CFG 桩复合地基施工信息化技术方案研究及应用

刘石

（吉林建筑大学，吉林长春 130118）

0 引言

水泥粉煤灰混凝土桩是加固软土地基技术的代表，其简称为CFG 桩，是以粉煤灰为主，结合适量的水泥作为胶结材料，经由拌合机械将碎石、石屑、砂等骨料拌合形成的高粘结强度桩，通过褥垫层与基础相连接，协同桩间土构成复合地基。掺入外加剂后，粉煤灰用量占比为胶结材料总重量的80%时，28d 无侧限抗压强度可达到1.5MPa 以上，形成的复合地基承载力可提高至原地基承载力的3 倍以上，加固后的地基沉降量显著降低，能满足一般建筑工程、交通工程地基的承载力要求[1]。

智慧工地的构建范围，现在已覆盖到对进场的大型工程机械及其施工过程进行数字化施工技术应用，其中之一为基于北斗的高精度定位功能结合施工机械数字化自动控制的技术应用。即利用北斗实时动态RTK 高精度定位搭建底层地理信息，与施工过程中各类传感器采集的数据进行耦合，通过施工智能信息分析管理系统实现数据转换，生成参数指令来指导机械进行操作并自动生成电子化记录和分析报告，达到降低人为操作误差、减少人工、提高精度、提升质量、优化管理目标的技术。

桩类工程的施工工艺特点，与数字信息化技术具有良好的匹配度和结合性，因此，采用CFG 桩方法对软土地基进行处理时，结合智能信息技术以优化施工操作和执行过程管理，则可以实现隐蔽工程透明化，过程可控化，扩展数字化施工创新在基础工程领域的应用深度。

1 工程概况

中移数字园区业务综合楼位于淮安市洪泽区西顺河镇，该项目所在区域上部地层由第四系滨海相的地层组成，存在一层海积冲积成因的厚度为1.5～2.5m 的粉质黏土，下为1.0～15.5m 的淤泥质软土。本工程为丙类建筑，重要性等级、场地等级和地基等级均为二级，岩土工程勘察等级为乙级，地基基础设计等级为乙级。

1.1 软土参数的分析

在场地钻探、原位测试、室内试验等勘察工作的基础上，测得软土的含水量在10%～37%。抗剪强度13MPa～35MPa，固结系数5.5×10-4～28×10-4cm2/s，天然快剪内聚力3.5kPa～9.8kPa，快剪摩擦角4°～10.7°。地基承载力：当触探仪测到30cm 时，地基承载力为8kPa～120kPa；当触探仪测到60cm 时，地基承载力为60kPa～120kPa，灵敏度3～11，压缩系数0.8MPa～1.9MPa。

1.2 软土地基处理目标

（1）提高土体抗剪强度，确保地基整体稳定。

（2）降低土体压缩性，控制沉降变形在设计允许范围内。

（3）降低土体渗透系数，防止地基渗漏。

（4）改善土体的动力性能，避免振动液化而失稳[2]。

1.3 软土地基处理方案

本项目采用CFG 桩复合地基+筏板基础。CFG 桩复合地基满堂布置。

软土地基处理工程采用振动沉管灌注桩法施工，CFG 桩基间距为1.5m，桩径为40～60cm。有效桩长度为13～14.5m，桩端持力层为圆砾，桩顶超灌0.5m，总桩长19570m。桩身混凝土强度等级为C20。

筏板基础位于粉质黏土层，该部位地基承载力特征值为225kPa，CFG 桩加固后的复合地基承载力特征值为530kPa，单根桩竖向承载力特征值为1050kPa～1300kPa。

碎石褥垫层厚度为30cm，各边应超出筏板基础250mm 以上。砂石级配1:1，碎石粒径5～16mm，最大粒径≤30mm。

2 施工智能信息化方案需解决的问题

（1）劳动效率不高。桩的定位点放样工作至少需要两名工人，在对桩进行平面位置校正工序时，还需要一名工人协同作业。此外，施工现场环境相对开放，基础工程阶段工况复杂，桩点可能被土覆盖或地面发生变形，这就需要反复核对图纸和现场点位是否一致，进而增加放样返工的概率，直接影响工期进度。

