ICE免共振液壓振動錘沉樁垂直度監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

ICE免共振液壓振動錘沉樁垂直度監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用摘要：鋼管樁樁基的施工是整個城市高架快速化施工工程中最為重要的一環(huán)。通過一些工程實(shí)踐摸索，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的目視測垂法已經(jīng)無法滿足荷蘭進(jìn)口液壓振動錘設(shè)備的工作需求。針對這一問題，我們開發(fā)出了一套自動化的定量化測垂系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的目視法測垂技術(shù)相比具有更高的測量精度。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能夠幫助操作人員精確完成實(shí)時糾偏的任務(wù)。關(guān)鍵詞：城市高架快速化施工，ICE免共振液壓振動錘，鋼管樁基，定量化測垂系統(tǒng)，實(shí)時糾偏,ESP32。隨著城市化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，中遠(yuǎn)距離出行的道路交通需求逐年增加，機(jī)動車保有量和交通需求的快速增長導(dǎo)致交通擁堵的現(xiàn)象日益嚴(yán)重。城市高架快速化施工方案具有施工周期短、對整體交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為當(dāng)下解決城市交通擁堵、充分提升道路通行效率，實(shí)現(xiàn)我國城市化戰(zhàn)略升級的強(qiáng)大手段。在該方案中，鋼管樁樁基的施工步驟的速度與質(zhì)量對于整個城市高架路建設(shè)工程的施工周期和安全性尤為重要。經(jīng)過近幾年上海嘉閔高架、S3一期以及濟(jì)陽路高架等一批重大工程實(shí)踐和摸索，我們發(fā)現(xiàn)從荷蘭引進(jìn)的ICE免共振液壓振動錘設(shè)備具有沉樁速度快、對周邊既有建筑物影響小的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)鋼管樁樁基施工工序的重要保障。該液壓免共振振動錘是一種高頻振動錘，具有低振感、低噪音、無水氣污染、高效、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)。然而在實(shí)際使用的過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的目視測垂法誤差較大，無法滿足對于該設(shè)備在動態(tài)工作過程中對垂直精度的需求。針對這一關(guān)鍵性問題，我們開發(fā)出了一套基于微傳感器和處理器的定量化測垂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)工況下的高精度，高速度測試。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能有效地幫助操作人員精確完成實(shí)時糾偏的工作任務(wù)。ICE免共振液壓振動錘成樁測垂工藝比較傳統(tǒng)的振動錘成樁測垂工藝：如圖1.1所示，傳統(tǒng)的振動錘沉樁測垂方法是將2臺光學(xué)經(jīng)緯儀分別架設(shè)在預(yù)施工的鋼管樁XY軸方向的延長線上，測量人員將經(jīng)緯儀調(diào)平后通過目鏡中的十字絲對準(zhǔn)于鋼管樁的輪廓線，分別在靜態(tài)和動態(tài)過程中監(jiān)視鋼管樁輪廓線與經(jīng)緯儀十字絲的重合度。此方法存在以下問題：1.測量準(zhǔn)備時間長，2.測量數(shù)據(jù)響應(yīng)慢，3.受天氣情況和場地條件影響大，4.只能憑測量人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平來決定鋼管樁垂直度的偏差和效率。該工藝在實(shí)際動態(tài)測量過程中，由于鋼管樁輪廓在作高頻振動，導(dǎo)致更加難以對準(zhǔn)，非常依賴測量人員經(jīng)驗(yàn)，精度難以保證。