２０１８年９月
水运工程
Ｓｅｐ ２０１８
第９期㊀总第５４６期
Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ㊀Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｎｏ ９㊀ＳｅｒｉａｌＮｏ ５４６
信息技术
强夯施工质量实时导航技术∗
李子龙１ꎬ刘㊀磊２ꎬ孙宜超３ꎬ戈广双１ꎬ马瑞鑫１
(１ 交通运输部天津水运工程科学研究所ꎬ天津３００４５６ꎻ
２ 山东四维卓识信息技术有限公司ꎬ山东泰安２７１０００ꎻ３ 山东高速蓬莱发展有限公司ꎬ山东烟台２６５６００)
摘要：强夯是最常用和最经济的深层地基处理方法之一ꎬ有效地控制强夯施工质量是保证地基稳定与安全的关键ꎮ目前ꎬ我国强夯施工质量的信息化控制水平较低ꎬ主要依靠监理和施工人员人为控制ꎬ难以实现对强夯施工质量的精准控制ꎮ从强夯施工信息的采集㊁存储㊁展示和导航入手ꎬ提出一种具有实时㊁自动㊁高精度等特点的强夯施工质量实时导航技术ꎬ对强夯施工实现实时监测和可视化导航ꎮ工程应用表明ꎬ本技术满足强夯地基竣工验收一般检测项目的检查要求ꎬ对强夯施工过程实现精细控制ꎬ提高施工效率和质量ꎮ
关键词：强夯ꎻ实时管控ꎻ施工导航ꎻ管控平台ꎻ地基处理中图分类号:Ｕ６５５ ５４ꎻＴＶ９２
文献标志码:Ａ
文章编号:１００２￣４９７２(２０１８)０９￣０１６１￣０７
Ｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙ
ＬＩＺｉ￣ｌｏｎｇ１ ＬＩＵＬｅｉ２ ＳＵＮＹｉ￣ｃｈａｏ３ ＧＥＧｕａｎｇ￣ｓｈｕａｎｇ１ ＭＡＲｕｉ￣ｘｉｎ１
１.ＴｉａｎｊｉｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷａｔｅｒＴｒａｎｓｐｏｒｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５６ Ｃｈｉｎａ
２.ＳｈａｎｄｏｎｇＳＷＩＮＦＯＣｏ. Ｌｔｄ. Ｔａｉ ａｎ２７１０００ Ｃｈｉｎａ ３.ＳｈａｎｄｏｎｇＨｉ￣ｓｐｅｅｄＰｅｎｇｌａｉＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏ. Ｌｔｄ. Ｙａｎｔａｉ２６５６００ Ｃｈｉｎａ
unemployed>法国禁忌Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ￣ｕｓｅｄａｎｄｍｏｓｔｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｄｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ.Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ.Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅｏｖ
ｅｒａｌｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｖｅｌｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｉｓｓｔｉｌｌｌｏｗｉｎＣｈｉｎａ ｗｈｉｃｈｉｓａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｏｒ ａｎｄｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ.Ｓｔａｒｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｄｉｓｐｌａｙａｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｗｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｒｅａｌ￣ｔｉｍｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｎａｖｉｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｗｉｔｈ
ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｏｎｌｉｎｅ ｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔ.Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｒｅａｌ
ｐｒｏｊｅｃｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓａｔｉｓｆｉｅｓｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆａｃｃｅｐｔａｎｃｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｆｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍ
kampucheaｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔ
收稿日期:２０１７￣１２￣１７
alevin㊀∗基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(ＴＫＳ１８０４０４)
作者简介：李子龙(１９８７ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ助理研究员ꎬ研究方向为水运工程信息化系统规划与设计ꎮ
㊀㊀强夯法是法国工程师梅那(Ｍｅｎａｒｄ)于１９６９年首创的一种地基加固方法 １ ꎮ该法借助夯锤自由下落的强大冲击能和所产生的冲击波反复夯压地基土ꎬ将夯面下一定深度的土层夯压密实ꎬ从而提高地基土的承载力和稳定性ꎬ已成为目前最常用和最经济的深层地基处理方法之一 ２￣３ ꎮ依照
ＣＥＣＳ２７９:２０１０«强夯地基处理技术规程» ４ (简称«规程»)ꎬ强夯地基处理质量检测和验收包括对主控项目和一般项目的检测ꎮ其中ꎬ主控项目指事后的检测指标ꎬ包括地基强度(或压实度)㊁压缩模量㊁地基承载力㊁有效加固深度ꎻ一般项目主要指事中的强夯施工过程参数ꎬ包括夯锤落距㊁
fall什么意思
水运工程２０１８年㊀
锤质量㊁夯击遍数及顺序㊁夯点间距㊁夯击范围㊁前后两遍间歇时间等ꎮ常规方法依靠监理和施工人员人为控制强夯施工过程参数ꎬ由于受人为因素干扰大ꎬ管理粗放ꎬ难以实现对强夯施工过程的精准控制ꎻ事后的主控项目抽检ꎬ往往用有限个检测结果去反映整个施工区域的强夯质量ꎬ存在较大的误差ꎬ且事后的地基承载力检验往往需要在强夯施工结束后一定时间进行ꎬ一旦存在质量缺陷ꎬ无法及时反馈施工过程ꎬ给施工质量补救造成很大困难ꎮ１㊀国内外研究现状
目前ꎬ国内外尚未有已成熟应用的强夯施工实时导航系统平台的报道ꎮ在国外ꎬ应用于快速夯击(ｒａｐｉｄｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎꎬＲＩＣ)过程中的车载夯击监控系统ꎬ可以自动记录夯击次数㊁贯入深度和能量输入等参数ꎬ并可根据事先设定施工控制标准ꎬ自主控制强夯作业的结束时间ꎬ实现了夯击过程数字化监控 ５ ꎮ但由于强夯施工工艺㊁质量控制参数与ＲＩＣ施工均有不同ꎬ该技术并不能完全适用于强夯施工质量的管理ꎮ我国«规程»规定：强夯地基处理过程应信息化施工ꎬ但国内强夯施工质量实时管控领域的研究尚处于起步阶段ꎮ唐科等 ６ 采用钢丝绳位移和受力传感器技术㊁ＧＰＳ定位技术ꎬ设计研发了强夯施工智能化实时监测系统ꎬ实现了强夯施工质量的实时监控ꎬ但该系统主要是对强夯施工信息的感知ꎬ不涉及对强夯施工的实时导航ꎻ张青兰 ７ 开发了一套新型强夯机监控系统ꎬ可实现夯击
