许东 席倩
【摘要】数字信息技术的加速创新和深度应用，成为了经济社会转型升级的巨大内生产力，互联网时代的大数据、物联网等技术为民航业发展提供巨大潜力。目前，信息化手段在民航服务领域得到广泛应用，但在民航工程建设管理方面，信息化程度仍有很大差距。文章以成都天府国际机场地基处理及土石方工程09标段为依托，介绍机场软基处理振动沉管碎石桩施工技术与数字化施工技术相结合，确保软基处理工程质量、提高施工工效、降低工程成本。
【关键词】碎石桩施工;数字化技术;软基处理
【中图分类号】 TU472.3＋5 【文献标志码】 B
近些年來，振动沉管碎石桩广泛应用于公路、市政等工程，并取得了良好的效果，被视为经济、快捷的软基处理方法，但在机场建设中运用振动沉管碎石桩并结合数字化施工监控技术进行软基处理还未广泛应用，施工经验也不成熟。本文以成都天府国际机场地基处理及土石方工程09标段为例，利用专门针对振动沉管碎石桩施工工艺研发的数字化施工技术监控碎石桩施工，加快施工进度，节约工程成本，又有效地控制了施工质量，同时节约了大量的施工数据原始记录入员。
1工程概况
成都天府国际机场位于成都简阳市芦葭镇附近，距成都市中心51 km，一期工程共分为11个标段。场区内广泛分布着淤泥、淤泥质黏土、软塑黏土及可塑黏土等软弱土，其含水量高、强度低、压缩性高。为解决地基的沉降问题，控制工后沉降和工后差异沉降，改善地基均匀性，提高地基土强度和承载力，地基处理采用了换填、强夯、强夯置换、CFG桩、塑料排水板和碎石桩等地基处理工艺，其中09标段碎石桩23.7万 m。
2碎石桩工艺原理
碎石桩根据地基的不同土类，其工艺原理也不尽相同。碎石桩在可塑状黏性土、杂填土、素填土、松散砂土、粉土等地基中的作用包括挤密作用、振密作用、置换作用、抗液化作用、排水降压作用。通过挤密、振密、置换和排水降压达到加固地基的效果从而形成复合地基，最终达到机场软基处理加固的目的，避免不均匀沉降等因素对地基上部机场结构物及构造物造成破坏。数字化施工技术作用通过前端设备数据收集、后台设备数据处理，可快速查找施工质量不弱点，达到提质增效的目的。
2.1挤密作用
通过试验得出，碎石桩在松散粉土、密度不大的可塑状黏土地基中的挤密作用效果较好，而在饱和软塑状黏土、密度大的黏土、砂土地基中挤密作用效果较差。碎石桩在施工过程中，振动对其周围都产生很大的横向挤压力，桩管将地基中等于桩管体积的土挤向桩管周围的土层，使其孔隙比间隙，密实度增大。此为碎石桩法的挤密作用。
2.2振密作用
在施工时，桩管振动能量以波的形式在地基土中传播，引起地基土振动，桩管四周的土体受到挤压，引起桩管四周土体的振动，由于土体结构的破坏，使土颗粒重新排列，向较低势能位置移动，从而使土由较松散状态变为密实状态。此为碎石桩法的振密作用。
2.3置换作用
对黏性土地基，对于非饱和黏性土能产生一定的挤密作用，而对于饱和黏性土其主要作用是置换而不是挤密。由于土的密度大、黏性强、渗透性低，压缩性大、强度低、透水性弱，黏性土颗粒间存在大量细微孔隙，土粒间联结不稳定，其作用是将桩管位置的工程性能较差的土排挤至四周，碎石桩桩桩体的碎石置换了体积相同的软弱土。从而提高了地基的整体稳定性和抗破坏能力。
2.4抗液化作用
在施工时，在挤压和振动作用下，土中的孔隙水压力升高，从而使土的抗剪强度降低，土体就发生液化溜达破坏，液化后的土颗粒在上覆土压力、重力和填料挤压力作用下，土颗粒重新排列、组合，形成更加密实的状态，从而提高了桩间土的抗剪强度和抗液化性能。
2.5排水降压作用
在施工时，桩管四周的土体因挤密和振密作用受到挤压，在挤压和振动作用下，土的结构逐渐破坏，孔隙水压力逐渐增大，随着孔隙水压力进一步增大，达到大于主应力数值时，土体开始液化成流体状态，若有排水通道，土体中的水沿着排水通道排出。而碎石桩桩体碎石为透水材料，碎石间具有缝隙，所有缝隙串联正好形成了良好竖向排水降压通道，土体中的水沿着碎石桩形成的排水通道排出。挤密和振密作用产生超孔隙水压力可通过碎石桩形成的排水通道加速消散，使孔隙水压力的增长和消散同时发生，防止超孔隙水压力增高，降低水压力上升的幅度，从而提高地基土的抗液化能力，加快地基的排水固结。