圖1.1目視測垂法示意圖1.2改進(jìn)后的振動錘沉樁測垂工藝：基于精密陀螺儀傳感器和微處理器技術(shù)的測垂裝置是一種高精度、高響應(yīng)速度的定量測垂系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作流程分三步，首先是模擬信號采集，通過陀螺儀傳感器獲取的雙向角度物理量轉(zhuǎn)化為連續(xù)輸出的電壓信號，測量精度可達(dá)0.05°，響應(yīng)時間為0.01S；然后是模數(shù)轉(zhuǎn)換與信號再處理，依靠性能強(qiáng)大的微處理器，在實(shí)時獲取這些模擬量后，通過優(yōu)化算法將測量值進(jìn)行運(yùn)算、轉(zhuǎn)換和輸出；最后是數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過2.4G無線射頻通訊模塊,完成數(shù)據(jù)的上傳、下載、解析、提取，最后將其實(shí)時動態(tài)地顯示在遠(yuǎn)程人機(jī)界面（HMI）上，以供操作人員進(jìn)行檢測和操控相應(yīng)的裝置進(jìn)行糾偏。與傳統(tǒng)的目視測垂法相比，該測垂系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：1.測量過程簡單，首次校準(zhǔn)后既可多次使用；2.測垂單元集成度高，安裝方便；3.測量精度高，響應(yīng)速度快，工作效率高；4.通過無線通訊，人機(jī)交互的方式幫助振動錘沉樁操作工程師直接完成實(shí)時糾偏的任務(wù)。圖1.2定量化測垂裝置原理示意圖基于該裝置的測垂示例如下：1.樁基施工前，將ICE28RF免共振液壓振動錘用150噸履帶吊安裝到上工SPF558樁機(jī)的龍門導(dǎo)軌上，并用樁機(jī)主卷揚(yáng)的牽引28RF振動錘沿龍門導(dǎo)軌上升到預(yù)定高度。隨后用1臺150噸履帶吊和樁機(jī)雙機(jī)配合進(jìn)行翻身、喂樁，使D:700mm鋼管樁樁帽插入28RF振動錘的液壓夾鉗內(nèi)，然后啟動液壓錘動力站夾緊液壓夾鉗、鎖固鋼管樁。2.操作人員將帶有強(qiáng)磁的檢測單元緊密的貼合到鋼管樁的外圓表面，確保檢測單元圓弧面與鋼管樁外圓面吻合無間隙。此時樁機(jī)操作人員啟動鋼管樁垂直度檢測裝置，并輸入鋼管樁樁長。樁機(jī)操作人員即可通過人機(jī)操作界面讀取鋼管樁繞XY軸2個方向上的偏轉(zhuǎn)角度及偏轉(zhuǎn)角度的允許值。然后操作樁機(jī)龍門XY方向傾斜油缸的操縱桿調(diào)整樁機(jī)龍門傾角，使鋼管樁繞XY軸偏轉(zhuǎn)角度在允許值范圍內(nèi)。3.操縱樁機(jī)上車回轉(zhuǎn)，使樁機(jī)帶動龍門及振動錘、鋼管樁作平面回轉(zhuǎn)，使鋼管樁下端外圓對準(zhǔn)預(yù)設(shè)的XY平面坐標(biāo)。再次觀察XY方向轉(zhuǎn)角偏差，如有必要再次進(jìn)行糾偏。鋼管樁姿態(tài)調(diào)整滿足要求后，即可啟動動力站，操縱振動錘啟振。隨著鋼管樁在最大轉(zhuǎn)速每分鐘2300轉(zhuǎn)的高頻振動下，樁尖和樁壁周圍的土層開始液化流動。鋼管樁在自重和振動錘激振力的作用下下沉。此時樁機(jī)操作人員應(yīng)密切注視人機(jī)界面鋼管樁XY軸偏轉(zhuǎn)角度是否在允許值范圍內(nèi)。根據(jù)我們施工的經(jīng)驗(yàn)D700mm鋼管樁在初始下沉5米范圍內(nèi)一旦發(fā)生少量的轉(zhuǎn)角超標(biāo)，可以通過操作龍門油缸進(jìn)行微調(diào)。反之則需要將鋼管樁拔出，回填后再次定位施打。系統(tǒng)組成：本振動錘垂直度智能無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由測量單元、無線信號傳輸單元、微控制器運(yùn)算單元和用戶顯示界面所組成。2.1測量單元：主要由WT901BC模塊(軸姿態(tài)角度傳感器、氣壓傳感器、高度傳感器)+NEO-7M(GPS傳感器)組成。2.2微控制器(MCU)和無線數(shù)據(jù)傳輸單元：微控制器ESP32為雙核處理器，主頻高達(dá)240MHz，集成了WIFI和藍(lán)牙功能。測量終端可以通過AP模式自建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)和人機(jī)互動單元的數(shù)據(jù)傳輸。