基于智能化控制系统水泥搅拌桩加气搅拌成孔施工工法.pdf

1、1 基于智能化控制系统水泥搅拌桩加气搅拌成孔基于智能化控制系统水泥搅拌桩加气搅拌成孔施工工法施工工法 1 前前 言言 水泥搅拌桩是目前较为通用的一种软基处理方法，但对于一些粉砂地层钻进施工时会存在一些难题，因为粉砂层的土体结构较为紧密，在旋转过程中会使钻头周围的土体跟随钻头进行搅动，操作工人对于喷浆量、下钻速度、提钻速度等参数调控不当，就会导致钻头被砂土包裹，外围土体也会形成一个“硬壳层”，造成砖头难以下钻、原位空转的问题，下钻速度急剧下降，直接决定了成桩的质量。我司在通道侗族自治县贫困村基础设施建设项目（一期）及通道侗族自治县交通基础设施建设项目 A80 标段和通道侗族自治县贫困村基础设施建

2、设项目（一期）及通道侗族自治县交通基础设施建设项目 A83 标段中也遇到此类地质，根据现场的实际情况进行研发改进，最终研制出了一套采用针对此类地质快速成孔的施工方法，在钻杆中引入高压气体，通过高压其他冲破包裹钻头的粉砂土，避免土体对钻头的下钻的影响，并且在施工中融入智能化的理念，通过数字化控制系统，实现穿越不同地质的快速成孔；而后总结形成企业级工法“基于智能化控制系统水泥搅拌桩加气搅拌成孔施工工法”。2 2 工法工法特点特点 2.0.1 本工法在注浆管与钻杆连接处安装三通装置，三通装置分别连接送气管、注浆管与钻杆，并在送气管连接处增设止回阀，通过空气增压的原理，增设一台空压泵和一些管线和三通装

3、置即可推广应用，施工操作简单。2.0.2 本工法采用的智能化控制系统在常规水泥土搅拌桩机上加装测距仪、测斜仪、流量计、密度仪、电流计等传感器、记录仪和调速电机，保证通过智能控制平台对转进过程中的2 所有信息进行实时上传、检测、控制，实现空气、浆液同步恒压输送、喷浆量、下钻速度、提钻速度、转速等工艺参数根据钻入不同地质情况进行实时智能化控制。2.0.3 本工法在三通管道末端连接 2kw/h 的空气压缩机，实现送气管道和浆液输送管道的同步恒压输送，加快了成孔的施工速度。2.0.4 本工法最终形成的智能化控制系统，相关的施工作业人员可以在手机 APP 端收到超时提醒，优化了现场施工的质量控制方法，同

4、时可以通过线上进行质量检查验收，加快了现场施工的效率。3 3 适用范围适用范围 本工法适用于粘聚力 10kPa 以内，锥尖阻力 20MPa 以内的粉质黏土、粉砂、粉细砂土层的水泥搅拌桩施工，也适用于多层次、不同地质情况的软基水泥搅拌桩施工。4 4 工艺原理工艺原理 本工法根据粉砂层地质在钻进过程中，土体易粘钻形成“硬壳层”难以下钻的问题，对钻机进行改良，引入高压气体在钻头喷浆口喷出，通过高压空气破除粉砂土对钻头的包裹，同时冲散砖头周围的土层，实现搅拌桩快速下钻。在注浆管与钻杆连接处安装三通装置，连接送气管，形成高压带气浆液，在三通装置送气处安装止逆阀，防止浆液回流堵塞送气管。送气管末端连接 2