2.6加筋垫层作用
对于浅层软土层，碎石桩可贯穿整个软土层至硬塑层或岩层，此时桩体在荷载作用下主要起到应力集中作用，使地基承载力提高达到加筋的作用;软土层较厚时，碎石桩可不穿透软土层，此时形成的加固复合土层起垫层作用，垫层将荷载扩散，使应力分布趋于均匀，从而达到提高地基承载力和减小沉降量的目的。
2.7数字化监控作用
碎石桩数字化施工技术工艺原理是结合北斗 RTK定位信息、激光传感技术所开发出的一套高智能化、高精准度和物联网化的施工质量管理系统，通过前端设备数据收集、北斗定位及数据传输、后台设备数据处理，有效监控施工过程质量，找出施工质量薄弱点。
碎石桩数字化施工监控系统利用前端监控设备系统（主要包括北斗导航天线、北斗CNss接收机、测距传感器、称重传感器）通过北斗导航系统定位产生施工过程监测数据，然后通过前端通信网络基站将施工过程数据传送至后台进行综合分析，监控碎石桩打桩位置、打桩深度、沉管时间、拔管时间、成桩时间、拔桩发插次数、持力层电流值等相关施工数据是否符合设计要求。建设单位、监理单位、施工单位等有关各方通过电脑或手持 IPAD查看监控平台实时显示的施工区域作业情况，有效监控碎石桩施工全过程施工质量，大大减少了建设各方的管理资源。
3碎石桩施工
3.1施工工艺流程
碎石桩施工顺序宜从中间向外围或隔排施工，施工工艺流程如图1所示。
3.2施工准备
3.2.1技术准备
（1）图纸会审。各专业工程技术人员熟悉、审阅图纸，将看图过程中发现图纸中存在的遗漏、相互矛盾、实际施工可能遇到的问题及存在疑问等整理汇总，与监理工程师、设计单位协商解决。
（2）测量成果交接及控制桩加密。由业主组织进行定位桩和坐标点的测量控制桩现场交接后，测量人员依据设计图纸、业主提供的坐标点和已知水准点，及时进行复核控制桩，引入高程控制网水准点，做好现场控制桩网加密，最后将测量成果记录资料整理，报监理工程师审查认可签字，同時实施对桩点的保护。
（3）试验检验及设备调试。开工前，项目部建立起完善的试验管理体系，制定出适合本工程的材料、工艺的试验工作计划，配备试验设备、仪器、仪表、工具等。
3.2.2现场准备
（1）平整场地。施工前，清除碎石桩施工区域内地下管线、砖混凝土基础、空洞、墓穴、木桩及地上管线、树木等障碍物，清除场地内腐殖土、草皮、树根等地表杂物。标记、处理场地范围内沟、河、塘、井、窖、墓等。首先疏干沟、河、塘内的积水，然后清除底部淤泥并运至指定地点，最后采用砂砾石、中粗砂、建渣、中风化砂岩或泥质砂岩作为施工垫层材料，施工垫层厚度以稳住地基土、不形成"弹簧土"现象为原则，根据试验暂按50 cm考虑。应优先选用场区内建渣、中风化砂岩或泥质砂岩作为垫层材料，不能采用大粒径的建渣、中风化石料或砂砾石，以免对碎石桩施工产生不利影响。
（2）测量放样。根据业主交接的测量控制桩及加密网，按基础平面布置图及桩位平面布置图测放定出桩位。要求桩位误差不超过5 cm， 由于场地桩数较多，测量人员每隔40 m精确放出碎石桩的一竖排、一横排桩中心线;按照正三角形布置桩位，桩间距按照1.8 m布置，碎石桩桩径小600 mm。正式施工时，桩位采用拉钢尺定位，用白灰标识，并随时复核。自检合格后向监理工程师报检，经验收合格后方可施工（图2、图3）。
3.2.3人员准备
根据工期及试桩施工数据制定的施工进度计划，做到人停机不停，机组人员按照双倍配置。
3.3试桩施工
