公路工程水泥搅拌桩施工质量控制研究与应用

吴智豪、何春锋、金林洁、杨在鍫、杨焕

（1.浙江交投高速公路建设管理有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江公路水运工程监理有限公司，浙江 杭州 311200；3.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

当今世界科技的进步推动了交通行业发生重大变革。数字化、智慧化、低碳化成为行业发展的核心，其中，以大数据、物联网、人工智能、5G 网络等为代表的新兴技术加快交通行业自我革新，推进智慧、绿色、共享交通的多元化发展。为了贯彻落实交通强国战略与共同富裕精神，以数字交通为突破口，加快行业转型升级，提升建设管理水平，确保交通建设质量，已经成为行业研究与发展的热点。水泥搅拌桩是软土路基处理的一种有效形式，在公路工程、港口、铁路等领域广泛应用[1]。作为公路工程建设中的重要组成部分，利用数字化技术保障水泥搅拌桩的施工质量，严格把控施工环节施工规范与质量，是当前公路工程建设的机遇与挑战。此次研究利用物联网技术设计一套水泥搅拌桩智控系统，并在余姚至温岭公路工程建设应用，结果表明，该系统可以有效监管水泥搅拌桩施工过程，切实提高软基处理施工质量。

1 公路工程中水泥搅拌桩技术分析

1.1 施工流程

在公路工程建设中，软土路基存在着承载力较低和物理力学性质相对较差等缺点。为了提升软土的整体承载力，一种有效的方法是将水泥作为固化剂注入土体中，通过特制的机械设备在地基深处将软土和水泥充分搅拌。在水泥与软土之间发生一系列物理化学反应后，软土硬结并提高了强度，形成具有整体性和水稳定性的结构，通常被称为水泥搅拌桩[2]。一般情况下，水泥搅拌桩的施工流程可分为施工前准备和施工工艺两部分。施工前准备阶段包括场地平整、施工准备和桩位放样等工作。而施工工艺阶段主要包括水泥浆液拌制、钻进、搅拌和喷浆等步骤。在施工过程中，为了确保每根桩的质量，需要及时跟进每个桩位的成桩情况，并采取相应的处理措施来应对不合格的桩，避免返工现象的发生，保证整个工程的施工质量[3]。

1.2 水泥搅拌桩施工质量控制难点及解决方案

水泥搅拌桩施工质量控制主要包括以下几个方面：

第一，施工前准备。在水泥搅拌桩开钻之前，应保持整个管道清洁并确保管道通畅无堵塞，在清洗后将水排出后方可下钻[4]。同时为确定施工工艺参数并试桩验证，施工前应在室内进行试验，为水泥搅拌桩设计提供准确的数据参数，包括最佳水灰比、水泥掺量及外加剂掺量。

第二，施工中工艺。在施工时为保障每根水泥搅拌成型后的质量，需要控制拌制时水泥用量和水泥浆的适量拌制，避免压浆过程中出现断浆现象，并控制喷浆搅拌的时间以及复搅次数。施工过程需保证桩体每米掺和量以及水泥浆用量达到设计要求，同时随时抽查检验水泥浆水灰比，确保其达到设计要求[5]。每根桩开钻后应连续作业，不得中断喷浆。严禁在尚未喷浆的情况下进行钻杆提升作业。施工中若发现喷浆量不足，应按监理工程师要求整桩复搅，复喷的喷浆量不小于设计用量。

针对上述质量控制难点，以往的水泥搅拌桩施工现场往往采用加强人员管理、现场记录留痕的方式把控施工质量。这些做法虽然一定程度上提高了施工质量，但会造成部分人力资源浪费，也无法避免存在水泥用量难以保证，水泥掺量的分布均匀性难以准确监控的问题。经过物联网改造的水泥搅拌桩智控系统可以实时采集关键数据并上传至平台，对施工现场存在的问题及时预警并提供辅助决策。