5、kw/h 的空压机，空压机在钻进过程中同步恒压送气，避免粉砂土包裹钻头。并在水泥土搅拌桩机上加装硬件、软件两部分组成的系统。硬件部分为实现现场监测的各类仪器，包括测距 仪、测斜仪、流量计、密度仪、电流计等传感器和记录仪，以及全新封闭式数字 化控制水泥仓，并在送浆泵上安装调速电机。软件部分由信号接收、数据整理、综合分析、成果反馈、工艺参数调控程序等子系统构成的监控云平台，软硬件之 间通过无线方式实时连通，保证内、外杆电流值、喷浆量、下钻速度、提钻速度、转速等工艺参数根据地质的情况来实时智能化调整。3 1-泥浆储存池，2-灰浆泵，3-智能控制平台，4-桩机工作轮组，5-空气压缩机，6-工作棚，7-

6、钻机塔固定缆索，8-钻杆旋转电机，9-送浆管，10-送气管，11-钻杆，12-钻头及叶片 图 4 水泥搅拌桩加气搅拌智能化快速成孔施工结构示意图 5 5 工艺流程及操作要点工艺流程及操作要点 5.1 施工工艺流程施工工艺流程主要施工操作流程如图 5.1 所示。4 管路改造成桩效果智能数据采集智能化系统安装设备调试搅拌桩施工施工准备材料验收止逆阀测试电脑手机端设置硬件安装软件安装图 5.1 主要施工操作流程图 5.2 操作要点操作要点5.2.1 施工准备1 测量放样定出桩位，同时采用全站仪或吊线锤双向控制导向架垂直度。按设计及规范要求，垂直度小于 1.0%桩长。2 施工现场进行平整、碾压或夯实，

7、以保证桩机定位移动，钻孔垂直，搅拌桩机就位。3 制备水泥浆：按设计确定的配合比进行水泥浆的制备。5.2.2 管路改造根据搅拌桩机改造需求，送气软管选用长度 20m，内径 50mm 的橡胶软管；并严格按照材料验收相关规定，对“三通管件”、“橡胶软管”的合格证书、外观质量、材料性能等方面进行检查，确认止逆阀动作灵活、可靠；验收通过方可使用。根据改造方案，需先对注浆管路与桩机管路接口处进行改造，通过使用带止逆阀的斜三通管件，钻机端为输出口、送浆机与送气机端为输入口，分别与三通管件对应接口连接。5 图 5.2.2 橡胶软管和斜三通管件 5.2.3 设备调试三通管件安装前，需对止逆阀功能进行测试；即先接

8、通送浆管与出口端，进行送浆测试，观察送浆过程中，送气管接口是否出现漏浆情况，确认止逆阀功能是否有效。经注浆测试一分钟，未出现送气端漏浆现象，止逆阀功能确认有效。止逆阀功能确认有效后，进行加气改造搅拌桩机的整体安装工作，安装完成后，进行送浆、送气测试，在注浆的同时往注浆管内输送高压气流，气流与浆液流速比为 6：1，形成高压带气浆液，检查设备运行情况，确认设备运行正常。图 5.2.3 空气压缩机及三通连接 5.2.4 智能化系统安装水泥土搅拌桩数字化控制系统施工技术通过在常规水泥土搅拌桩机上加装硬件、软件两部分组成的系统。硬件部分为实现现场监测的各类仪器，包括测距仪、测斜仪、流量计、密度仪、电流计

9、等传感器和记录仪，以及全新封闭式数字化控制水泥仓，并在送浆泵上安装调速电机。软件部分由信号接收、数据整理、综合分析、成果反馈、工艺参数调控程序等子系统构成的监控云平台，软硬件之间通过无线方式实时连通，对搅拌桩施工全过程进行管控预6 警，并增添制止程序，在现场施工数据超过预警值 5 分钟后直接停止桩机工作。图 5.2.4 智能控制系统 深度传感器用于采集成桩深度或钻头所在深度，通过编码器正转和反转分别模拟桩机下钻和提钻过程，形成深度数据，将两个定滑轮槽口相对，安装在顶部盖板下方，将顶部盖板扣在主机支架的两个螺栓上，每个螺栓上各套一个弹簧，拧紧螺丝，调整主体机架上的大定滑轮位置，使其槽口与两个小定

