1 工程概况

　　2019年9月25日，北京大兴国际机场(以下简称“北京新机场”)正式投运，凤凰展翅，逐梦蓝天(见图1)，将北京新机场建设成为高质量的创新精品工程是建设者努力的目标，本文论述北京新机场飞行区工程强夯施工自动控制技术的研究成果。飞行区工程建设内容:4条跑道、8条平行滑行道、26条快速出口滑行道及联络滑行道、配套机坪、服务车道，总面积1 002万m²;水泥稳定碎石、山皮石垫层等基层面积约2 840万m²，还有回填土、原地面碾压等工程。新机场场区土层中有新近沉积的砂质粉土层、黏质粉土层、粉细砂层，这3层土可产生地震液化，液化深度一般为3.0～9.0m，且分布深度不一，在地下水位抬升情况下，地震时可能产生喷砂冒水导致道面脱空损坏，影响飞行安全，为增加其密实程度和黏结性，针对可液化土的地基采用强夯处理，消除或部分消除其可液化性，保证地基稳定。传统强夯工艺存在夯点定位误差大、夯击计数不准确、夯沉量计量偏差大、合格质量难控制、施工现场环境条件差、现场工作人员多等问题，为了解决以上问题，研发了强夯施工自动控制关键技术。

　　2 强夯技术要求

　　强夯工艺是利用大型履带式强夯机，将8～30t夯锤提升到6～30m高空，夯锤自由落下，对地基进行强力夯实，在一定深度内改变地基土的孔隙分布，迅速提高地基承载力及压缩模量，形成比较均匀、密实的地基。目前强夯工艺广泛应用于机场、公路、铁路、港口填海等地基处理工程。在北京新机场飞行区工程中，采用强夯施工法对地面进行夯实作业。本文利用GNSS卫星定位技术、液压控制和无线通信等信息化技术开展强夯施工自动控制研究。首先开展传统强夯作业流程、设备设施、测量方法，以及施工质量、进度、效率等目标值分析;基于GNSS卫星定位技术的高程和变形测量研究，开展强夯机械自动控制系统研究，使强夯自动控制系统具有自动导航、自动获取数据、自动判定质量合格的功能。对比传统施工工艺，显著提高了生产效率，保障了工程质量，改善了现场施工作业环境，改变了传统工程质量监管模式。

　　

　　图1 北京大兴国际机场 

　　 

　　2.1 强夯施工作业流程研究

　　强夯施工作业流程为:测量员使用水准仪完成水准测量，使用绳线和木桩在强夯区域内标定出4m×4m夯点网格，用砂袋标记夯点;机手操作强夯机到指定位置，将夯锤放置在夯击点上;测量员使用光学水准仪测量夯锤起始高程，并记录在纸质表格中;挂钩人员安装挂钩，夯锤升起到设定高度，挂钩松开，夯锤落下;测量员使用水准仪测量新的夯锤高程，并记录在纸质表格中;夯锤重新挂钩;重复以上步骤，完成一系列夯击，直到沉降量满足要求;每个夯击点一般进行10～15次夯击作业;夯击沉降量目标值设定为最后2击平均夯沉量5cm;计算夯沉量和总夯沉量;在所有夯击点重复以上步骤。

　　2.2 当前强夯施工存在的误差

　　1)放样网格误差在北京新机场飞行区工程试验时，施工人员用卷尺测量4m×4m栅格网，以放样角点为坐标点，建立设计坐标系，对放样网格精准测量，设计网格交点和放样网格交点的最大距离差为0.794m，误差造成落锤位置与设计图纸不一致。

　　2)夯锤遮挡机手视线误差在机手找点时，夯锤直径约2m，当夯锤接近夯击目标点时，夯锤自身会挡住定位用砂袋，找到的夯击位置和真实目标位置之间存在误差。

　　3)水准尺放置位置误差测量员通常测量夯锤边缘获得夯锤高程，每次夯击后，都在相似位置进行测量。但当夯锤倾斜在夯坑中，测量夯锤边缘会带来高程读数误差，误差可通过测量夯锤中心点挂钩位置得到优化，但测量夯锤中心点挂钩位置会给测量员带来安全风险。

