近年来，大型桥梁建设工程日益增多，在大型桥梁建设中常应用高压旋喷工艺对软土地基进行加固，但加固深度普遍约为30 m，40 m以上具有封水加固功能的应用案例较少，因此对于深层地基加固的探索具有一定的研究意义与工程价值.

在传统地基加固施工过程中会产生大量繁杂的信息，管理者无法实时汇总各生产要素信息，故而对施工现场的调控具有延迟性. 其次，在传统施工过程中地下作业不可见，管理者只能通过地下作业的数据对其进行评估. 同时，在传统地基加固施工中，受各种因素影响，工期不可控. 对于这些问题，学者们引入新一代信息技术做出了一系列研究. 魏茂彬等^[1] 实现了基于远程无线传感器网络的高层建筑地基沉降动态预警系统，并应用于对高层建筑地基进行安全检测以及形变监测. 刘强等^[2]运用BIM+GIS技术，构建了超深碎石桩施工程监控软件系统. 程义等^[3]基于物联网技术设计开发了软基处理施工在线监控系统，对水泥土搅拌桩施工过程中的数据进行追踪与反馈. 陈飞等^[4]基于物联网技术设计开发了静压法预应力管桩施工全过程监控系统. 但这些研究无法同时解决上述的所有问题，这些系统应用也无法满足工程项目的全部需求.

近年来数字孪生技术的发展与应用，为这些问题的解决提出了新思路. 数字孪生概念最早由Grieves等^[5]提出的“镜像空间模型”演化而来，于2012年由美国国家航空航天局正式给出定义^[6-7]. 数字孪生技术作为实现现实世界和虚拟世界交互的关键技术得到学者们的关注和研究. 陶飞等^[8]在数字孪生三维模型的基础上提出数字孪生五维模型以满足现阶段技术发展和应用需求. 刘占省等^[9]从物理施工现场实体建模、数字孪生虚体建模、虚实交互关联建模的角度提出基于数字孪生的装配式施工过程空间维度建模理论，并根据理论给出了装配式施工过程演化建模方法. 史国梁等^[10]基于数字孪生技术对索桁架结构进行施工误差评估的孪生仿真与模型试验，并根据数字孪生数据映射关系有效获取施工误差下的受力性能，验证了方法可行性. 刘占省等^[11]基于数字孪生对建筑工程交付进行研究，实现模型建立及应用，解决了建筑工程交付数据存在的完整性不足、利用率低的问题. 宫志群等^[12]通过研究数字孪生的内涵、孪生映射以及数字孪生成熟度评价，提出基于数字孪生的建设项目管理数字化的实现路径、技术手段及建议.

综上所述，数字孪生这一理念已经应用在建筑行业的各个场景中，但在深度超过50 m的超深软弱地基加固施工阶段应用数字孪生理念的研究却鲜见报道. 为了提高深层地基加固施工可视化和数字化水平，实现施工现场全方位、全过程、全要素的精准复刻，并能将其运作过程中产生的业务数据进行迭代运行，支持管理人员在任意时间、任意地点远程可视化监控和管理，有必要将数字孪生应用于深层地基加固施工阶段. 因此，本研究引入数字孪生理念，设计开发了深层地基加固施工数字孪生系统，并将其应用于张靖皋长江大桥北航道桥南锚碇加固施工中，以验证系统可行性.

深层地基加固施工的重点在于采用何种施工工艺保证工程质量，如何根据施工工艺设计系统实现对施工过程全生命周期的监控. 在施工工艺的选择上，须根据施工现场地质条件对现存工艺开展试验，选择试验结果最优的工艺，并在其基础上做出更适合超深软弱地基的改进. 同时，根据施工工艺结合数字孪生技术设计深层地基加固施工数字孪生系统.

