移、水平偏位位移。反光条偏位角度计算公式如下：

由此得到反光条偏移角度为：

预测斜岩倾斜角度为：

（5） 斜岩处理

视频监测系统实时监控冲孔灌注桩施工过程，当发现存在斜岩时，系统自动发出警报，提醒施工人员停止施工，并通过智能算法预估所需抛填片石的用量。计算公式如下：

公式7中，R为桩孔的直径，d为较桩孔内斜岩最高点高出的厚度，常取1 m。

根据斜岩倾斜角度预估抛填片石用量，并对斜岩进行处理，如图7所示。抛填片石后，首先进行低锤密击，夯实填料，然后进行高锤重击，反复冲锤至斜岩处理平整，然后继续冲孔灌注桩施工，视频监测系统持续监测施工过程。

图7 冲孔灌注桩斜岩抛填片石处理

3.2.3 冲锤施工至设计标高

完成斜岩处理后继续冲进施工，视频监测系统软件根据式（1）自动监测冲锤冲进深度，在达到设计标高时，系统自动发出提示，施工人员根据提示停止施工，提出冲锤。

3.2.4 清孔

提出冲锤后，对冲孔灌注桩桩基础采用气举反循环法进行两次清孔施工工艺。

（1）第一次清孔。在冲孔灌注桩桩基础施工至设计标高后，提出冲锤，移走冲孔灌注桩桩机，进行第1次清孔施工。在桩孔顶部安装导管夹板工具，下放导管，并将气管连接好，绑扎于导管外侧，导管接口与泥沙分离设备连接。气管与空压机连接，启动机器开始从小到大送气，反复循环进行清孔，完成第一次清孔后，进行终孔检查，对孔斜、孔径等的质量进行检查。

（2）第二次清孔。下放钢筋笼、导管、气管，按照第一步清孔步骤进行二次清孔。

3.2.5 冲孔灌注桩灌注水下混凝土

完成两次清孔施工后，采用刚性导管往桩孔中灌注水下混凝土，灌注过程中应时刻注意首次浇筑量、导管埋深等。灌注完成后，测量混凝土面的标高并记录，完成冲孔灌注桩的施工，对混凝土强度及桩位进行检查，并报工程师审批，审批完成后即可进行下一道工序。

4 经济效益分析

在广州北站综合交通枢纽开发建设项目（二期）工程项目中，若按照传统方法，则每台桩基均需要施工人员进行实时监控，平均每天需要人工费用1.2万元、管理费用1万元、水电费等其他费用2万元，如表1所示。通过成功应用基于视频监测的冲孔灌注桩斜岩判别及处理技术，共缩短30天工期，节省126万元。

表1 经济效果分析

5 结语

本文基于倾斜岩层条件下冲孔灌注桩施工存在的施工难题，提出了基于视频监测技术的冲孔灌注桩斜岩判别及处理施工方法，并引入视频监测技术对冲孔灌注桩施工过程中的反光条及钢丝绳进行实时监测，实现了冲孔灌注桩斜岩的智能识别及智能化施工，节省了人力、物力，提高了施工效率，并取得较高的经济效益。