微扰动四轴搅拌桩施工中的自动匹配控制技术应用.pdf

:./.微扰动四轴搅拌桩施工中的自动匹配控制技术应用段国平刘玉霞郁文博(上海工程机械厂有限公司上海)摘 要:水泥搅拌桩作为隐蔽工程其质量管控是工程建设的痛点与难点 日前国内已自主研制了微扰动四轴搅拌桩工法及施工装备并开发了数字化施工控制系统 该文重点对微扰动四轴搅拌桩施工中的自动匹配控制技术的设计与实现进行了介绍并以工程实践应用效果为依据验证了自动匹配控制技术的有效性与稳定性 该技术实现了施工过程中对浆液流量、搅拌次数、地内压力等关键参数的自动匹配控制提高了施工自动化程度有效克服了传统人为管理方式的缺点能够解决水泥搅拌桩施工中的质量管控难题保证施工质量关键词:微扰动四轴搅拌桩数字化施工控制系统自动匹配控制施工质量控制中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言水泥搅拌桩施工是隐蔽工程其质量控制应贯穿在施工的全过程 施工过程中质量控制检查重点为水泥浆用量、水灰比、加固土体的搅拌次数等传统的三轴水泥搅拌桩施工存在无法自动、准确地控制施工质量的缺点 且水泥搅拌桩施工存在不可逆性若施工完成后发现质量问题再进行补强处理是复杂而不经济的 因此在施工过程中运用数字化施工控制系统实现重要施工参数的自动监控对水泥搅拌桩的质量控制非常重要微扰动四轴搅拌桩(英文简称:)为新型水泥搅拌桩工法其研发配置了数字化施工控制系统可实时监控成桩参数实现自动化成桩且制定了成桩质量检验标准有效填补了国内多轴水泥搅拌桩施工过程无自动监控的空白 微扰动四轴搅拌桩可应用于劲芯水泥墙、隔水帷幕、槽壁加固、土体加固、盾构进出洞加固、水利工程中的防渗墙和环境工程中的隔离墙等项目笔者针对传统水泥搅拌桩施工中施工质量无法自动、准确控制的现状提出运用数字化施工控制技术实时管控施工质量 通过对喷浆流量、升降速度、搅拌次数及钻头转速等关键施工参数进行自动匹配控制克服传统人为管理的缺点实现自动化施工通过具体的工程实践有效验证自动匹配控制技术的有效性与可靠性为解决水泥搅拌桩施工中质量管控难题推动施工质量提升提供了有效的参考 微扰动四轴搅拌桩施工装备结构及原理微扰动四轴搅拌桩施工装备主要包括四轴钻机、桩架、供气系统、自动制浆系统、泥浆泵、数字化施工控制系统等 其中四轴钻机由动力头、三通道异形钻杆及搅拌钻头组成用于地下钻孔喷射水泥浆并搅拌土体形成桩体桩架为全液压步履式自行移动式经验交流 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:段国平()男上海人工程师研究方向:地下基础施工装备电控系统的开发与运维桩架用于提升、下放四轴钻机并为其上、下移动提供导向自动制浆系统用于制备水泥浆泥浆泵用于输送定量水泥浆至四轴钻机钻杆内再经钻头上的喷浆口喷入土体并与土体搅拌混合供气系统用于制备与供应压缩空气通过专有管路输送至四轴钻机钻杆内再经钻头上的喷气口喷入土体并参与土体搅拌数字化施工管理系统操作台放置于驾驶室用于施工数据的自动采集与显示、成桩过程的自动化控制及监控微扰动四轴搅拌桩施工装备如图 所示图 微扰动四轴搅拌桩施工装备总成 微扰动四轴搅拌桩施工中通过数字化施工控制系统监控下沉、提升速度浆液流量钻头转速搅拌次数地内压力等施工技术参数可对微扰动四轴搅拌桩每幅桩的施工质量进行自检和质量评定 自动匹配控制技术微扰动四轴搅拌桩自动匹配控制技术包括喷浆流量与升降速度的自动匹配控制搅拌次数与升降速度、钻头转速的自动匹配控制喷气量与地内压力的自动匹配控制 控制系统主要控制对象、控制部件及检测元器件如表 所列表 控制系统主要控制对象、控制部件及监测元器件序号控制对象控制部件检测元器件钻机升降速度电比例阀测速编码器钻头转速电机变频器变频器地内压力气动电控蝶阀压力传感器浆液流量泥浆泵变频器流量计.喷浆流量与升降速度自动匹配控制及异常状况处理方案.自动匹配控制喷浆流量与钻机升降速度自动匹配控制的系统构成如图 所示每根搅拌桩都有具体的水泥掺量与水灰比浆液流量根据水泥掺量与钻机升降速度相互匹配实现对应关系如式()所列:土 桩(灰 水)水 灰 ()式中:为浆液流量/为钻机升降速度/为桩体水泥掺量 为水灰比土为加固土体的密度/灰为水泥的密度/水为水的密度/桩为搅拌桩截面积在数字化施工控制系统软件中设置成桩各阶段的水泥掺量、加固土体密度、水灰比、水泥密度、水密度及钻机升降速度打桩模式选为全自动施工控制系统按照设置参数全自动执行 浆泵电机为变频电机通过浆泵变频器实现对泵速的调节控制且使喷浆流量尽量稳定图 喷浆流量与升降速度自动匹配控制系统构成框图.异常状况处理方案数字化施工控制系统在成桩施工过程中可实时监控浆液流量、下沉与提升速度、钻头转速、电机电流等参数 当成桩施工过程中出现钻机升降速度异常报警并伴有钻机电流异常报警时此时钻头进尺缓慢并低于设定值数字化施工控制系统难以自动匹配浆液流量 发生此种情况时数字化施工控制系统首先会根据施工前系统内设定的比例参数自动提高浆液流量以润滑钻头方便钻进 当浆液流量增加一定时间后如果钻机升降速度恢复正常则浆液流量与钻机升降速度的自动匹配恢复若浆液流量增加一定时间后钻头仍不能顺利下沉应查明成桩范围内是否有障碍物、设备运转是否正常、地层是否适用等.