深度的自动检测ꎬ但该系统尚不能涵盖强夯施工的所有关键施工过程参数ꎮ詹金林 ８ 提出了基于ＧＰＳ的强夯施工信息管理系统的设想ꎬ以实现对强夯施工过程进行动态监控ꎬ但同样未见该信息管理系统
的工程应用ꎮ王忠明 ９ 提出了基于瞬态瑞雷面波分析和物联网强夯检测技术的强夯质量监管平台ꎬ对分布在全国各地的强夯项目工程进行质量监控ꎬ但从严格意义上讲ꎬ该监管平台是强夯施工质量的信息管理平台ꎬ而非真正意义上的强夯施工过程及质量管控平台ꎮ
因此ꎬ有必要针对当前强夯施工控制中的痛点ꎬ借助ＧＮＳＳ技术㊁传感器技术㊁自动控制技术㊁云计算等新兴技术ꎬ从强夯施工信息的采集㊁存储㊁展示和导航入手ꎬ提出一种具有实时㊁自动㊁高精度等特点的强夯施工质量实时导航技术ꎬ不仅实现对强夯施工的各个环节进行精细控制ꎬ而且能引导强夯精准施工ꎬ对于保证强夯施工质量ꎬ提高施工效率ꎬ降低工程成本ꎬ提升行业信息化管理水平具有重要意义ꎮ２㊀强夯施工质量实时导航技术２.１㊀总体技术方案
针对«规程»对强夯施工质量的控制要求ꎬ强夯施工质量实时导航技术不仅要实现对强夯施工的信息感知ꎬ而且要通过内部分析实现对强夯施工的正确引导ꎮ本技术总体由强夯施工智能导航终端㊁云服务端㊁移动控制端㊁综合信息管理Ｗｅｂ端等部分组成ꎬ如图１所示
肖申克的救赎
ꎮ
图１㊀强夯施工质量实时导航技术总体构成
２６１
㊀第９期李子龙ꎬ等：强夯施工质量实时导航技术∗２.１.１㊀强夯施工智能导航终端
由安装在强夯机上的高精度ＧＮＳＳ㊁缆绳力感应传感器㊁集成控制器㊁无线数据传输模块和车载智能导航端等部分等构成ꎮ其中ꎬ高精度ＧＮＳＳ㊁力感应传感器和集成控制器主要实现强夯施工信息的自动感知ꎬ无线数据传输模块将传感器采集到的监测数据通过无线通信数据链路传递到云服务端进行
stage是什么意思后续计算ꎻ车载导航端主要实现强夯施工信息的显示和施工导航功能等ꎬ引导操作人员按照设计要求进行施工作业ꎮ
２.１.２㊀云服务端
varyfrom
利用研发单位所有的私有云平台ꎬ接收无线通讯网络发送的施工监测信息ꎬ进行强夯施工夯点位置㊁夯击次数㊁夯锤落距㊁每击沉降量㊁最后两击平均沉降量等施工参数实时计算ꎬ实现对强夯施工的自动感应ꎮ此外ꎬ平台根据预设的强夯施工标准ꎬ进行当前施工状态的实时评判ꎬ通过车载智能导航端提示驾驶员调整夯锤位置㊁当前剩余夯击次数以及施工是否合格等ꎬ简化施工操作人员工作内容ꎬ从施工源头控制强夯施工质量ꎮ
２.１.３㊀移动监控端
移动监控端采用Ｃ∕Ｓ模式开发ꎬ主要服务于现场监理人员ꎬ用于夯点自动规划㊁施工控制标准设定㊁强夯施工作业的实时监控及接收报警提示等ꎮ在线实时监控的强夯施工参数包括强夯施工夯点位置㊁夯击次数㊁夯锤落距㊁每击沉降量㊁最后两击平均沉降量等信息ꎮ施工导航信息主要针对强夯机操作手ꎬ故不在移动端进行显示ꎮ移动监控端与云服务端间通过无线通信网络ꎬ实现数据的交互ꎮ
２.１.４㊀综合信息管理Ｗｅｂ端
综合信息管理Ｗｅｂ端采用Ｂ∕Ｓ模式开发ꎬ即通过开发数字强夯施工管控平台网站ꎬ工程管理人员不仅实现对强夯施工过程的远程㊁在线㊁实时查询ꎬ而且可以实现工程全景巡航㊁工程量计算㊁距离量测㊁施工报警信息管理和强夯施工记录表的下载等功能ꎮ
２.２㊀强夯施工信息自动采集原理
强夯施工信息自动采集由安装在强夯机上的施工导航终端实现ꎬ包括高精度ＧＮＳＳ㊁力传感器㊁集成控制器和无线数据传输等模块ꎬ其自动采集原理如图２所示
ꎮ
图２㊀强夯施工信息自动采集流程
３６１
水运工程２０１８年㊀