目前，适用于深度超过50 m的超深软弱地基加固方法包括多重喷射搅拌工法（multiple jet system，MJS）、旋转喷射搅拌桩工法（rotary jet pile，RJP）、超高压喷射工法（super jet technology，SJT）. 经过现场试验，结合施工质量、安全、环保、功效、成本等因素，本研究选择基于RJ P工法改良的D-RJP（Diameter-RJP）工法作为深层地基加固施工工艺. RJP高压旋喷工法是日本RJP协会研发的新型高压旋喷工法，在现场试验中具有效率高、质量稳定、较便宜等优点^[13]. RJP工法施工设备主要有高压注浆泵、空压机、高压水泵、水泥搅拌机、工程钻机等. RJP工法是利用高压喷射流能量分2个阶段切削土层，上部喷嘴喷出的高压水和压缩空气喷射流先行对土体进行预切割，在形成一定的空间后，下部喷嘴喷出的高压浆液和压缩空气喷射流再对土层进行二次扩大切削，同时水泥浆液与剩余原状土进行充分的混合搅拌，从而形成大直径的加固体^[14]. 利用切削时的能量，根据气升原理气举排浆，将上部浆液排出孔外回收. 用RJP工法形成的旋喷桩桩径大、加固深度大、加固直径和强度较均匀^[15]. RJP工法的成桩流程如图1所示. 首先根据设计图纸确定桩位，进行原地面处理，清理桩点表面障碍物开挖排浆沟槽，利用吊车将桩机就位后固定桩机进行引孔，检测引孔垂直度，防止施工过程中钻杆被土体抱死. 引孔垂直度合格后下放套管，避免高压喷射流对地下管线及浅土层造成干扰. 在套管下放到位后下放钻杆，在钻杆下放到位后，开启高压水泵、注浆泵、空压机，检查各施工参数是否符合设计要求. 最后开启提升装置，待地面返浆正常后开始提升，完成成桩.

但在现场试验中，RJP工法在黏土层成桩强度低，对环境影响较大. 为了解决这些问题，D-RJP工法在RJP工法基础上将上喷嘴的高压水、压缩空气增压，加大水体积流量；关闭下喷嘴的压缩空气，增加下喷嘴高压浆的压力，并减少水泥浆体积流量；增加上下喷嘴之间的距离，增加复喷工艺，增大引孔直径，改进如图2所示. 由于同等压力、体积流量情况下，水的动能破坏大于浆液的动能破坏，因此通过上喷嘴水、气增压，加大水体积流量，增加了上喷嘴预切割能力，保证成桩质量，同时降低返浆液中的水泥体积占比，使压滤水可以循环利用，节约了水泥和水资源. 由于关闭下喷嘴压缩空气，使得桩体内无气泡，有利于桩体强度提高，再加上拉开上下喷嘴距离，减小旋喷过程中上喷嘴的气举效应对下喷嘴的影响，有利于水泥置换土体的效率. 增加复喷工艺，有助于调节成桩强度，在复喷阶段关闭上喷嘴水、气，避免影响复喷加固后的桩体. 在增大引孔直径后，返浆通道较大，利于废土上翻外排；减少地内应力，减少对周边产生较大的挤土效应；提高切削能量利用率，使上喷嘴能量更多切削外围土体，保证成桩直径. 总体上，上部切削，下部搅拌，二次扰动切削，使拌合更加均匀.

为了确保施工过程可测、可控、可调，引入数字孪生理念，设计开发深层地基加固施工数字孪生系统. 该系统能实现施工现场全方位、全过程、全要素的精准复刻，并能将其运作过程中产生的业务数据进行迭代运行，支持管理人员在任意时间、任意地点远程可视化监控和管理. 在参考数字孪生五维模型的基础上结合施工工艺，构建如图3所示的深层地基加固施工数字孪生框架. 该框架以深层地基加固施工全过程为基础，分为物理层、虚拟层、数据处理层、服务层4个部分，通过数据实时传输完成各层间的连接. 物理层指施工现场全要素，包含施工过程、设备、泥浆工厂等. 模型层包含几何、物理、行为和规则模型，几何与物理模型反映施工现场的基本信息，行为与规则模型则是赋予模型动作和约束. 数据层是系统的核心，包含工程全生命周期的各种数据，通过数据驱动系统运行. 服务层分为系统客户端和后台数据管理系统，为用户提供数据管理、产值估算、危险预警等功能服务. 同时，根据该框架设计了系统平台总体结构，如图4所示. 系统平台由数据库、文件服务器、服务端、C/S客户端、B/S客户端以及服务端组成，并提供外部系统访问接口.

