含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统及其制桩方法与流程

1.本发明涉及地基处理施工领域，尤其涉及一种包含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统。


背景技术：

2.水泥搅拌桩是指软基处理的一种有效形式，普遍运用于大多数项目的软土地基加固处理作业中。水泥搅拌桩施工现场隐蔽性强，需要控制水泥粉(浆)沿桩体均匀分布，在实际施工中经常会出现地质与前期勘测不一致的情况，或地层出现硬层的情况，导致水泥搅拌桩施工过程中，施工流程被迫中断，使得桩体出现断层或水泥用量过多，施工质量无法得到保障。目前常用的水泥搅拌桩控制系统不能根据当前地质情况选择合适的施工流程进行施工，对较为复杂的地质情况使用具有一定局限性。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决现有技术中水泥搅拌桩控制系统自动化程度相对低，不能根据当前地质情况选择合适的施工流程进行施工，不能适应较为复杂的地质情况的问题，而提供一种含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统及其制桩方法。
4.本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
5.含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，包括水泥搅拌桩桩机和后台制浆站，水泥搅拌桩桩机配套设有桩机侧控制箱，后台制浆站配套设有制浆站控制箱；制浆站控制箱内配置有制浆控制系统以及与制浆控制系统连接的变频注浆泵和制浆触摸屏；桩机侧控制箱配置有桩机控制系统以及与桩机控制系统连接的桩机触摸屏，且桩机控制系统内置多种施工流程的自动制桩控制程序；水泥搅拌桩桩机的钻杆上配制有前端信号采集器，前端信号采集器包括钻杆深度编码器、钻杆搅拌电流互感器、水泥流量计、管路压力传感器；制浆站控制箱和桩机侧控制箱均配由无线网桥，制浆控制系统和桩机控制系统之间、桩机控制系统和前端信号采集器之间均通过无线网桥进行数据交互。
6.特别的，自动制桩控制程序包括制桩工艺流程程序和钻杆提升速度、注浆速度双馈系统程序，且制桩工艺流程程序包括常规制桩流程和地质硬层制桩流程两种。
7.特别的，自动制桩控制程序与制浆控制系统连接，用于控制变频注浆泵的注浆速度。
8.特别的，钻杆深度编码器、钻杆搅拌电流互感器、水泥流量计、管路压力传感器分别与自动制桩控制程序连接，并分别为自动制桩控制程序提供双馈控制系统的反馈值，即：钻杆运行位置、钻杆运行电流、注浆流量和注浆管路压力。
9.特别的，双馈控制系统包括钻杆提升速度双馈控制系统和注浆速度双馈控制系统。
10.特别的，钻杆提升速度双馈控制系统，包括钻杆提升/钻入前馈控制逻辑和反馈控制逻辑，前馈控制逻辑为：将前期地勘数据导入系统，当钻杆下钻至地质硬层，即对应地层
标高时，控制系统控制钻杆速度按照地质硬度系数下降；反馈控制被控制量为钻杆运行速度，测量反馈值为钻杆旋转电机工作电流，控制逻辑为：钻杆工作电流不应超过阈值，超过阈值，钻杆暂停下钻，在阈值以内，钻杆电流与钻杆下钻速度成反比。
11.特别的，注浆速度双馈控制系统，包括注浆速度前馈控制逻辑和反馈控制逻辑，前馈控制逻辑为：根据本桩位设计的不同标高注浆速度值，当钻杆下钻到对应标高，注浆速度随标高进行调整；反馈控制被控制量为注浆速度，测量反馈值为钻杆运行速度，控制逻辑为：注浆速度为每延米注浆量和钻杆运行速度的乘积，当钻杆速度变化时，控制系统根据当前速度值计算注浆速度，反馈给变频注浆泵进行注浆量的调速。
12.一种含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统的制桩方法，其步骤如下：
13.s1、进入常规制桩流程；
14.s2、钻杆电流大于阈值并持续一定时间，“否”继续常规制桩流程，“是”判定为进入地质硬层，操作人员进入流程选择，并根据钻杆下钻喷浆至设计桩长的长度选择切换“提钻补浆流程”或“二次下钻喷浆流程”；