　　4)偏锤误差首次试验时，地表较干燥，土块塌落较少;在第2次试验时，地表较潮湿，土块塌落频繁。塌落到坑中的土块导致偏锤，夯锤落下时不能均匀接触坑底，夯击沉降量有时会由正常的负值变成正值。由于塌落的松散土被压实，在接下来一次夯击会产生很大沉降量。笔者认为，偏锤情况的落锤数应该被记录，偏锤会降低夯沉量的平均值，发生在最后2击时会影响判定结果，解决方案是在系统中设置可忽略最小正向位移值，如设置为3cm，在夯沉量为正值的夯点记录但不计算最后2个正向位移的夯沉值，处理方式是增加夯击次数，假设这样的情况发生在第11和12次夯击，那么这两击将被忽略，重新进行两次有效夯击，当最后2次夯沉量的平均值达到5cm时，此点夯击结束。

　　5)夯锤释放点高度误差从吊臂顶端的GNSS天线监测来看，释放点高程变化量0.02～0.03m。

　　6)强夯车体倾斜误差在夯击作业时，跟踪车体天线高程，测试表明，在每次夯锤提升时，车体上的GNSS天线高程会平均上升0.019m，而吊臂顶端的定向GNSS天线反而下沉0.024m。

　　7)缆绳缠绕误差试验时，挂钩员会从2个方向将挂钩挂在夯锤上(钩朝前和朝后)，造成夯锤在提升时绕挂钩点旋转，产生“缆绳缠绕”，带来缆绳测量误差，在下一击时当缆绳恢复原状后，这个误差又消除。缆绳缠绕会影响3次连续提锤(前一次、本次和后一次)。如果挂钩员采用一致的挂钩方式便可消除这个误差。

　　8)其他误差手工获取数据可能存在书写和录入错误、水准尺误读、夯击数误计、夯沉量错误等。在恶劣的天气条件下(高温、低温、大风、降雨、冰雪等)，上述误差可能会增加。

　　2.3 传统施工工艺的生产效率

　　调查现场施工进程和工序消耗时间，生产效率如表1所示。

　　2.4 其他问题

　　传统强夯工作流程中还存在一些问题:工作人员安全问题，在强夯机械的夯锤、挂钩位置及缆绳晃动区域，工作人员挂钩和测量，需在夯锤上跳上跳下、在夯坑内外跳进跳出，有受到伤害的风险;监理工程师审批手工采集的数据表格需一定时间，造成后续施工等待;施工数据不能实时采集，管理人员不能实时分析生产效率、进度和质量。

　　  

　　表1 施工进程和生产效率 

　　 

　　 

　　

　　表1 施工进程和生产效率

　　3 强夯自动控制系统

　　3.1 强夯自动控制系统组成

　　系统包括GNSS天线和基准站、强夯作业软件、液压机械控制、摩擦驱动传感器、无线电台、ADCIS(airfield digital construction information system,ADCIS)平台。通过控制箱、操作终端软件确定夯击位置，如图2所示。通过2个GNSS天线和接收机，一个放置在机械后部，另一个放置在吊臂顶端，如图3所示，接收基准站发送来的差分信号，为机手提供导航信息，提供吊臂缆绳中心位置、方向和高程信息。通过通信集线器把GNSS、液压系统、摩擦驱动传感器、机舱便携式计算机及电源都连接在一起，并为其提供过电保护;通过无线电台和工地通信网关，实现无线数据通信和工地wifi通信，使强夯系统和远程的ADCIS平台进行数据交换。

　　

　　图2 DPS900软件界面  

　　 

　　

　　图3 强夯机自动控制系统  

　　 

　　3.2 强夯自动控制系统的生产效率

　　强夯自动控制系统节省了网格放样时间，取消砂包夯点定位;无需水准仪测量员，仅需机手和挂钩手，大幅度减少施工管理和监理人员;系统将夯锤自动导航到夯击点上，提高夯击点定位精度，大幅度减少夯点定位时间;系统直接测量夯锤自重，避免误用夯锤;系统自动记录夯击次数，机手通过机舱平板显示屏实时获得每击夯沉量;数据通过无线网络传送到中心数据库，管理者远程实时了解现场施工进度，实时反映施工成本;通过实测，系统提高单位时间夯击次数，生产效率提高约50%;系统改善了工作环境，地面辅助工作人员的安全风险得到控制;系统节省了测量人员费用，工作组人员减少50%，节省了现场施工管理和监理人员费用，人工成本降低60%以上;系统完成同等工程量所需时间减少33%，总体上运行成本大幅度降低。