10、滑轮的槽口在同一竖直面上，用防水胶密封编码器封盖，防止雨水等进入损坏编码器，同时将编码器端部导线绕一圈粘在封盖上，防止接触不良。而后调整主体支架的高度，卸下盖板，将深度传感器卡在桩机架和钢缆质检，钢缆对准大定滑轮槽口，深度传感器主体支架与钢缆垂直，焊接或用螺栓、螺丝固定。安装两个电流计，分别采集内、外钻杆电流值，将导线与电流计接线柱连接，并用绝缘胶带密封绑扎，将电流计卡扣在内、外钻杆的电源线上，排布至监控主机。流量计用于采集水泥浆梁，其左右两个接口连接桩机和制浆站的导管，当水泥浆通过流量计时，流量计每 10 毫秒读取一次流量，计算每秒的水泥浆梁，并传输至监控主机。测斜仪为整体的模块，可直接安装

11、，固定于桩机机架的任一水平支撑，用胶带帮助、胶水粘结即可。所有传感器安装完成后，将传感器数据线与监控主机上对应的接口连接，同时安装天线，测试数据传输及网络是否通畅。最后安装自动制浆站，为购买式产品，而后在普通送浆泵的控制电路上加装调速电机，形成变频送浆泵。7 5.2.5 智能数据采集 施工前，先打开监控云平台，输入桩号，设置内、外杆电流值、喷浆量、下钻速度、提钻速度、转速等工艺参数和调控程序，以及内、外杆电流值、设计桩长、倾斜度、转速等预警值，点击“记录”按钮；施工时，所有传感器在钻杆启动时开始采集施工数据，并传输至记录仪，仪将接收到的内、外钻杆电流值、钻杆所在深度、喷浆量和倾斜度数据实时上传

12、、存储至监控云平台网络服务器，供施工单位、业主和监理单位随时通过手机、计算机等网络通讯设备远程查看，对施工情况进行监控。同时监控云平台根据接收到的外钻杆电流值识别土层 性质，优化调控程序，再向送浆泵的调速电机发送调速信号，以达到根据实际土层性质区别喷浆的目的。单桩施工完成后，点击“完成”按钮，结束该桩数字化 控制施工及记录。图 5.2.5-1 电脑端智能控制页面 图 5.2.5-2 手机端智能控制页面 5.2.6 搅拌桩施工 搅拌桩采用“两喷四搅”工艺，将软土和水泥浆液充分拌合，达到固化软土和增强地基承载力的效果。钻机就位后，开始搅拌下沉、制浆，下沉的速度可由电机的电流监测表控制，工作电流不应

13、大于 40A；同时按照设计确定的配合比拌制水泥浆，搅拌机预搅下沉，后台拌 8 制固化浆液，拌好待用的浆液倒入集料池中。随后搅拌下沉到制定深度后开始提升、喷浆；最后紧跟重复搅拌下沉和提升喷浆一次，施工要求同第一次。浆液比重控制：现场根据试验配合比配置，每台拌浆机配备一台经过标定的计量器具及比重仪，现场技术员对拌制的每盘浆液进行检查。钻进和提升速度：搅拌机每次下沉或提升的时间必须有专人记录，时间误差不得大于5s，搅拌转速控制在 3050 转/min。喷浆：搅拌钻机进场后对仪器仪表进行标定，合格后方可安装使用；在喷射注浆前要检查高压设备和管路系统，设备的压力和排量必须满足设计要求，管路系统的密封圈必

14、须良好，各通道和喷嘴内不得有杂。供浆必须连续，拌合必须均匀，一旦因故停浆，应使搅拌钻头下沉至停浆面以下 0.5m，待恢复供浆后再喷浆提升，如因故停机超过 3h，应先拆卸输浆管清洗后备用。未完成桩应采取补喷措施或重新打设，所有接桩及补桩都必须报总监办批准并做好记录。5.2.7 成桩效果 通过现场旁站记录可以看出采用本技术成桩的施工速度有了显著提升，并且成桩的取芯质量也有了明显的提升。（1）一次下沉用时曲线对比图 （2）一次提升喷浆用时曲线对比图 （3）二次下沉用时曲线对比图 （4）二次提升喷浆用时曲线对比图 图 5.2.7-1 各工序用时情况曲线对比图 0510151 2 3 4 5 6 7 8