大面积施工前，应结合地址情况选取代表性位置进行试验性碎石桩施工，详细记录沉管起止时间，沉管深度，拔管起止时间，密实电流，反插次数，碎石贯人量，充盈系数等情况，并开展桩身重型动力触探检测、桩间土标准贯人试验，在桩长穿透软、可塑层及硬塑夹层，桩体均匀、密实的条件下，优化成桩工艺参数。施工前应进行成桩工艺和成桩挤密试验，工艺性试桩的数量不应少于6根，成桩质量不满足设计要求应调整施工参数后重新进行试验。
3.4施工
3.4.1机具就位
振动沉管机具就位合拢活瓣桩靴，将管桩垂直向下，使桩尖对准桩位。活瓣桩靴宜选用平底型活瓣桩靴见图4（a），沉管困难时可采用尖锥型活瓣桩靴见图4（b）。
3.4.2振动沉管成孔
管桩对准桩位后利用重锤及沉管自重徐徐静压1～2 m 后，启动振动锤振动下沉，调整桩机搭架，使沉管与地面基本垂直，校正沉管与进料口位置，振动下沉到地基非软弱层。垂直偏差控制在1%以内。
3.4.3灌入碎石填料
成孔达到非软弱层后，采用小型装载机将碎石料装入加料口注入桩管内，第一次投料根据大于管长1/3体积计算灌入碎石料数量。拔管应有专人负责碎石灌入量，以防超灌或少灌。填料量估算可按桩孔体积乘以充盈系数确定，充盈系数按1.2～1.4确定。
3.4.4振动拔管反插
应严格控制成桩速度，拔管宜在管内灌入碎石料高度大于1/3管长后开始。拔管速度应均匀，不宜过快，宜控制在1 m/min，每提管50 cm留振20 s，每拔管1 m 向下反插深度不小于30 cm至稳定电流，在距离地表2～6 m范围内，反插深度不小于50 cm。如此反复直至全管拔出，拔管速度均匀。
应做好每根桩的成桩记录，包括桩序号、桩位坐标、沉管起止时间、沉管深度、拔管起止时间、密实电流、反插次数，碎石灌入量、充盈系数等施工数据。
3.4.5分段加料振实
第一次投料成桩长度的1/3投料数量完成后，进行数次反插直至桩管内碎石全部拔出;停止振动提升桩管第二次开启投料口，进行第二次投料直至灌满;继续边拔管边振动，直至拔出地面;提升桩管高于地面，停止振动进行第三次孔口投料直至地表;再次启动反插，并及时进行孔口补料至该桩碎石桩桩体顶面与地面平齐为止。
3.4.6机具移位至下一根桩基施工
重复以上步骤，按照从中间向外围或隔排跳打的施工顺序逐根桩基进行施工，直到所有碎石桩基全部完成。
4碎石桩数字化施工技术
数字化施工管理信息系统，是运用现代的测绘技术、电子信息技术、网络传输技术、机械设备控制技术、管理科学技术等与传统的施工技术相结合，创建民航飞行区数字化施工管理信息系统，对飞行区工程项目实施数字化施工信息管理。目前北京新机场率先使用数字化施工技术对施工质量进行监控。但对整个工程进行全面、全过程进行数字化施工技术管理，成都天府国际机场在民航机场建设尚属首次。通过对施工过程中所有地基处理机械及土石方时间机械全面运用数字化施工技术进行质量监控。
数字化施工质量监控系统分为前端硬件采集设备与后台监控平台两大模块。碎石桩机数字化施工技术管理系统是根据施工工艺的质量要求，结合北斗 RTK定位信息、激光传感技术所开发出的一套高智能化、高精准度和物联网化的施工质量管理系统，系统所能实现的管理指标包括碎石桩机施工的打桩位置、打桩深度、沉管时间、拔管时间、成桩时间、拔桩反插次数、持力层电流值等，将以上原始施工数据导入电脑可形成真实的施工数据资料，可有效控制碎石桩施工质量和记录碎石桩施工完成工程量。
4.1系统组成
数字化施工质量监控系统分为前端硬件采集设备与后台监控平台两大模块。碎石桩机数字化施工监控系统由北斗定位模块、测距模块、称重模块、显示模块、电源模块、主控模块及通讯模块七大模块构成（图5）。
（1）北斗定位。北斗天线模块通过2个天线的精准定位可以判断碎石桩机方位、方向、碎石桩机中心位置以及碎石桩机所在地表高程。
（2）测距模块。测距模块主要是测量碎石桩机沉管高度及下沉深度，以及每次沉管反插后沉管内碎石下沉位置。
（3）称重模块。称重模块其作用主要用于称重碎石桩机料斗内每次装入碎石料重量。每次碎石料重量相加后得到单根碎石桩的碎石灌入量。