15.s3、剩余桩长较长，切换“提钻补浆流程”，系统记录模式切换深度，自动暂停喷浆或以维持管路压力的最小浆量喷浆，下钻至桩底标高，提升喷浆至模式切换标杆，提升钻杆复搅至施工结束；
16.s4、剩余桩长较短，切换“二次下钻喷浆流程”，系统记录模式切换深度，自动暂停喷浆或以维持管路压力的最小浆量喷浆，下钻至桩底标高，再提升至暂停标高，恢复喷浆继续施工，继续按照常规制桩流程进行施工。
17.本发明的有益效果是：本发明在常规桩机和制浆后台配置桩机侧控制箱和制浆站控制箱，制浆站控制箱内配置制浆控制系统，桩机侧控制箱内配置桩机控制系统，且桩机控制系统内置多种施工流程的自动制桩控制程序以及前端采集器；使用时通过钻杆电流值判断当前施工地层是否为地质硬层，指导施工操作人员进行施工流程切换。钻杆提升速度与注浆速度使用双馈控制系统，钻杆提升速度根据钻杆运行电流自动控制，注浆速度根据每延米注浆量以及钻杆运行速度自动计算，并通过变频注浆泵控制。
18.与现有技术相比，本发明能够根据当前地质情况选择合适的施工流程进行施工，能够适应较为复杂的地质情况。同时，自动化程度高，降低了操作人员的劳动强度，节省了人力资源。
附图说明
19.图1为本发明的水泥搅拌桩自动控制系统结构示意图；
20.图2为本发明的自动制桩控制程序流程图；
21.以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明作进一步说明：
23.如图1所示，一种含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，包括水泥搅拌桩桩机和后台制浆站，水泥搅拌桩桩机配套设有桩机侧控制箱，后台制浆站配套设有制浆站控制箱；具体地，控制箱可用于采集施工数据、发送施工指令。
24.桩机侧控制箱配置有桩机控制系统以及与桩机控制系统连接的桩机触摸屏，且桩机控制系统内置多种施工流程的自动制桩控制程序。自动制桩控制程序包括制桩工艺流程程序和钻杆提升速度、注浆速度双馈系统程序，且制桩工艺流程程序包括常规制桩流程和地质硬层制桩流程两种。具体地，桩机控制箱安装在桩机操作手操作工位处，配置的桩机触摸屏，可进行施工数据实时展示、参数设置以及相关操作；桩机侧控制箱配有必要的操作按钮，如启动、暂停、模式切换等，便于快捷操作；自动制桩控制程序内置在桩机控制系统配套的控制器上，用于采集和处理施工数据，输出施工指令。
25.制浆站控制箱内配置有制浆控制系统以及与制浆控制系统连接的变频注浆泵和制浆触摸屏；自动制桩控制程序与制浆控制系统连接，用于控制变频注浆泵的注浆速度。具体地，制浆站配置的变频注浆泵用于控制注浆泵运行速度，调节注浆泵注浆速度，与钻杆下钻速度相匹配，即注浆流量的给定值为每延米注浆量和钻杆速度的乘积。
26.水泥搅拌桩桩机的钻杆上配制有前端信号采集器，前端信号采集器包括钻杆深度编码器、钻杆搅拌电流互感器、水泥流量计、管路压力传感器；钻杆深度编码器、钻杆搅拌电流互感器、水泥流量计、管路压力传感器分别与自动制桩控制程序连接，并分别为自动制桩控制程序提供双馈控制系统的反馈值，即：钻杆运行位置、钻杆运行电流、注浆流量和注浆管路压力。具体地，钻杆深度编码器安装在钻杆提升传动机构轴上，用于监测钻杆实时深度；钻杆搅拌电流互感器用于监测钻杆旋转电机工作电流，该电流可以反映当前钻杆钻进地质情况；水泥流量计、管路压力传感器安装在注浆管路，将注浆流量和管路压力实时反馈给自动制桩控制程序，为自动制桩控制提供依据。
27.制浆站控制箱和桩机侧控制箱均配由无线网桥，制浆控制系统和桩机控制系统之间、桩机控制系统和前端信号采集器之间均通过无线网桥进行数据交互。
28.自动制桩控制程序的施工流程包括常规制桩流程和地质硬层制桩流程两种。
29.常规制桩流程中，钻杆旋转速度恒定，钻进速度根据工艺要求以及当前钻进电流情况调节，注浆速度根据每延米注浆量和钻进速度计算，并通过变频注浆泵调节。施工工艺采用下钻注浆、提升搅拌的流程。
30.地质硬层制桩流程：当钻杆下钻过程中，电流值大于阈值一定时间后，判定为进入地质硬层，操作人员可任意切换一种施工流程：提钻补浆流程或二次下钻喷浆流程。提钻补浆流程中，系统记录模式切换深度，自动暂停喷浆或以维持管路压力的最小浆量喷浆，下钻至设计桩底，在提升搅拌过程中，开始以设计浆量注浆，直至提升至切换深度后，停止喷浆；二次下钻喷浆流程中，系统记录模式切换深度，自动暂停喷浆或以维持管路压力的最小浆量喷浆，下钻至设计桩底，再提升至模式切换深度后，开启下钻恢复喷浆，系统继续按照常规制桩流程进行施工。