15、 9 1011121314时间：min土层深度（m）传统工艺新工艺0123451 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314时间：min土层深度（m）传统工艺新工艺012341 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314时间：min土层深度（m）传统工艺新工艺012341 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314时间：min土层深度（m）传统工艺新工艺 9 （1）普通搅拌桩芯样图 （4）加气改进搅拌桩芯样图 图 5.2.7-2 钻芯取样对比图 6 6 材料及设备材料及设备 6.0.1 主要材料 主要施工所用材料如表 6.0.1 所示。表表 6.0.1 主要材料表

16、主要材料表 序号 材料 牌号/规格 单位 备注 1 送气管 20m m 气流泵送 2 三通装置/个 连接 3 止逆阀/个 防回浆 4 输浆管 50 m 泵送浆液 5 传感器/个 数据监控 6 记录仪/个 数据记录 6.0.2 机械设备 主要施工机械设备配置如表 6.0.2 所示。表表 6.0.2 主要施工机械设备表主要施工机械设备表 序号 设备名称 规格、型号 单位 数量 用途 1 水泥搅拌桩机 SJBP-1/1 台 1 搅拌桩施工 2 空压机 2kw/h 台 1 加气搅拌 3 在线式自动制浆泵 LD-BZ-12 台 1 自动制浆 4 注浆泵 2kw/h 台 1 浆液泵送 5 全站仪 GTS-

17、102N 个 2 测量放线 6 经纬仪 dj05 个 2 测量放线 7 自卸车 SX3255R367C 辆 2 材料运输 10 7 7 质量控制质量控制 7.1 工程质量控制标准工程质量控制标准 本工法中的搅拌桩施工主要依据建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）、建筑地基处理技术规范（JGJ 79-2012）、城市道路-软土地基处理（15MR301）、建筑地基基础工程施工质量验收标准（GB 50202-2018）和建筑地基基础工程施工规范（GB 51004-2015）中的相关规定进行施工。7.2 质量质量保证措施保证措施 7.2.1 在加气设备安装完成后，必须检查高压设备和管路系统，设备的

18、压力和排量必须满足设计要求，管路系统的密封圈必须良好，各通道和喷嘴内不得有杂。7.2.2 浆液比重控制：现场根据试验配合比配置，每台拌浆机配备一台经过标定的计量器具及比重仪，现场技术员对拌制的每盘浆液进行检查。7.2.3 钻进和提升速度：搅拌机每次下沉或提升的时间必须有专人记录，时间误差不得大于5s，搅拌转速控制在3050转/min。7.2.4 喷浆：搅拌钻机进场后对仪器仪表进行标定，合格后方可安装使用。7.2.5 一旦现场设备因故停浆，应使搅拌钻头下沉至停浆面以下0.5m，待恢复供浆后再喷浆提升，如因故停机超过3h，应先拆卸输浆管清洗后备用。7.2.6 现场水泥土搅拌桩地基质量应符合下表中的

19、规定。表表 7.2.6 水泥土搅拌桩地基质量检验标准水泥土搅拌桩地基质量检验标准 项目 序号 检查项目 允许偏差或允许值 检查方法 单位 数值 主控项目 1 水泥及外掺剂质量 设计要求 查产品合格证书或抽样检验 2 水泥用量 参数指标 查看流量计 3 桩体强度 设计要求 按规定办法 4 地基承载力 设计要求 按规定办法 一般项目 1 桩头提升速度 m/min 0.5 量水头上升距离及时间 2 桩底标高 mm 200 测机头深度 3 桩顶标高 mm 100，-50 水准仪（最上部 500mm 不计入）4 桩位偏差 mm 50 用钢尺量 5 桩径 mm 0.04d 用钢尺量，d 为直径 11 6