（4）显示模块。显示模块安装在碎石桩机驾驶舱内，为碎石桩机司机实时显示桩点排布、打桩位置、打桩深度、沉管时间、拔管时间、成桩时间、拔桩反插次数、持力层电流值等实时施工数据。
（5）电源模块。电源模块安装在碎石桩机驾驶室内，连接各传感器，供电电源并且对电源稳压变压后给各个模块供电。
（6）主控模块。主控模块安装在碎石桩机驾驶室内，其作用是接收传感器数据并处理，储存发送到平板显示，同时把施工数据通过基站4G天线发送到后台终端系统云服务进行处理。
（7）通讯模块。通讯模块由 w1F1无线天线和4G天线组成，安装在碎石桩机驾驶室内。其作用是实时传输施工数据到云服务进行处理。
4.2数字化施工监控系统平台建设
数字化施工监控系统是结合北斗定位技术、传感器技术等对工程机械的施工指标进行记录，用数字化的手段对工程质量进行判断的施工质量管理系统。系统通过"信息实时采集、数据传输，实时监测施工机械在施工过程中的动态，能够对实时数据进行记录，并对数据进行分析，发现问题及时报警"，辅助人工判别施工质量，采用信息化手段对机械进行管理。数字化施工监控系统平台设置主要包括3部分：前端基站架设和物联网络布局、前台监控系统安装、后台监控终端建设。
4.2.1前端基站架设
主要包括移动信号传输基站架设，要根据施工场地地势形状合理布局基站数量，确保所有施工场地信号全覆盖。通过一定数量基站的信息互通形成物联网络布局（图6）。
4.2.2前台监控系统安装
主要包括移动信号基站及场区高地势区域布置的清晰高倍聚焦摄像头和复合地基处理施工机械上的监控模块，监控模块主要包括北斗定位模块、数据传输模块、测距模块、显示模块、电源模块、主控模块及通讯模块等（图7）。
4.2.3后台监控终端建设
主要包括数据处理分析和后台监控显示系统，物联网络信息显示系统（图8）。
4.3系统工作方法
"项目管理专业化、工程施工标准化、管理手段信息化、日常管理精细化"的现代工程管理理念，其中管理手段信息化最具时代特征。数字化施工监控系统通过在施工设备上安装监控装置来获取施工工艺数据，通过安装摄像头来获取工地场景信息，并通过监控平台来分析得到的数据信息。由于施工数据信息能够全天候实时获取、处理、存储，施工过程就可回放，施工过程透明;同时通过分析，可准确找到施工区域的工程实体的薄弱点。因此，数字化监控平台从根本上改变了原来工程管理的信息获取、传输及信息处理的方式，实现了管理手段的信息化（图9）。
碎石桩机数字化施工监控系统为其提供了多种桩点位置的方式，并将点位显示在平板电脑上，现场无需测量放点，只需要1名操作人员即可完成。通过北斗定位系统，沉管桩和机身的水平位置、高程及方向可被定位至厘米级，打桩位置、打桩深度、沉管时间、拔管时间、成桩时间、拔桩反插次数、持力层电流值等施工数据被准确自动记录在系统中，同时精确引导沉管到桩点位置，方便操作手施工。操作人员通过驾驶台旁的显示器，可以精确看到自己瞄准的地面坐标，偏差为零。碎石桩完成后，质量监测系统还会自动计算、储存、传输施工质量的相关数据，并通过作业面颜色加以区分，操作人员很容易找到薄弱环节，进行补充沉桩。操作模式可通过平板电脑在白天和夜间之间来回切换，保证了夜间施工的安全性（图10）。
办公室内安装的后台终端视频监控系统与施工机械上的监测系统相连，管理人员坐在办公室里轻点鼠标，就能看到大到施工全场、小到机械驾驶室里的实时监控画面，还能回看以往的画面，或根据不同需要进行查询。施工数据会实时自动传输到后台监控系统，并对采集到的数据信息进行分析与处理，形成施工进度报告、施工质量报告、碎石桩机原始
施工数据记录报告等，通過监控平台提供给现场管理人员、承建单位和监理单位，提高监管力度，打破传统施工方式中监理方抽检施工结果的形式，检测结果更可靠。
4.4数字化施工监控系统优缺点
4.4.1优点