　　3.3 强夯自动控制系统创新点

　　强夯自动控制系统提供了完整解决方案，自动测量吊臂变形、自动识别夯锤自重、自动测量夯锤高程、自动测量夯击次数、自动测量液压系统压强、自动测量缆绳升降距离、自动记录夯锤提升和释放触发点时刻等参数;通过将吊臂变形、夯锤自重、夯锤高程、夯击次数、系统压强、缆绳距离、触发点时刻等相关数据自动关联，实现了夯点的高精度定位、自动测量落锤有效高度和夯沉量、自动计算夯击次数、自动判定夯击合格质量。

　　4 设备安装步骤

　　1)安装驾驶室显示屏幕、控制箱、GNSS天线、各种传感器。安装软件，导入图形化的强夯区域图和强夯点位设计图。

　　2)测量夯锤几何形状、尺寸和自重，测量机舱和吊臂顶端GNSS天线高程。

　　3)校准摩擦驱动传感器测量值和实际测量缆绳距离比值，计算出缆绳升降距离，确定夯锤高程。

　　4)通过反复测量得到精确的压强校准曲线，确定触发点的压强值。通过压强值记录夯锤离开地面和从绞盘缆绳释放的触发点，测量出夯锤升空前和释放后静止状态的实际高度，计算出每次夯击的夯沉量和总夯沉量。

　　5)校准起重机吊臂位移，通过GNSS顶部接收机天线的竖直位移量测量提升过程中触发点吊臂位移量。

　　6)系统支持每台强夯机使用5种不同类型夯锤，以满足不同设计区域采用不同夯锤。

　　5 流程研究

　　数据采集软件实时读取GNSS天线(坐标和高程)、摩擦驱动传感器和压强传感器等数据。系统通过夯锤提升高度、深度传感器、压强传感器数据关联，精确测定夯锤提升和脱钩前的高程数据，吊臂顶端的GNSS接收机监测吊臂位移和吊臂顶端的高度，摩擦驱动传感器监测机械上滑轮绞盘系统，压强传感器监测机械液压管路的液压。

　　5.1 压强曲线

　　对于机械液压系统的压强曲线，压强从卸载静止值0.3MPa到最大值19MPa左右，也就是夯锤全部自重加载到绞车缆绳上，在提升过程中压强值保持在19MPa左右，直到夯锤被释放，压强值再次返回到卸载静止值，如图4所示。在夯锤提升过程中的初始阶段，绞车收紧缆绳提升夯锤离开地面的过程，压强经历3s快速升高。在1个提升周期中，触发点选择缆绳紧紧伸张，悬臂偏转开始，夯锤准备离开地面的这个时刻。在提升周期的释放结束阶段，压强自动随着机械释放夯锤而快速下降，所以释放点是一个明确的时间点，这个时间点与摩擦驱动传感器和压强传感器数据关联。多次提升后的液压分析结果为:平均液压在负重时为19.15MPa，液压值分布在负重时为18.5～19.7MPa，平均液压在不负重时为0.33MPa，液压值分布在不负重时为0.1～0.35MPa。

　　

　　图4 典型的提升周期压强曲线  

　　 

　　5.2 吊臂变形曲线

　　通过多个提升周期的测量，获得吊臂位移高度和位移重复周期曲线，如图5所示，从静止(卸载)→收紧缆绳→提升夯锤→释放夯锤，图中展示了在提升和释放周期中起重机吊臂顶端数据，记录的数据是一个重复的周期。

　　吊臂顶端的高度显示了2个不同的稳定状态:当夯锤在空中时，吊臂处于全部满载状态，吊臂顶端高度为低数值;当夯锤落在地面，夯机静止，吊臂处于卸载状态，吊臂顶端高度为高数值。在高数值稳定状态之前的振荡是由于夯锤释放造成吊臂顶端的“鞭策效应”，导致上下位移。当夯机振荡完毕，夯锤释放后吊臂稳定时，峰值达到稳定值，稳定状态曲线是GNSS高度变化结合机械的振动和移动的结果。在提升周期中，液压测量值和吊臂位移挠度高度相关。经过大量的提升检测，确定吊臂位移值:平均吊臂位移值0.154m，标准的位移值0.008m，吊臂在静止时(未负重)平均吊臂高度43.989m，吊臂在静止时(未负重)标准吊臂位移值0.006m，吊臂在静止时(未负重)吊臂位移值0.018m，当负重时平均吊臂高度43.835m，当负重时吊臂高度的标准位移值0.009m，当负重时吊臂位移值0.025m。

　　