2.3人機(jī)互動界面單元（HMI）：由ESP32主控和串口LCD觸摸屏組成，通過STA模式與測量終端連接，獲取相關(guān)顯示內(nèi)容形成友好的人機(jī)界面系統(tǒng)。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖工作原理：圖3.1設(shè)備工作流程示意圖系統(tǒng)的工作原理如圖所示，樁機(jī)沉樁的同時傳感器對鋼樁的垂直度進(jìn)行實(shí)時測量，然后由內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和處理器完成數(shù)據(jù)的提取與適當(dāng)?shù)奶幚?，接著測量終端將傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)融合和協(xié)議打包，通過構(gòu)建的無線WIFI傳輸網(wǎng)絡(luò)，將信息傳輸給人機(jī)互動單元，最后將數(shù)據(jù)以可視化的形式展現(xiàn)在工程師的遠(yuǎn)程設(shè)備上。工程師可以在施工現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行動態(tài)糾偏。電路設(shè)計(jì)：微控制器(MCU)和無線數(shù)據(jù)傳輸單元以及人機(jī)互動界面單元（HMI）主控均使用ESP32來完成，因此其電路的ESP32最小系統(tǒng)和供電與下載電路是相同的。如圖4.1所示是ESP32的最小系統(tǒng)，采用8MBflash和4MBpsram以滿足系統(tǒng)程序運(yùn)行需要。圖4.1ESP32最小系統(tǒng)電路圖4.2所示為ESP32的電源及下載電路，用于對系統(tǒng)進(jìn)行供電以及檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的電源全部來自USB接口供電，經(jīng)過AMS1117穩(wěn)壓至3.3V給所有器件供電。下載電路使用CH340C作為USBtoUART轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過ESP32的串口0進(jìn)行下載與調(diào)試。圖4.2電源及下載電路對于微控制器(MCU)和無線數(shù)據(jù)傳輸單元，其包含有如圖4.3和圖4.4的電路，其中圖4.3為NEO-6MGPS模塊電路，使用XP100天線座接駁外置GPS天線獲取GPS信號并通過ESP32的串口0進(jìn)行通信，圖4.4為WT910BC接口電路，模塊通過接線的方式與主電路板相連接，通過ESP32的串口1進(jìn)行通信。圖4.3NEO-6M電路圖4.4WT901BC接口電路對于人機(jī)互動界面單元（HMI），其包含的是sHMIctrl串口屏電路，如圖4.5所示，通過ESP32的串口1進(jìn)行通信。圖4.5軟件編程：本系統(tǒng)使用C語言編程，基于樂鑫ESP32的IDF開發(fā)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)的固件開發(fā)。具體程序的流程圖圖5.1所示。人機(jī)互動界面單元（HMI）上電后，會自動通過WIFI與傳感器建立tcp連接，并實(shí)時地將傳感器返回地?cái)?shù)據(jù)顯示在sHMIctrl串口屏上。圖5.1流程圖結(jié)語：本文設(shè)計(jì)了一種自動化的垂直度測量系統(tǒng)，提出了以WT901C傳感器組，ESP32主控核心，串口屏人機(jī)交互的垂直度測試方案。該測量方法與傳統(tǒng)的目視測垂法相比具有自動化程度高，裝置小巧，動態(tài)工況下測量精確度高，測試速度快，人機(jī)交互方便等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠幫助工程師在沉樁施工中完成動態(tài)糾偏的工作任務(wù)，具有較高的應(yīng)用價值。參考文獻(xiàn)：1.楊光強(qiáng).基于免共振液壓振動錘系統(tǒng)沉樁施工對周圍環(huán)境的影響分析[J].建筑施工,2017,39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