2 公路工程水泥搅拌桩智控系统

2.1 系统架构

此次研究设计的水泥搅拌桩施工智控系统主要由施工数据采集系统和施工质量远程管理系统构成，如图1 所示。

施工数据采集系统中，监控仪主机用于实现水泥搅拌桩传感器信号采集与运算，深度传感器用于实现水泥搅拌桩深度和速度的测量，倾角传感器用于实现水泥搅拌桩钻杆垂直度测量，流量传感器用于实现搅拌桩浆流量测量，压力传感器用于实现水泥搅拌桩浆管压力测量，密度传感器用于实现水泥搅拌桩浆液密度测量，电流互感器用于实现水泥搅拌桩钻杆电流测量，卫星定位系统用于实现水泥搅拌桩桩机定位。施工质量远程管理系统主要用于数据存储和分析。

2.2 数字化质量评定功能

为了实现对施工质量的全面把控，此次研究设计的智控系统具备数据分析功能，能够显示各水泥搅拌桩的施工单位、桩机编号、桩号、施工工艺要求、设计要求，通过监控管理软件的记录，可生成水泥搅拌桩的时间-流量曲线，速度曲线，桩的时间-深度位置曲线，桩的时间-外、内钻杆电流曲线，桩的深度-浆量分布曲线，成桩灰量分布图等。针对每根水泥搅拌桩进行分析后，系统会根据成桩工艺参数指标自动对成桩质量进行评分，具体评分标准设计如表1 所示。

表1 成桩质量评分标准

2.3 预警处置功能

此次研究设计的智控系统能够实时显示水泥搅拌桩施工智控设备状态（在线中、运行中、离线中），若出现无法连接到网络或网络延迟过长的情况，导致无法实时传输施工数据，系统会发出网络通信异常提醒。在水泥搅拌桩实时作业过程中，系统会对钻杆速度、浆液密度、每延米掺量等参数进行实时预警提示。报警触发条件与处置方式可根据实际需要进行设置，如表2 所示。

表2 报警触发条件设置

如果发生数据异常，智控系统会根据数据的重要程度进行分级，并设置自动处理方式。在设备页面上会显示预警参数内容，并通过声光提示方式告知作业人员进行施工调整和修正。一旦预警事件解决，系统将记录预警部位、具体时间、处理方案以及负责处理的人员。同时，将该预警的处理状态标记为已闭合。具体信息可参考表3。

表3 预警级别及处置方式表

3 公路工程水泥搅拌桩施工应用案例

余姚至温岭公路（S204）黄岩院桥支线PPP 项目作为依托工程，旨在全面优化完善水泥搅拌桩监控系统。该项目水泥搅拌桩设计量约77 万延米，并采用全覆盖的方式（涉及20 多台水泥搅拌桩施工设备），通过安装信息化数据监控系统，实现对水泥搅拌桩施工全过程的监控。截至2022 年12 月26 日，已完成约77万延米的水泥搅拌桩施工，监控效果理想。该项目采用水泥搅拌桩施工智控系统，实现水泥搅拌桩的信息化施工。图2 为该项目智控系统数据管理系统，做到实时掌握真实施工数据，科学评定桩身质量，精细化管控施工全过程，全面改善了水泥搅拌桩的施工质量，提升了管理水平，取得较好的经济和社会效益。

图2 智控系统数据管理系统

通过数据采集系统进行现场监测数据的实时上传，见图2。施工管理人员可以通过PC 端查看现场施工情况，并将监测结果进行实时记录，生成记录表格与曲线图见图3。

图3 施工过程记录曲线图

4 结论

水泥搅拌桩作为软土路基处理施工的重要组成部分，实现数字化、智能化势在必行。水泥搅拌桩智控系统融合物联网、互联网等技术，可以全面掌控施工过程中的工艺参数与成桩质量。从实际应用案例来看，此次研究取得了如下成果：

第一，全面改善水泥搅拌桩的施工质量，进而全面提高了工程质量。

第二，施工过程数字化、智慧化转型，提升了智慧管理能力。

第三，助力行业转型升级，取得了较好的经济和社会效益。