桩基是建筑物重要的基础形式, 在各种地质条件下均有广泛应用。机械成孔是灌注桩施工最主要的成孔方式, 如旋挖成孔、螺旋钻机成孔、回旋钻机成孔等, 与人工挖孔桩相比, 机械成孔具有成孔作业速度快、成孔效率高、机动性强、适应多种地质条件等多方面的优势。同时目前所使用的桩基施工设备也存在一些需要改进的问题, 比如现场施工的所有数据需要人工全程跟踪记录, 干作业旋挖成孔难以准确测定孔底沉渣, 旋挖机等大型设备运行过程中容易发生视野盲区导致人员设备碰撞等。

对于上述问题, 通过针对性的分析, 应用新型电子设备和信息技术, 采用智能化手段能够较好地加以解决。本文结合成都天府国际机场T1航站楼工程实践进行探讨分析。

成都天府国际机场T1航站楼项目桩基工程施工采用的设备为旋挖钻机, 在施工过程中, 为保证桩基施工的质量和安全管理, 提高管理效率, 对旋挖钻机的功能进行深入分析, 通过在钻机内植入数据采集及发射设备, 红外射线感应, 孔下视频拍摄, 运用无线数据传输和网络数据云平台等技术手段, 增加旋挖设备的智能化功能, 为施工质量控制和施工过程管理提供便利。分析现场施工需求, 智能化桩基施工技术需要体现如下方面: (1) 提高作业质量和工作效率; (2) 提高机械的智能化、自动化水平; (3) 提高可靠性、降低维护成本; (4) 实现远程监控。

现场探索实现并应用于桩基施工的有如下几项: (1) 桩基成孔施工数据无线传输系统; (2) 桩基施工设备防碰撞系统; (3) 孔下摄像机检测沉渣厚度及成孔质量; (4) 刚性角验算软件自动验算调整桩长。

目前施工中应用的旋挖钻机等施工设备自带的数据采集和显示设备均为封闭系统, 未配置能够远程控制的数据采集硬件和相应的软件系统。机械设备在施工过程中产生的数据, 如单次进尺深度、单次钻进时间、钻进速率、钻杆垂直度、旋挖机发动机油压、旋挖机位置坐标等数据只能通过设备内置系统采集, 由机械操作人员通过显示屏读取, 记录人员现场记录。

应用智能化管理技术, 首先需要对成孔钻机安装数据采集及发射设备等硬件, 并开发网络数据中心, 在用户端使用匹配的系统操作软件。通过附加软硬件系统, 远程采集设备的相关数据, 然后加工处理, 在计算机或手机终端实时读取现场施工数据, 监控现场施工状态。

通过该系统的应用, 解决了如下问题: (1) 远程实时监控施工状态, 减少现场管理人员, 降低人工成本; (2) 施工机械成孔作业前, 预设成孔深度, 达到或超过预设深度后, 用户端显示界面出现报警提示, 预防施工超深; (3) 施工数据自动保存并能够通过用户操作软件导出, 提高施工记录数据的完整性、准确性和及时性。 (4) 施工参数自动分析, 输出分析结果, 用以控制桩基成孔质量。如对钻进深度、单次进尺、钻进时间等数据进行分析, 显示实时钻进速率, 并输出钻进速率曲线, 用以判断地下土层是否异常;又如对钻杆坐标及位置进行分析, 输出钻杆垂直度, 以便提醒操作人员及时调整设备, 保证桩基垂直度。

旋挖机设备干作业成孔后, 二次清孔 (吊放钢筋笼后进行的沉渣清理) 难度大, 因此一次清孔后验孔、检测沉渣厚度对控制桩基承载力极为重要。

目前桩基施工中孔壁情况及沉渣厚度难以直接测控, 为保证桩基施工质量, 在成孔后对成孔质量和孔底水位、孔底沉渣通过孔下摄像 (带光源、红外线) 进行检查, 确保孔壁规则, 孔底沉渣不超限后, 方可浇筑混凝土, 以保证桩身完整性和桩基承载力。

使用孔下摄像机既可以在验孔时监看孔壁完整性及孔底沉渣情况, 同时对于钻孔过程中遇到的特殊土层、地下暗河、孔壁局部塌孔等异常情况可以使用孔内摄像, 采集留存特殊部位桩基施工过程中孔内影像资料, 为分析处理问题提供依据, 也为桩基工程施工质量留存追溯资料。

旋挖机是大型施工机械设备, 大型设备施工安全是工程项目施工现场安全管理的重点内容。旋挖机因其机身体积较大, 司机在施工操作时视线存在盲区, 容易引发机械碰撞或撞人事故。

为保证机械施工安全, 对旋挖钻机进行智能化改造, 安装类似于倒车雷达的防碰撞报警系统 (见图1) 。在旋挖桩机尾部等旋挖司机视线盲区部位安装红外探测仪, 机械旋转半径范围内出现人或物, 即触发探测仪, 司机所在的驾驶室内出现报警提示, 从而提高机械操作的安全性, 避免现场机械伤害。

通过现场实践, 安装该系统后, 大大降低了旋挖机施工操作的碰撞安全事故发生概率, 消除了安全隐患, 同时也提高了旋挖机施工作业的效率。

在端承桩施工过程中, 对桩基长度的控制除嵌岩深度外, 还需考虑相邻桩基的桩端深度, 须满足相邻桩基桩间距与桩底高差之比 (即“刚性角”的正切值) 满足设计要求, 如图2所示。

施工中通常需要解决如下问题: (1) 因上部结构需要, 对局部桩基长度进行变更后, 需要对与之相邻区域的桩基进行验算, 如不满足刚性角要求, 需调整相邻桩基桩长; (2) 施工中局部桩基因地质条件与地勘不符而导致桩长调整, 同样需要验算调整相邻桩基。

成片施工的桩基具有相互关联性, 通过手算或CAD建模进行刚性角验算工作量较大, 用时较长, 效率较低。为解决刚性角桩长验算难题, 减少计算量, 提高计算速度, 保证计算的高效、准确性, 经过反复研讨, 最终开发基于网络数据库的应用软件。输入需要验算区域的桩基信息, 通过软件循环计算, 识别出不满足要求的桩基, 并计算出调整值, 快速解决工程桩施工中为满足刚性角而引起的桩长调整 (因局部桩基超深导致短桩影响长桩时对受影响桩的桩长调整) 。另外, 软件采用网络数据库, 便于远程共享数据, 不受终端设备、应用程序或地域的限制, 能够远程共享数据, 异地使用和操作。

通过该软件的应用, 简化和加快了因刚性角引起的桩长调整计算, 大大提高了工作效率, 为提高现场施工质量和施工进度提供保障。

本文结合成都天府国际机场T1航站楼项目桩基施工中智能化施工技术的开发、推广、应用实践, 以旋挖机施工数据无线传输、孔下摄像、旋挖机防碰撞、刚性角验算软件为例对智能化桩基施工技术作了总结。通过此类智能化技术的应用, 从施工质量、安全、工作效率等多方面改善和优化了桩基施工, 提高了施工管理的综合效益。

目前已实现智能手段具有可推广性, 能够在工程施工现场普遍推广应用。同时智能化、信息化手段与大型设备施工相结合是一条提高施工生产能力的重要途径, 相信随着信息技术的发展, 将会有更多更完善的智能化技术产生、推广应用到工程实践中。