20、垂直度%1.5 经纬仪 7 搭接 mm 200 用钢尺量 8 安全措施安全措施 8.0.1 电工及特种作业工人应持证上岗，工人上岗须戴好个人防护用品，不准穿塑料底鞋和硬底鞋进行高空安装施工，严禁酒后作业。8.0.2 设专人对机械设备定期检查、维修和保养，对查出的隐患要及时进行处理，并制定防范措施，防止发生机械伤害事故。8.0.3 每个桩孔由一个固定的小组施工，机械操作人员严格执行安全操作规程，专人负责安全防护，防止高压设备机械伤害，保证安全施工。8.0.4 搅拌机周边必须设置安全防护围栏，高度不低于 1.2m。所有施工活动均应在防护围栏内作业，严禁非施工人员进入桩基施工区域，已搅拌好的成桩，必

21、须设置防护，并设置明显警戒标志。8.0.5 在施工前对参加施工的工程技术人员、管理人员及辅助人员进行技术交底和岗前培训，减少施工过程中的意外事件。8.0.6 施工现场设有安全标志，危险地区悬挂“危险”等警告标志，夜间设红灯示警。9 环保措施环保措施 9.0.1 预制加工厂内设置废料区，及时回收施工过程中流出的废水，加以充分利用，节约水资源。不准将含有污染物质或可见悬浮物质的水，直接排入河流、水道或现有的灌溉系统中。9.0.2 施工现场修建沉淀池，先将污水排入沉淀池，除去悬浮物、油类物质并进行中和处理，检测达到排放标准后排入河流。9.0.3 在运输、储存水泥类易飞扬物时，采取覆盖、密封、洒水等措

22、施防止和减少扬尘。9.0.4 配备专用洒水车，对施工现场和运输道路经常进行清扫和洒水湿润，减少扬尘和对生产人员及当地居民造成危害。9.0.5 加强施工现场环境噪声的长期监测，采取专人管理的原则，根据测量结果填写施工现场噪声测量记录表，凡超过施工场界噪声限值标准的，要及时对施工现场噪声超标的有关因素进行调整，达到施工噪声不扰民的目的。9.0.6 认真规划施工道路，做好临时道路的管理、使用，并做好道路的排水，施工场地内修建施工排水系统并确保畅通。12 10 效益分析效益分析 10.1 经济效益经济效益 与普通搅拌桩机相比，新工艺采用智能化系统改进桩机，增加设备主要有空气压缩机（约2500 元）、配

23、套软管（约 200 元）、三通和止逆阀（约 200 元）、智能化系统等，总费用约在 2900 元左右。按一天 24 小时计算，传统工艺单桩成桩时间为 190min，一天理论成桩2460/190=7.58 根，总米数：7.5814=106m/d；新工艺单桩成桩时间为 131.6min，一天理论成桩 2460/131.6=10.94 根，总米数：10.9414=153m/d。因此两种工艺每延米施工成本数据对比如下：表表 10.1-1 经济效益对比分析表经济效益对比分析表 工艺 延米数 材料费用 材料费用 设备租赁 电费 人工费 平均费用 传统工艺 106m 38.76 元/m 4109 元/日 7

24、00 元/日 1789 元/日 1000 元 71.67 元/m 新工艺 153m 27.14 元/m 4152 元/日 700 元/日 1837 元/日 1000 元 50.26 元/m 以搅拌桩 100 根来计算，合计 100 根14m/根=1400m；共节省工期约 15 天，综合平均每天节省费用约 5000 元，活动经济效益分析如下：表表 10.1-2 经济效益核算表经济效益核算表 费用项目 费用（元）节省费用（71.67-50.26）元/m1400m 29974 综合费用 5000 元/天15 天 75000 增加费用 设备改造 2900 元 2900 综合效益 102074 10.2