深层地基加固施工数字孪生系统建立的目的是对工程项目进行全生命周期的监控，故系统开发主要围绕监控功能的实现开展. 本研究主要通过模型建立、施工过程数据的采集与处理和动态映射等关键技术进行系统开发.

深层地基加固施工系统主要从几何、物理、行为、规则4个方面进行模型构建. 其数学化表达如下：

(1)$ {\text{C}}{{\text{R}}_{{\text{sys}}}} = \{ {\text{C}}{{\text{R}}_{{\text{geo}}}}{\text{,C}}{{\text{R}}_{{\text{phy}}}}{\text{,C}}{{\text{R}}_{{\text{beh}}}}{\text{,C}}{{\text{R}}_{{\text{rul}}}}\} . $

式中：$ {\text{C}}{{\text{R}}_{{\text{sys}}}} $为系统模型，$ {\text{C}}{{\text{R}}_{{\text{geo}}}} $为几何模型，$ {\text{C}}{{\text{R}}_{{\text{phy}}}} $为物理模型，$ {\text{C}}{{\text{R}}_{{\text{beh}}}} $为行为模型，$ {\text{C}}{{\text{R}}_{{\text{rul}}}} $为规则模型. 几何模型主要包含施工现场的布置、高压旋喷设备、泥浆工厂等物理实体的模型，要能准确表达出其外观、尺寸、位置等基本信息，是系统可视化显示的基础模型. 物理模型主要指在整个工程中各要素的参数，例如施工现场的温度及湿度、旋喷主机喷嘴的体积流量及压力，这些参数是模型层反映物理世界的重要组成部分，行为模型主要指施工全过程的动态行为，例如高压旋喷装备的旋喷作业过程、旋喷桩成桩过程、工程总体进度等，结合几何、物理模型形成对物理世界的初步映射，是赋予系统模型“动”起来的基础. 规则模型主要是对几何、物理、行为模型的参数进行约束，本研究根据国家标准规范对施工现场布置、旋喷施工过程等进行规范化约束，使工程项目符合国家标准.

模型建立流程如下：首先通过施工图纸将施工现场全要素进行几何模型建立，然后按照施工工艺将施工过程的物理信息进行参数化处理完成物理模型建立，之后将施工过程中所有可能发生的行为进行参数化处理，将旋喷桩成桩过程中土层变化转换成参数的变化完成行为模型的建立，最后根据国家标准规范将工程中的所有参数进行规范化处理完成规则模型的建立. 在模型完成后须将其融合，行为、规则模型势必会对物理模型参数进行约束与改变，这些参数的变化过程即是物理空间中施工的过程，通过Ansys软件对参数变化过程进行有限元分析后封装成文件，几何模型通过调用文件实现数据驱动的模型融合. 最后通过Unity 3D平台实现C/S架构，并将其开发场景打包至WebGL，实现B/S架构，完成对用户的展示，实现对物理空间工程施工全生命周期的模拟仿真.

数据孪生系统是以数据为驱动的数字化系统，通过实时数据对虚拟模型进行驱动控制，实现虚拟模型对施工现场的实时映射. 因此，数据的采集与处理至关重要. 物理空间实时数据采集与处理内容主要包括设备数据和施工数据，但不同设备的传输协议是不同的. 为了将施工过程中的多源异构数据实现归一化处理，采用开放连接性统一架构（open platform communications unified architecture，OPC UA）以及消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport，MQTT）架构实现数据采集与处理. OPC UA是标准化的通信协议，可实现跨平台、跨厂商通讯，且具有较高性能和可靠性，但其较复杂、资源消耗大，不适用于低功耗设备. MQTT是轻量级的通信协议，具有较高的灵活性，但其不适合大数据传输. OPC UA适合有一定规模的节点之间的通信，一般用于PLC之间的通信. MQTT协议简单，适合低带宽，低硬件资源的设备之间的通信，尤其适用于信道不稳定的情况. 因此，将两者结合更适合设备多且信道不稳定的施工现场通讯，数据传输过程如图5所示.