（2）过程监测不到位。由于钻孔和成桩都是隐蔽工程，钻进电流值和终在钻进指标，桩孔深度、混凝土灌注的充盈系数等施工参数基本由钻杆上的进尺标志等测定；操作过程往往由作业人员的施工经验进行控制，各个CFG 桩的工艺标准和进程管控也难以做到一致，容易埋下安全和质量隐患。

（3）监测指标分析传达不及时。本项目存在地质不良和在施工荷载下地基变形较大的不利因素，会导致桩机就位后发生滑移走位，进而桩机对位不准确，然后出现桩偏距超标以及垂直度超限等问题，通过持续对桩机状态、成桩参数的监测可避免质量问题的发生。因此将施工过程参数的监测结果迅速进行分析并且及时传达调整指令给操作人员，可提高施工效率和成品质量。但是传统作业中，在这些环节采用人工观测记录并核算反馈的方式，明显落后于目前信息化管理的需求。

（4）监测方式精度低。首先施工时，桩身垂直度需保证不大于桩身长度的1%。传统施工中，该项指标仅通过悬挂在机顶导向架侧面的垂球，比对在导向架上标出的对照线来进行垂直方向检查，此观测法无法满足高精度质量控制要求。其次在操作提钻拔杆时，拔管速率对成桩质量影响极大，拔管速率过快可能导致桩径偏小、桩身夹泥或缩颈断桩。本工程地基土层中有一定厚度的淤泥质土，拔管线性速度控制在2m/min 左右。提拔速率过慢则振管时桩端一定范围的桩体水泥含量较少，桩身强度不足。拔管速率自动化和精准化控制能力亟待加强。

（5）质量结果数据不全面。施工时，由于测量粗放，人工操作为主，缺乏数字化设施等原因，成桩信息如桩深、下钻速度、钻机电流、灌浆量、左右倾、前后倾等数据记录不全面，对工程质量控制和管理不利。

（6）施工数据报告滞后。人工记录施工数据时，录入周期长，可能发生笔误或遗漏，汇总及上交的效率往往较低，而且各层级交互传递时，数据可能被错误导入和丢失，延误施工信息的核对校准。

3 施工智能信息化技术方案

为实现对桩基施工（CFG）实施信息化管控与辅助施工，达到业主、监理、承建方协同高效作业、确保施工过程的智能施工状态，该项目需对施工工艺和流程进行信息化数字化构建，具体方案如表1 所示。

表1 智能信息化构建项目

4 施工智能信息化技术作业实施

施工作业主要分为6 个步骤。

（1）桩机信息化改造。采用北斗系统终端主板，一机双天线，带有4G 和物联网数传模块，可以自动组网连接，带有蓝牙5.0 模块，移动终端可以与工作站直接沟通，连网时数据即刻补充上传。天线分别安装在桩机动力头和桩机机身上，动力头上的天线用于定位，机身上的天线用于定向，实时监控CFG 桩的位置和深度。桩机的桅杆上安装高精度倾角传感器和方位角传感器，纠正桩机平台不平时带来的误差，单独测绘或放点时，±30°倾斜范围内自动调垂直[3]。

（2）数据初始化。导入桩位信息，将施工作业面划分情况、桩基桩号、平面和高程坐标、桩长、桩径等设计数据整理统计并录入系统。

（3）系统安装调试。在项目场地作业点安装基准站，为系统提供厘米级定位服务；进行终端安装，在桩机控制室旁安装工作站，在电机主线安装电流传感器，实时监测和采集钻机电流值。在混凝土泵送设备口安装混凝土灌入量传感器；在桩机控制室安装车载终端平板，用于图形化施工操作交互、接收偏差报警信息及纠偏数据、发送施工监测数据到管理中心的服务器；在施工管理信息平台同步展示进程信息和施工监控画面；安装客户端，当系统对上传的施工数据智能分析后，将分析结果传递到管理模块下，工程管理人员通过客户端软件实现施工远程管理[4]。