数字化后台终端视频监控系统与施工机械上的监测系统相连，在办公室里就能看到施工全场、机械驾驶室里的实时监控画面，施工过程透明。施工数据信息能够全天候实时获取、处理、存储，回放，并对获取的数据信息进行分析与处理，形成施工进度报告、施工质量报告、原始施工数据记录报告等，通过监控平台提高监管力度，打破传统施工质量监控方式。监测系统自动记录下的施工原始数据导入电脑可形成真实的施工数据资料，节省了施工单位的碎石桩机原始数据记录入员。同时，监测系统自动记录下的施工原始数据成为监理处理现场施工问题的有效依据，大大减少了因经验与施工方标准不一致产生的纠纷。
碎石桩机数字化施工技术管理系统是根据施工工艺的质量要求，结合北斗 RTK定位信息、激光传感技术所开发出的一套高智能化、高精准度和物联网化的施工质量管理系统，系统所能实现的管理指标包括碎石桩机施工的打桩位置、打桩深度、沉管时间、拔管时间、成桩时间、拔桩反插次数、持力层电流值等，将以上原始施工数据导入电脑可形成真实的施工数据资料，可有效控制碎石桩施工质量和记录碎石桩施工完成工程量。
总体上来看，安装数字化设备后，传统施工方式存在的人力资源消耗大、工程质量保障难、现场问题处理缺乏依据等问题都迎刃而解，所以，数字化施工方式得到承建方、施工方和监理方"设备功能完善、设计人性化，实现质量与效率兼得"的一致评价。
4.4.2缺点
数字化施工技术缺点主要表现在几方面：
（1）施工区域分布广、面积大、跨区施工时需要足够的基站数量，移动物联网络基站数量不足，无法实现施工区域全覆盖，部分施工区域前台监控设备无法将信号传输至后台终端进行分析。
（2）受信号强弱影响，桩机定位精度容易出现误差，一个点识别为多个点，碎石桩反插次数或强化夯击次数可能存在误差。
（3）车载平板显示器受信号不稳定影响、将造成数据异常。
（4）受车身抖动等方面影响，车载显示器黑屏、白屏、卡顿、死机等故障率高，主控模块无法记录数据。
5结束语
成都天府国际机场地基处理及土石方工程，成功应用振动沉管碎石桩结合数字化施工技术应用于机场软土地基处理，通过对碎石桩的沉管起止时间、沉管深度、拔管起止时间、密实电流反插次数、碎石灌入量、充盈系数等施工指标进行准确监控，确保了碎石桩的施工质量。经碎石桩加固处理的地基土的压缩模量、承载力基本值均显著增长，有效达到了提高地基承载力、减少地基土沉降量及差异沉降量、加速沉降稳定时间的目的，加固效果及经济效果显著。利用数字化施工技术辅助振动沉管碎石桩施工，大大避免了数量繁重的施工原始数据记录，节约了施工原始记录入员数量，有效保证了工程质量和真实记录了碎石桩完成工程量，实现了科学化、精细化施工，关键技术创新点突出，实用性强，取得了良好的经济效益和社会效益。
数字化施工监控系统通过监控平台分析得到的数据信息，可准确找到施工区域的工程实体的薄弱点，有效保证施工质量，监控系统自动记录下的施工原始数据成为监理处理现场施工质量问题的有效依据，减少了因经验与施工方质量标准不一致产生的矛盾;其次，后台控制系统将原始数据收集整理，导出后可作用施工原始记录资料，节约了大量施工原始数据记录入员;第三，将原始施工数据导入电脑可形成真实的施工数据记录资料，为统计工程量、工程计量及工程结算提供参考。总体上来看，安装数字化设备后，传统施工方式存在的人力资源占用大、工程质量保障难、工程数量误差大等问题都迎刃而解，数字化监控平台从根本上改变了原来工程管理的信息获取、传输及信息处理的方式，實现了工程施工管理手段的科学化、精细化、信息化。
随着成都天府国际机场土石方工程的推进，数字化施工监控技术已经在基础设施建设领域大规模运用，民航、铁路、公路等涉及基建的领域都将摆脱传统施工质量监控方式，以信息化、数字化做支撑，真正迈人大数据时代。
参考文献
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