　　图5“提升→释放→等待→提升→释放”周期中的吊臂顶部GNSS高程变化 

　　 

　　5.3 自动控制系统操作流程

　　在软件选项中选择新建工程，在工地定位系统中生成“工地校准文件”，文件通过无线传输网络或优盘传输到机械上，工地校准文件包括WGS84坐标系统和工地坐标系统(x,y,z)之间的转换关系。

　　通过业务中心软件创建强夯设计图，强夯设计图包括:强夯作业名称，强夯工作区域，整个区域强夯夯击点位的x,y,z值。这些点位包括下列目标值:夯锤类型;最小和最大落锤数(如最小12，最大15);每个强夯位置夯沉量达标值，最后两击平均夯沉量<5cm;过滤偏锤和土块塌落的情况，反向夯沉量设置为3cm;设置无效提锤高度(如2m)。

　　机手进行强夯操作的步骤为:系统启动(机舱控制面板、传感器、GNSS接收机)，GNSS接收定位信息，传感器完成初始化;导航强夯机到夯击点，夯锤放置在地面，提升夯锤到刚离开地面的状态，初始化缆绳位置，所有传感器位置归零。

　　每个夯击位置操作步骤为:选择夯击位置，设计图将机械导航到夯击位置;将夯锤放置在夯击位置地面上，让缆绳松弛(机械的吊臂未变形);初始化夯击起始位置，存储和测量吊臂顶部天线的参考高程，通过初始地表高程来确定夯锤起始位置;开始提锤，测量第1次落锤前的夯锤首次高程，当夯锤第1次落锤，测量定向天线高程的偏移，计算夯锤的落锤高度，开始记录夯锤落锤数;降下缆绳和挂钩，挂钩手辅助将其挂上夯锤，开始第2次提锤;当缆绳张紧时，吊臂开始向下变形，可从摩擦驱动传感器读取第1次落锤造成的沉降量;重复上述过程，直到两击平均沉降量达到目标值，系统会提示机手把夯锤提起并移动放置于地表，这时计算出最后一击的夯沉量，生成最后该位置的夯击报告，并关闭此位置的数据文件，准备开始下一位置的夯击，如果夯击位置的结果未达到质量合格要求(落锤数和两击平均夯沉量)，系统会提示机手此夯击位置的工作未达标，机手可继续增加额外夯击，也可忽略提示信息继续移到下一位置工作，系统会发送未达标信息，监理工程师复核;重复上述步骤，进行后续的夯击工作。

　　6 强夯自动控制系统功能

　　6.1 自动控制系统

　　6.1.1 自动导航定位

　　强夯机具有高大吊臂，操作过程中存在振动和晃动，采用传统测量方式，水平定位精度很难达到5cm。强夯自动控制系统导引机手移动夯锤到指定的夯点位置，导航方法操作简单，机舱内的操作平板上提供直观的“靶眼”导航方式，提供前进/后退、向左/向右移动的提示，方便机手移动机械接近正确位置，并提示处于正确位置上的限差范围，比传统定位时间大幅度缩短。自动定位精度高，水平精度控制在5cm以内，达到99.7%置信度水平。

　　6.1.2 自动记录夯击次数

　　系统能自动记录夯击次数，1个完整提升过程计1次夯击次数。系统能自动识别有效提升还是非有效提升，有时机手为了抑制夯锤的摆动只做了部分提升，而后再释放夯锤到地面，这个提升就是非有效提升。

　　6.1.3 自动测量高度和夯沉量

　　确定夯锤提升高度和夯沉量，在提升时，夯锤从吊臂释落点自由落下，每次夯击后，自动测量夯锤高程，自动确定每次夯击的夯沉量和总夯沉量。

　　在高程测量系统中需确定下列因素:每次夯击后，缆绳会通过挂钩再次与夯锤相连，以重新拉升夯锤，缆绳的行程可通过摩擦驱动传感器进行量测，当滑轮旋转时，推进摩擦驱动传感器旋转，转变成与缆绳升降距离等比的长度单位;确定缆绳提升夯锤时测量夯锤高度的时间点，当每次提升夯锤后，沿着缆绳方向总有一些滑动，当挂钩挂上夯锤缆绳张紧时，液压系统的压强会增加，直到夯锤离开地面，当压强达到特定阈值时，以摩擦驱动传感器读取值来确定缆绳行程;每次提锤前/落锤后是测定夯锤高程的时机;对于吊臂顶端高程，缆绳行程是相对于吊臂顶端的距离变化，这个高程用来确定两击夯沉量;当夯锤挂上和离开挂钩时，吊臂明显会发生晃动，吊臂顶部高程也会波动，高程测量要考虑这个波动值。

