ICE免共振液压振动锤沉桩垂直度监测系统的研发与应用

ICE免共振液压振动锤沉桩垂直度监测系统的研发与应用摘要：钢管桩桩基的施工是整个城市高架快速化施工工程中最为重要的一环。通过一些工程实践摸索，我们发现传统的目视测垂法已经无法满足荷兰进口液压振动锤设备的工作需求。针对这一问题，我们开发出了一套自动化的定量化测垂系统，与传统的目视法测垂技术相比具有更高的测量精度。实践表明，该系统能够帮助操作人员精确完成实时纠偏的任务。关键词：城市高架快速化施工，ICE免共振液压振动锤，钢管桩基，定量化测垂系统，实时纠偏,ESP32。随着城市化规模的不断扩大，中远距离出行的道路交通需求逐年增加，机动车保有量和交通需求的快速增长导致交通拥堵的现象日益严重。城市高架快速化施工方案具有施工周期短、对整体交通影响小等优点，逐渐成为当下解决城市交通拥堵、充分提升道路通行效率，实现我国城市化战略升级的强大手段。在该方案中，钢管桩桩基的施工步骤的速度与质量对于整个城市高架路建设工程的施工周期和安全性尤为重要。经过近几年上海嘉闵高架、S3一期以及济阳路高架等一批重大工程实践和摸索，我们发现从荷兰引进的ICE免共振液压振动锤设备具有沉桩速度快、对周边既有建筑物影响小的优点，是实现钢管桩桩基施工工序的重要保障。该液压免共振振动锤是一种高频振动锤，具有低振感、低噪音、无水气污染、高效、机动性强等特点。然而在实际使用的过程中，我们发现传统的目视测垂法误差较大，无法满足对于该设备在动态工作过程中对垂直精度的需求。针对这一关键性问题，我们开发出了一套基于微传感器和处理器的定量化测垂系统，实现了动态工况下的高精度，高速度测试。实践表明，该系统能有效地帮助操作人员精确完成实时纠偏的工作任务。ICE免共振液压振动锤成桩测垂工艺比较传统的振动锤成桩测垂工艺：如图1.1所示，传统的振动锤沉桩测垂方法是将2台光学经纬仪分别架设在预施工的钢管桩XY轴方向的延长线上，测量人员将经纬仪调平后通过目镜中的十字丝对准于钢管桩的轮廓线，分别在静态和动态过程中监视钢管桩轮廓线与经纬仪十字丝的重合度。此方法存在以下问题：1.测量准备时间长，2.测量数据响应慢，3.受天气情况和场地条件影响大，4.只能凭测量人员的经验和技术水平来决定钢管桩垂直度的偏差和效率。该工艺在实际动态测量过程中，由于钢管桩轮廓在作高频振动，导致更加难以对准，非常依赖测量人员经验，精度难以保证。图1.1目视测垂法示意图1.2改进后的振动锤沉桩测垂工艺：基于精密陀螺仪传感器和微处理器技术的测垂装置是一种高精度、高响应速度的定量测垂系统。该系统的工作流程分三步，首先是模拟信号采集，通过陀螺仪传感器获取的双向角度物理量转化为连续输出的电压信号，测量精度可达0.05°，响应时间为0.01S；然后是模数转换与信号再处理，依靠性能强大的微处理器，在实时获取这些模拟量后，通过优化算法将测量值进行运算、转换和输出；最后是数据的远程上传以实现人机交互，通过2.4G无线射频通讯模块,完成数据的上传、下载、解析、提取，最后将其实时动态地显示在远程人机界面（HMI）上，以供操作人员进行检测和操控相应的装置进行纠偏。与传统的目视测垂法相比，该测垂系统的优点是：1.测量过程简单，首次校准后既可多次使用；2.测垂单元集成度高，安装方便；3.测量精度高，响应速度快，工作效率高；4.通过无线通讯，人机交互的方式帮助振动锤沉桩操作工程师直接完成实时纠偏的任务。图1.2定量化测垂装置原理示意图基于该装置的测垂示例如下：1.桩基施工前，将ICE28RF免共振液压振动锤用150吨履带吊安装到上工SPF558桩机的龙门导轨上，并用桩机主卷扬的牵引28RF振动锤沿龙门导轨上升到预定高度。随后用1台150吨履带吊和桩机双机配合进行翻身、喂桩，使D:700mm钢管桩桩帽插入28RF振动锤的液压夹钳内，然后启动液压锤动力站夹紧液压夹钳、锁固钢管桩。2.操作人员将带有强磁的检测单元紧密的贴合到钢管桩的外圆表面，确保检测单元圆弧面与钢管桩外圆面吻合无间隙。此时桩机操作人员启动钢管桩垂直度检测装置，并输入钢管桩桩长。桩机操作人员即可通过人机操作界面读取钢管桩绕XY轴2个方向上的偏转角度及偏转角度的允许值。