（4）桩机就位钻孔。技术人员检查定位系统连接情况，桩机根据录入完成的桩位信息，通过北斗定位数据引导，进行就位操作。对桩后根据设计桩长确定机架高度，利用传感器数据调整并控制钻杆垂直度，开始钻孔作业；作业过程中保持持续观测终端平板的“水平偏差值”“垂直度偏差值”“钻进深度值”“提钻速率”“持力层电流值”等关键数据，根据数据辅助实现精准施工，提高成桩合格率。如果数据分析结果为异常（深度未达标、提钻超速、混凝土超灌），将触发预警提醒作业人员及时调整纠偏，保证桩点的各项指标达到设计要求。

（5）灌注混凝土并拔管。钻孔至符合设计桩深时，确认施工记录及电流参数满足要求后，开始泵送混凝土，然后反向提杆，用采集传感器计算混凝土方量，保证管口在混凝土浇筑面以下，从而控制拔管速度。图形化实时显示并记录桩点偏差（±3cm）、成桩深度（±5cm）、沉桩电流、持力层电流、桩塔倾斜度、混凝土灌入量、充盈系数、提钻速度等。

（6）形成后台数据。已确认完成的桩的施工过程数据将自动上传到平台数据库，不能中途修改，既保证了数据的真实性，又实现了数据监管的时效性和同步性。数据库生成成桩质量报告、进度报告、CFG 桩机工况报告、报警统计等资料，施工单位、监理、建设单位可通过登录监控中心平台及时跟踪施工过程和完成情况。非现场人员可通过手机端或者网页端查看历史数据[5]。

5 施工信息化成果

该项目由于基坑工程阶段的计划工期较短，需要在夜间、阴雨天、场地不良等因素下提升施工效率，实现24h 不间断作业。在进行软土地基处理的智能信息化施工后，相比于常规施工方法和正常时间作业下，施工时间减少了50%，且工人劳动强度显著下降，劳动条件得到较大改善。

在智能施工信息化系统的赋能下，该复合地基工程实现了高精度作业，通过3cm 的精准放样，工程质量显著提高。通过减少人工放样、辅助引导，工程生产效率提高了40%。在成本投入、数据统计处理、人材机投入等方面平均减少30%。

6 结语

CFG 桩智能施工信息化技术利用北斗高精度定位技术、图形信息技术，通过安装在桩机上的倾角和定向传感器数据反馈，直接导入设计桩位，解算校核过的基准定位轴线尺寸，得到桩头和钻杆实时、精确的定位信息，用图形导航和人机互动来高效引导施工人员快速准确定位桩点位置，完全免除了人工前期放样与划线的冗杂低效工序，消除人为误差干扰，实现厘米级打桩定位，使桩基作业效率大幅提高。

该系统通过基于三维地形的施工场景构建数字模型，实现了24h 全天候，全工艺流程的实时监控，技术人员可以在各类终端设备中精准监控施工桩位分布，精准开钻。同时，桩机作业状况及施工数据信息通过无线网络可实时回传至系统后台，实现了同步远程查看机械位置、状况、施工成果及施工质量等过程信息，将工程作业的控制和管理从传统依靠人为的经验变为执行精确的数字化信息化指令，能有效避免以往因为桩长不足、地层钻进电流不够而造成的返工，缩减人力成本和管理成本，降低劳动强度，而且降低了断桩、偏桩的概率，提高了桩机施工效率；施工过程中无须旁站辅工人员，降低了发生事故的风险，减轻了施工管理压力；能够自动进行项目施工信息统计，自动生成施工记录表、成果图等图表信息，数据可共享，还可进一步为主体结构BIM 模型和项目运维提供了安全可靠的基础空间数据的支撑。