　　强夯机吊臂变形量在不同温度条件下有所差异，在日平均温度变化>10°C时便需校准1次;提升夯锤时用来确定高程测量触发点的液压曲线也会因机器的不同而变化，也需进行校准;当夯锤夯击地面时，因摩擦力会造成压强曲线的变化;液压传感器曲线和吊臂变形量也随夯锤类型的不同而变化。

　　利用每次提升周期中释放夯锤高度位置和夯锤释放之后的最终停止位置，确定每次落锤有效高度。研究发现，由于每次落锤后夯坑都会有沉降，夯锤提升到同样位置，对应之后的每次夯击都相应增大了下落高度，将使后续夯击中夯锤下落时会获得更快速度，会增加沉降量。

　　强夯达标值常规采用最后两击平均夯沉量的指标，达标阈值设为5cm。也有采用夯击次数的指标，机手可设置一个最小的达标夯击次数，而达到这个次数时最后两击夯沉量未达到目标阈值，允许机手结束该位置的夯击操作并移动到下一点。例如，机手设定12作为最小夯击数，15为最大夯击数，而在此区间即使最后两击夯沉量没有达标，允许机手结束该位置的夯击操作。也有采用相对于首次夯沉量百分比值的指标，首次夯沉量一般是夯击过程中的最大夯沉量值，夯沉量在随后的夯击中逐渐减小，基坑逐渐被夯实，可将最后一次夯沉量与首次夯沉量的比值设定为目标值，如设定20%的目标值，意味着如果首次夯沉量是0.5m，那么达标值便是0.1m。

　　6.1.4 自动识别夯锤质量

　　通过压强监测和悬臂偏转监测测定夯锤质量，确保使用正确夯锤。

　　6.2 夯沉量测试(基于真实测量值)

　　为了测量自动强夯控制系统的可靠性，同步采用人工水准仪和手工记录测量方式，以人工测量作为真实测量值，在试验中同步对比自动测量值和真实测量值。独立进行46次真实夯击点测试，在每个夯击点各进行了10次夯击，对沉降量进行了测量和记录，平均第1击夯沉量真实测量值为0.31m，平均自动测量值为0.32m;平均第5击夯沉量真实测量值为0.12m，平均自动测量值为0.14m;平均10击总夯沉量真实测量值为1.40m，平均自动测量值为1.56m。

　　7 强夯效果评价

　　7.1 强夯整体效果评价

　　北京新机场飞行区工程强夯应用面积109.03万m²，针对强夯施工工艺特点，研发了专用传感设备，通过系统集成设计，解决了夯点定位、落锤高度、夯沉量、夯击遍数等精准信息的自动获取和质量判定技术难题;实现了施工过程的实时监控、质量可追溯，提升了北京新机场建设管理水平，受到行业内外的广泛关注，经科学技术成果评价，项目总体达到国际先进水平。

　　7.2 经济效益评价

　　强夯的自动控制系统经济效益显著，减少60%施工人员人工成本，传统强夯施工平均每小时可完成6个夯点，自动控制施工每小时可完成9个夯点，施工效率提升50%。经参建单位统计，强夯等数字化控制系统节省造价约2 500.33万元，经济和社会效益显著，有力支撑了北京新机场飞行区工程优质高效完成，项目成果具有重要的推广应用价值。

　　8 结语

　　1)系统可将强夯机准确导航到夯击点位上。

　　2)系统可准确获取和记录每个强夯点位有效夯击次数。

　　3)系统集成GNSS定位、摩擦驱动传感器和液压传感器，通过测定缆绳长度、吊臂变形和液压强度，获得夯锤高程和夯锤沉降量。

　　4)系统记录的数据文件传送到数据中心服务器存储，供Excel等软件编辑处理，与ADCIS平台数据同步，为监理工程师和业主提供实时过程质量、进度和生产效率监控，解决了施工过程质量偏差问题。

　　5)系统在北京新机场飞行区工程应用确保了工程质量，显著提高了生产效率，改变了工程传统监管模式。

　　笔者将进一步研究系统安装到不同强夯机械带来的数据偏差、不同季节系统的误差，进一步收集机手、施工、监理、业主等人员的反馈意见，进一步改进和提升系统性能。