搅拌次数与升降速度及钻头转速的自动匹配控制搅拌次数与升降速度及钻头转速自动匹配控制的系统构成框图如图 所示根据施工规范要求加固深度范围内土体的任何一点均能经过 次以上的搅拌如式()所列:()式中:为加固土体的搅拌次数次 为钻头叶片的机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)经验交流枚数 为钻头叶片宽度 为翼片与搅拌轴的垂直夹角()为钻头转速/为钻机升降速度/图 搅拌次数与升降速度及钻头转速自动匹配控制系统框图 在数字化施工控制系统软件中设置成桩各阶段的钻头转速和钻机的升降速度钻头叶片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角按钻头设计尺寸输入打桩模式选为全自动施工控制系统按照设置参数全自动执行 当钻头转速或钻机升降速度的实际施工参数与设置参数不一致时系统自动按照式()调整电机变频器或卷扬机相应命令使搅拌次数满足施工要求.喷气量与地内压力的自动匹配控制喷气量与地内压力自动匹配控制的系统构成框图如图 所示图 喷气量与地内压力自动匹配控制系统构成框图 数字化施工控制系统在成桩过程中实现了对地内压力的实时监控和调整地内压力监视通过安装于钻头下部的压力传感器实现地内压力的调整通过调节通入桩内的压缩空气的流量实现地内压力的控制值按式()计算:()式中:为地内压力控制值 为地内压力控制系数取.为水的重度取./为计算压力点处的垂直深度当地内压力值超过设定值时数字化控制系统首先自动减小加气量降低地内压力当调整加入压缩空气量不能满足地内压力控制值时控制系统自动降低钻机下沉或提升速度减少自动匹配的喷浆量进而降低地内压力 工程实践以微扰动四轴搅拌桩某试成桩为例进行实践验证地质土层为淤泥质黏土与粉质黏土设计参数为:施工桩长 水泥掺量 下沉水灰比.提升水灰比.下沉喷浆占比 提升喷浆占比 下沉速度./提升速度./下沉转速 /提升转速 /搅拌桩截面积为.在施工过程得到升降速度、成桩深度曲线如图 所示图中横轴为成桩时间“”曲线为成桩深度曲线纵轴零轴上方粗实线为下沉速度曲线纵轴零轴上方细实线为提升速度曲线 在数字化施工控制系统中对水泥掺量、水灰比及钻机升降速度等进行设置后在施工过程中得到浆液流量的匹配关系曲线如图 所示图 升降速度与成桩深度曲线图图 浆液流量自动匹配控制曲线 在数字化施工控制系统中输入叶片宽度.、叶片数量、叶片与数值方向的夹角 并对钻头转速与钻机升降速度进行设置后在施工过程中得到搅拌次数的匹配关系曲线如图 所示 地内压力控制曲线及对应的气阀开度曲线如图 所示经验交流 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用图 搅拌次数自动匹配控制曲线图图 地内压力自动匹配控制曲线图 从图 中可以看出钻机实际下钻速度在./上下波动提升速度在./上下波动下钻阶段匹配的总的浆液流量在 /波动提升阶段匹配的总的浆液流量在 /波动实际下钻阶段钻头转速为 /提升阶段钻杆实际转速为 /匹配钻机升降速度后成桩搅拌次数均在 次以上将钻头底部压力传感器实时监测的地内压力值与理论控制值进行比较利用气阀开度自动调节通气量将地内压力始终控制在理论值附近小幅波动 综上在自动匹配控制技术控制下关键施工参数喷浆流量与升降速度、搅拌次数与升降速度及钻头转速、喷气量与地内压力均持续保持在良好的匹配状态 结 语微扰动四轴搅拌桩自动匹配控制技术可以在水泥搅拌桩施工过程中对喷浆流量、搅拌次数、地内压力等关键参数进行数字化自动匹配既不影响施工效率又保证了施工质量 该控制技术具有有效性与稳定性在利用数字化施工技术控制水泥搅拌桩的质量方面可以得到推广应用和发展参考文献:杨云鸿赵同宇郭腾.水泥搅拌桩水泥参量及搅拌次数对成桩质量的影响研究.北方交通():.刘韶华聂维岭赵忠宽等.水泥土搅拌桩施工过程中的质量控制检验方法浅谈.科协论坛():.陈盛原张伟锋韦未.水泥土搅拌桩技术研究现状及发展前景.工程建设():./.微扰动四轴搅拌桩技术标准.(上接第 页)正确的方法 文章经过对卧式数控车床排屑器仰角、电机、爬升腔等改造以及后期的及时保养实现了设备的无故障运行 设备到目前为止使用正常未出现过排屑器故障现象参考文献:李成才刘 红王 芬等.普通机床排屑器工艺设计方法探究.内燃机与配件():.焦红卫纪琳.德马吉数控车床排屑系统故障的诊断与维修.制造技术与机床():.纪 琳.德马吉数控车床排屑系统问题的处理.机械制造():.王 勇关集俱赵敏.排屑机防堵转保护装置的设计与实现.制造技术与机床():.刘 耕.一种机床排屑系统节能优化控制方法及其支持系统的研究.重庆:重庆大学.孙冠琳周志军马同堂等.单机综合排屑过滤冷却系统的设计及应用.现代制造技术与装备():.周星兴王 维刘卫鹏等.卧式加工中心机床排屑器及水箱设计选型与应用.机械设计():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)经验交流