然后操作桩机龙门XY方向倾斜油缸的操纵杆调整桩机龙门倾角，使钢管桩绕XY轴偏转角度在允许值范围内。3.操纵桩机上车回转，使桩机带动龙门及振动锤、钢管桩作平面回转，使钢管桩下端外圆对准预设的XY平面坐标。再次观察XY方向转角偏差，如有必要再次进行纠偏。钢管桩姿态调整满足要求后，即可启动动力站，操纵振动锤启振。随着钢管桩在最大转速每分钟2300转的高频振动下，桩尖和桩壁周围的土层开始液化流动。钢管桩在自重和振动锤激振力的作用下下沉。此时桩机操作人员应密切注视人机界面钢管桩XY轴偏转角度是否在允许值范围内。根据我们施工的经验D700mm钢管桩在初始下沉5米范围内一旦发生少量的转角超标，可以通过操作龙门油缸进行微调。反之则需要将钢管桩拔出，回填后再次定位施打。系统组成：本振动锤垂直度智能无线监测系统主要由测量单元、无线信号传输单元、微控制器运算单元和用户显示界面所组成。2.1测量单元：主要由WT901BC模块(轴姿态角度传感器、气压传感器、高度传感器)+NEO-7M(GPS传感器)组成。2.2微控制器(MCU)和无线数据传输单元：微控制器ESP32为双核处理器，主频高达240MHz，集成了WIFI和蓝牙功能。测量终端可以通过AP模式自建无线传输网络，实现和人机互动单元的数据传输。2.3人机互动界面单元（HMI）：由ESP32主控和串口LCD触摸屏组成，通过STA模式与测量终端连接，获取相关显示内容形成友好的人机界面系统。图2.1系统总体结构框图工作原理：图3.1设备工作流程示意图系统的工作原理如图所示，桩机沉桩的同时传感器对钢桩的垂直度进行实时测量，然后由内部模数转换芯片和处理器完成数据的提取与适当的处理，接着测量终端将传感器数据经过数据融合和协议打包，通过构建的无线WIFI传输网络，将信息传输给人机互动单元，最后将数据以可视化的形式展现在工程师的远程设备上。工程师可以在施工现场根据实际情况来进行动态纠偏。电路设计：微控制器(MCU)和无线数据传输单元以及人机互动界面单元（HMI）主控均使用ESP32来完成，因此其电路的ESP32最小系统和供电与下载电路是相同的。如图4.1所示是ESP32的最小系统，采用8MBflash和4MBpsram以满足系统程序运行需要。图4.1ESP32最小系统电路图4.2所示为ESP32的电源及下载电路，用于对系统进行供电以及检测系统运行状态。系统的电源全部来自USB接口供电，经过AMS1117稳压至3.3V给所有器件供电。下载电路使用CH340C作为USBtoUART转换器，经过ESP32的串口0进行下载与调试。图4.2电源及下载电路对于微控制器(MCU)和无线数据传输单元，其包含有如图4.3和图4.4的电路，其中图4.3为NEO-6MGPS模块电路，使用XP100天线座接驳外置GPS天线获取GPS信号并通过ESP32的串口0进行通信，图4.4为WT910BC接口电路，模块通过接线的方式与主电路板相连接，通过ESP32的串口1进行通信。图4.3NEO-6M电路图4.4WT901BC接口电路对于人机互动界面单元（HMI），其包含的是sHMIctrl串口屏电路，如图4.5所示，通过ESP32的串口1进行通信。图4.5软件编程：本系统使用C语言编程，基于乐鑫ESP32的IDF开发环境进行系统的固件开发。具体程序的流程图图5.1所示。人机互动界面单元（HMI）上电后，会自动通过WIFI与传感器建立tcp连接，并实时地将传感器返回地数据显示在sHMIctrl串口屏上。图5.1流程图结语：本文设计了一种自动化的垂直度测量系统，提出了以WT901C传感器组，ESP32主控核心，串口屏人机交互的垂直度测试方案。该测量方法与传统的目视测垂法相比具有自动化程度高，装置小巧，动态工况下测量精确度高，测试速度快，人机交互方便等优点。实践经验表明，该系统能够帮助工程师在沉桩施工中完成动态纠偏的工作任务，具有较高的应用价值。参考文献：1.杨光强.基于免共振液压振动锤系统沉桩施工对周围环境的影响分析[J].建筑施工,2017,39(006):888-889.2.唐康.免共振液压振动锤施工的钢管桩承载力恢复规律的