31.在以上施工自动控制程序中，双馈控制系统包括钻杆提升速度双馈控制系统和注浆速度双馈控制系统。
32.钻杆提升速度双馈控制系统，包括钻杆提升/钻入前馈控制逻辑和反馈控制逻辑，前馈控制逻辑为：将前期地勘数据导入系统，当钻杆下钻至地质硬层，即对应地层标高时，控制系统控制钻杆速度按照地质硬度系数下降；反馈控制被控制量为钻杆运行速度，测量反馈值为钻杆旋转电机工作电流，控制逻辑为：钻杆工作电流不应超过阈值，超过阈值，钻杆暂停下钻，在阈值以内，钻杆电流与钻杆下钻速度成反比。
33.注浆速度双馈控制系统，包括注浆速度前馈控制逻辑和反馈控制逻辑，前馈控制逻辑为：根据本桩位设计的不同标高注浆速度值，当钻杆下钻到对应标高，注浆速度随标高进行调整；反馈控制被控制量为注浆速度，测量反馈值为钻杆运行速度，控制逻辑为：注浆速度为每延米注浆量和钻杆运行速度的乘积，当钻杆速度变化时，控制系统根据当前速度值计算注浆速度，反馈给变频注浆泵进行注浆量的调速。
34.如图2所示，一种含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统的制桩方法，其步骤如下：
35.s1、进入常规制桩流程；
36.s2、钻杆电流大于阈值并持续一定时间，“否”继续常规制桩流程，“是”判定为进入地质硬层，操作人员进入流程选择，并根据钻杆下钻喷浆至设计桩长的长度选择切换“提钻补浆流程”或“二次下钻喷浆流程”；
37.s3、剩余桩长较长，切换“提钻补浆流程”，系统记录模式切换深度，自动暂停喷浆或以维持管路压力的最小浆量喷浆，下钻至桩底标高，提升喷浆至模式切换标杆，提升钻杆复搅至施工结束；
38.s4、剩余桩长较短，切换“二次下钻喷浆流程”，系统记录模式切换深度，自动暂停喷浆或以维持管路压力的最小浆量喷浆，下钻至桩底标高，再提升至暂停标高，恢复喷浆继续施工，继续按照常规制桩流程进行施工。
39.实施例1
40.当桩机以常规制桩流程进行施工时，程序执行下钻喷浆、提升搅拌的工艺，当钻杆下钻喷浆至设计桩长三分之二时，出现钻杆电流值大于阈值持续15秒或以上后，判断为地质硬层，此时程序切换地质硬层制桩流程，由于剩余桩长相对较短，可选择二次下钻喷浆流程，注浆泵在后续下钻过程中以不会造成堵管的最小流量喷浆，下钻至桩底后，提升至流程切换深度，二次下钻，开启钻杆钻进速度与注浆速度双馈控制程序，继续喷浆完成制桩流程。
41.实施例2
42.当桩机以常规制桩流程进行施工时，程序执行下钻喷浆、提升搅拌的工艺，当钻杆下钻喷浆至设计桩长三分之一时，出现钻杆电流值大于阈值持续15秒或以上后，判断为地质硬层，此时程序切换地质硬层制桩流程，由于剩余桩长相对较长，使用二次下钻喷浆流程钻杆行程较长，浪费时间，可选择提钻补浆流程，注浆泵在后续下钻过程中以不会造成堵管的最小流量喷浆，下钻至桩底后，进行提升注浆施工，注浆速度根据每延米喷浆量以及提升速度计算，采用双馈控制程序，完成自动注浆作业。
43.本发明能够根据当前地质情况选择合适的施工流程进行施工，能够适应较为复杂的地质情况。同时，自动化程度高，降低了操作人员的劳动强度，节省了人力资源。
44.上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，其特征在于，包括水泥搅拌桩桩机和后台制浆站，水泥搅拌桩桩机配套设有桩机侧控制箱，后台制浆站配套设有制浆站控制箱；制浆站控制箱内配置有制浆控制系统以及与制浆控制系统连接的变频注浆泵和制浆触摸屏；桩机侧控制箱配置有桩机控制系统以及与桩机控制系统连接的桩机触摸屏，且桩机控制系统内置多种施工流程的自动制桩控制程序；水泥搅拌桩桩机的钻杆上配制有前端信号采集器，前端信号采集器包括钻杆深度编码器、钻杆搅拌电流互感器、水泥流量计、管路压力传感器；制浆站控制箱和桩机侧控制箱均配由无线网桥，制浆控制系统和桩机控制系统之间、桩机控制系统和前端信号采集器之间均通过无线网桥进行数据交互。2.