25、 社会、环保效益社会、环保效益 本工法在传统的水泥搅拌桩桩机上进行改装，加装通气管道及监控措施，形成加气搅拌装置和智能化控制系统，通过高压气体破除黏在钻头上的粉砂土并对全过程进行智能化控制，解决了搅拌桩遇此地质容易空转的难题；同时在施工完成后，对搅拌桩进行 27d 取芯检测，检测芯样的抗压强度、标贯击数等，均满足设计要求，且综合质量评定为优，具有较好的推广应用前景。13 11 应用实例应用实例 11.0.1 通道侗族自治县贫困村基础设施建设项目（一期）及通道侗族自治县交通基础设施建设项目 A80 标段 11.1.1 工程概况 本项目位于怀化通道侗族自治县牙屯堡镇，路线全长 7.302 公里，包

26、括路基、排水沟、涵洞、路面、铺砂、碾压等，技术标准达到四级公路标准或湖南省农村公路提质改造技术指南及市交通运输主管部门的相关要求。11.1.2 应用情况 本项目地基为粉砂土层地基，整体地质较软，设计采用水泥搅拌桩进行软基加固，但在施工过程中发现，现场需要统计的施工数据较多，并且粉砂地层的钻头在钻进过程中容易形成空转的现象，下钻速度较慢，因此我司在本项目中研制成型本技术，通过加气搅拌的方式，解决了钻头难以下钻的问题，并且研发成型智能控制系统，对整个水泥搅拌桩的施工过程进行精细化控制，保证水泥搅拌桩的施工速度及成型质量。11.1.3 应用效果 采用本工法进行施工与普通搅拌桩机相比，新工艺采用智能化

27、系统改进桩机，增加设备主要有空气压缩机（约 2500 元）、配套软管（约 200 元）、三通和止逆阀（约 200 元）、智能化系统等，总费用约在 2900 元左右。按一天 24 小时计算，传统工艺单桩成桩时间为190min，一天理论成桩 2460/190=7.58 根，总米数：7.5814=106m/d；新工艺单桩成桩时间为 131.6min，一天理论成桩 2460/131.6=10.94 根，总米数：10.9414=153m/d。以搅拌桩 100 根来计算，合计 100 根14m/根=1400m；共节省工期约 15 天，综合平均每天节省费用约 5000 元。11.0.2 通道侗族自治县贫困村

28、基础设施建设项目（一期）及通道侗族自治县交通基础设施建设项目 A83 标段 11.2.1 工程概况 本项目位于怀化通道侗族自治县坪坦乡天堂至务溪公路，路线全长 4.091 公里，包括路基、排水沟、涵洞、路面、铺砂、碾压等，技术标准达到四级公路标准或湖南省农村公路提质改造技术指南及市交通运输主管部门的相关要求。14 11.2.2 应用情况 本项目地质为粘聚力 8kPa，锥尖阻力 17MPa 的粉质黏土，且穿越多种地质，因此在本工程中应用了智能搅拌成孔的施工技术，在常规水泥土搅拌桩机上加装测距仪、测斜仪、流量计、密度仪、电流计等传感器、记录仪和调速电机，保证通过智能控制平台对转进过程中的所有信息进行实时上传、检测、控制，实现空气、浆液同步恒压输送、喷浆量、下钻速度、提钻速度、转速等工艺参数根据钻入不同地质情况进行实时智能化控制，施工成型的水泥搅拌桩效果好。11.2.3 应用效果 在本工程水泥搅拌桩施工过程中，采用本技术进行施工，通过手机端和电脑端的智能化管控，现场人员无须浪费大量的时间在工地上往复监管，节约了 50%的施工管理人员，同时加气搅拌成孔的方法也解决了此地质难以钻进的问题，加快了成孔速度，综合计算在本工程中可节约人工、机械、工期成本 183.5 万元。