㊀㊀安装在夯锤挂钩的ＧＮＳＳꎬ经动态差分(ＲＴＫ)后ꎬ实时采集夯锤挂钩的位置坐标(ｘꎬｙꎬz)ꎬ再经过夯锤挂钩与夯锤连接的几何关系ꎬ换算得到夯锤的空间位置信息(ｘᶄꎬｙᶄꎬzᶄ)ꎮ安装在缆绳上的力感应传感器实时监控缆绳受力状态ꎬ当夯锤第ｎ次被吊起瞬时ꎬ张力传感器触发最大阈值ꎬ给车载集成控制器发送指令ꎬ记录此时ＧＮＳＳ天线位置(ｘ０ꎬｎꎬｙ０ꎬｎꎬz０ꎬｎ)ꎬ经换算得到夯锤的最低位置(ｘᶄ０ꎬｎꎬｙᶄ０ꎬｎꎬzᶄ０ꎬｎ)(即夯锤第ｎ－１次落到地面的空间位置)ꎻ当夯锤提升到最高点ꎬ挂钩松开时ꎬ力感应传感器受力骤减ꎬ触发最小阈值ꎬ此时也给车载控制器发送指令ꎬ记录此时ＧＮＳＳ位置信息(ｘ１ꎬｎꎬｙ１ꎬｎꎬz１ꎬｎ)ꎬ换算得到夯锤的最高位置(ｘᶄ１ꎬｎꎬｙᶄ１ꎬｎꎬzᶄ１ꎬｎ)ꎬ夯锤第ｎ次落地后的空间位置为(ｘᶄ０ꎬｎ＋１ꎬｙᶄ０ꎬｎ＋１ꎬzᶄ０ꎬｎ＋１)ꎬ则第ｎ次强夯施工参数采集如下:１)夯击次数ｎ：系统通过记录夯锤提升次数ꎬ自动计数ꎮ
２)第ｎ次夯击的夯锤落地坐标(ｘᶄ０ꎬｎ＋１ꎬｙᶄ０ꎬｎ＋１ꎬzᶄ０ꎬｎ＋１)ꎮ
３)第ｎ次夯击的夯锤落距Ｈｎ＝zᶄ１ꎬｎ－zᶄ０ꎬｎ＋１ꎮ４)第ｎ次夯击的单击夯沉量Δｎ＝zᶄ０ꎬｎ－zᶄ０ꎬｎ＋１ꎮ５)第ｎ次夯击的最后两击平均沉降量Δｎ＝０ ５(Δｎ＋Δｎ－１)ꎮ
集成控制器进行上述强夯施工信息的融合ꎬ并通过无线数据传输模块发送至云服务端的计算程序ꎬ进行后续的数据计算ꎮ
２.３㊀强夯施工导航原理
现场监理通过移动监控端预先设定实际夯点与设计规划夯点的偏移量(距离)ΔＬ㊁ｎ㊁Ｈｎ㊁Δｎ等强夯施工质量控制指标ꎮ在每次夯锤落地前ꎬ云服务端的计算程序实时计算实际夯锤中心位置与规划夯点中心位置的偏移量Ｌꎬ并判断该偏移量与ΔＬ的关系:１)当ＬɤΔＬ时ꎬ满足偏移量要求ꎻ２)当Ｌ＞ΔＬ时ꎬ偏移量超出允许值ꎬ则系统会引导操作手沿二者中心连线调整夯锤位置ꎬ直到满足偏移量要求ꎮ为便于操作手夯锤调整ꎬ系统用实际工区地图作为驾驶室车载导航端底图ꎬ并配备了指北针ꎬ将抽象的坐标位置与实际方位进行联系ꎬ如图３所示ꎮ此外ꎬ车载导航端对剩余夯击次数㊁当前施工合格情况㊁最后两击平均沉降量进行显示ꎬ引导操作手进行下一次的夯击
ꎮ
图３㊀强夯施工位置导航原理
３㊀工程应用
幸运儿英文某地建设用海项目ꎬ工程用海面积６９２ ０５万ｍ２ꎬ强夯面积５７２ ３４万ｍ２ꎬ工程总投资６３ ７９亿元ꎮ由于本项目的强夯工程规模大㊁工期紧㊁施工条件复杂ꎬ依靠传统的监理旁站和施工技术来进行强夯施工质量控制的手段ꎬ很难实现强夯施工全过程质量控制ꎬ制约施工效率的提高ꎬ面临地基承
载力控制难题ꎮ为此ꎬ在参建各方的共同推动下ꎬ平台研发单位基于强夯施工质量实时导航技术ꎬ研制开发了智慧强夯施工质量管控平台ꎬ并在实际强夯施工质量控制中得到良好应用效果ꎬ大大提升了该围填海工程的强夯施工质量ꎮ
３.１㊀夯区夯点规划
按照本工程夯点设计要求ꎬ通过移动监控端可在工区地图上ꎬ实现一遍点夯㊁二遍点夯㊁一遍满夯和二遍满夯夯点的自动生成ꎬ并提供各遍夯点的实时监控标准的设定和编辑功能ꎬ如图４所示ꎮ
４６１
㊀第９期李子龙ꎬ等：强夯施工质量实时导航技术
∗图４㊀夯区夯点规划程序
３.２㊀强夯施工参数实时导航
通过在强夯施工机械上安装导航终端实时感知强夯施工参数ꎬ系统一方面在强夯机驾驶室车载导航端实时显示当前夯点ＩＤ编号㊁当前夯点的ｘｙ坐标㊁距离当前夯点最近的设计夯点ＩＤ编号㊁当前夯锤偏移量㊁夯锤调整方向㊁当前夯点的剩余夯击次数㊁上次夯击的沉降量㊁夯击是否合格等信息ꎬ实现操作手对当前施工状态的即时查询和下一次强夯操作的施工导航ꎬ如图５所示ꎻ另
一方面ꎬ在综合信息管理Ｗｅｂ端和移动监控端基于工区地图ꎬ可实现对夯点ＩＤ编号㊁夯点ｘｙ坐标㊁夯击次数㊁平均夯击能量㊁夯锤平均偏移量㊁平均落距㊁最后两击平均夯沉量㊁单击沉降量曲线及夯点是否合格等施工参数的在线实时监控ꎬ以督促施工人员按照设计要求规范施工ꎬ如图６所示ꎮ综合信息管理Ｗｅｂ端运行于互联网ꎬ可实现施工实时信息的远程在线查询和管理ꎬ有助于各参建单位对强夯施工过程的深度参与
2020世界大学排名ꎮ
图５㊀车载智能导航端施工信息实时监控
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