根据权利要求1所述的含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，其特征在于，自动制桩控制程序包括制桩工艺流程程序和钻杆提升速度、注浆速度双馈系统程序，且制桩工艺流程程序包括常规制桩流程和地质硬层制桩流程两种。3.根据权利要求2所述的含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，其特征在于，自动制桩控制程序与制浆控制系统连接，用于控制变频注浆泵的注浆速度。4.根据权利要求3所述的含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，其特征在于，钻杆深度编码器、钻杆搅拌电流互感器、水泥流量计、管路压力传感器分别与自动制桩控制程序连接，并分别为自动制桩控制程序提供双馈控制系统的反馈值，即：钻杆运行位置、钻杆运行电流、注浆流量和注浆管路压力。5.根据权利要求4所述的含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，其特征在于，双馈控制系统包括钻杆提升速度双馈控制系统和注浆速度双馈控制系统。6.根据权利要求5所述的含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，其特征在于，钻杆提升速度双馈控制系统，包括钻杆提升/钻入前馈控制逻辑和反馈控制逻辑，前馈控制逻辑为：将前期地勘数据导入系统，当钻杆下钻至地质硬层，即对应地层标高时，控制系统控制钻杆速度按照地质硬度系数下降；反馈控制被控制量为钻杆运行速度，测量反馈值为钻杆旋转电机工作电流，控制逻辑为：钻杆工作电流不应超过阈值，超过阈值，钻杆暂停下钻，在阈值以内，钻杆电流与钻杆下钻速度成反比。7.根据权利要求6所述的含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，其特征在于，注浆速度双馈控制系统，包括注浆速度前馈控制逻辑和反馈控制逻辑，前馈控制逻辑为：根据本桩位设计的不同标高注浆速度值，当钻杆下钻到对应标高，注浆速度随标高进行调整；反馈控制被控制量为注浆速度，测量反馈值为钻杆运行速度，控制逻辑为：注浆速度为每延米注浆量和钻杆运行速度的乘积，当钻杆速度变化时，控制系统根据当前速度值计算注浆速度，反馈给变频注浆泵进行注浆量的调速。8.一种根据权利要求7所述的含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统的制桩方法，其特征在于，其步骤如下：s1、进入常规制桩流程；s2、钻杆电流大于阈值并持续一定时间，“否”继续常规制桩流程，“是”判定为进入地质硬层，操作人员进入流程选择，并根据钻杆下钻喷浆至设计桩长的长度选择切换“提钻补浆流程”或“二次下钻喷浆流程”；s3、剩余桩长较长，切换“提钻补浆流程”，系统记录模式切换深度，自动暂停喷浆或以维持管路压力的最小浆量喷浆，下钻至桩底标高，提升喷浆至模式切换标杆，提升钻杆复搅
至施工结束；s4、剩余桩长较短，切换“二次下钻喷浆流程”，系统记录模式切换深度，自动暂停喷浆或以维持管路压力的最小浆量喷浆，下钻至桩底标高，再提升至暂停标高，恢复喷浆继续施工，继续按照常规制桩流程进行施工。

技术总结
本发明是含多种施工流程的水泥搅拌桩自动控制系统，包括水泥搅拌桩桩机和后台制浆站，水泥搅拌桩桩机配套设有桩机侧控制箱，后台制浆站配套设有制浆站控制箱；制浆站控制箱内配置有制浆控制系统以及与制浆控制系统连接的变频注浆泵和制浆触摸屏；桩机侧控制箱配置有桩机控制系统以及与桩机控制系统连接的桩机触摸屏，且桩机控制系统内置多种施工流程的自动制桩控制程序；水泥搅拌桩桩机的钻杆上配制有前端信号采集器，制浆站控制箱和桩机侧控制箱均配由无线网桥。本发明能够根据当前地质情况选择合适的施工流程进行施工，能够适应较为复杂的地质情况。较为复杂的地质情况。较为复杂的地质情况。


技术研发人员：窦勇 冯海暴 乔朝起 胡艳 刘学春
受保护的技术使用者：中交一航局安装工程有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/13