从数据采集、存储、访问服务和后台管理角度进行开发工作. 对于数据采集与存储，施工现场各设备的实时数据通过OPC UA协议从PLC读取，并根据相关协议解析与缓存数据，再通过MQTT协议调用服务端接口，将缓存的数据上传My SQL数据库. 同时，将系统运行状态实时同步到服务端. 对于访问服务，提供数据查询服务接口给数据管理后台，提供OPC UA和HTTP协议接口，满足第三方数据访问. 对于数据后台管理，基于web实现系统权限及数据管理功能，包括设备管理、权限控制、数据查询、设备监控. 通过连接并获取设备信息，并查询与显示设备信息及其状态实现设备管理. 针对设备的访问权限进行管理，下发用户权限等级及账户实现权限控制. 数据查询通过数据登记、数据导出实现对设备历史数据记录查询、曲线查询. 设备监控通过收集数据采集设备信息，实时监测其运行状态实现.

动态映射是系统构建的关键步骤，通过对数字孪生模型的参数进行预设实现动态映射. 将装备模型和施工状态进行参数化设置，通过现实施工状态数据采集传输至孪生模型，实现参数实时同步，根据参数调整模型位置状态更新. 同时，系统对实时数据与预设参数对比分析，若遇问题及时预警，协同现场施工人员调整施工现场各项参数，实现虚拟层与物理层的双向动态映射.

根据施工图纸和工艺试验数据主要对旋喷桩主机、旋喷桩、水泥料仓等进行参数预设. 其中，位置参数是核心，主要指施工区域各要素的经纬度和高度，通过将其转换为模型中的XYZ坐标实现旋喷桩施工位置、深度的映射. 映射机制如表1所示，旋喷桩主机按照其坐标和偏移量，动态判断超高压旋喷设备的位置，并且与系统预成桩模型对比，判断该桩是否施工，要求桩位精度偏差小于50 cm，若设备漏桩、重复位置或偏离预定位置，立即预警. 旋喷桩按照其成桩速度和时间，显示整个土层与旋喷状态，并显示相关数据，可根据其位置及其深度数据判断状态：待工、钻孔、喷浆、成桩. 水泥料仓按照水泥体积消耗速度计算和显示水泥罐中水泥的体积余量，水泥体积消耗速度先初始设定一个值，后面按照实时获取的水泥体积余量及其时间进行计算和刷新.

系统由客户端和后台数据管理系统2部分组成，以张靖皋长江大桥北航道桥南锚碇加固项目为例验证系统可行性. 项目地连墙基础加固面积为5944.7 m²，采用梅花形布置，最大加固深度为52.8 m. 高压喷射注浆加固桩共计2497根，其加固方量共计191659.3 m³.

系统客户端由3D仿真建筑施工过程以及可交互的3D动态桌面组成，界面如图6所示. 客户端可实现报警、视角切换、环境监测、设备监控、施工过程状态查询、工程总览、班组信息查看和三维设备交互等功能. 为了实现客户端人机交互和数据刷新，将主界面分为4个线程. 线程1为主线程，负责处理用户交互与按钮功能；线程2负责刷新设备的位置，间隔2 min刷新一次；线程3负责刷新项目进展、机号状态和环境信息，频率为1 min；线程4负责接受和显示服务端推送的警报信息.

在应用系统监控工程项目时，其运行流程如图7所示. 服务端启动数据实时接收服务，用户登录客户端，客户端显示登录界面，服务端提供接口，用户输入账号密码登录后，客户端从服务端获取模型设计位置加载和定位模型. 用户点击开始按钮，客户端开始运行并从服务端获取模型当前位置、状态和报警信息进行刷新. 用户双击模型图打开模型孪生界面，此时客户端从服务端获取模型当前状态进行刷新. 用户单击设备状态按钮，客户端从服务端获取所有设备的当前状态，并在列表中显示旋喷所有设备状态. 用户单击历史回放按钮，选择回放时间区间，客户端从服务端获取给定时间区间的模型位置和状态数据，根据数据刷新模型位置和状态.

数据管理系统用于管理施工现场及过程的全部数据，实现设备状态、设备管理、桩位状态、报告管理、数据查询、参数设置、班组管理和系统管理功能. 设备状态功能界面用于查看每个数据点的实时数据，包含查询及设置功能. 设备管理功能界面用于查看每个设备的信息，包含查询、新增、修改、删除功能. 桩位状态功能界面用于查看每个桩位的信息，包含查询、成桩报告功能. 报告管理功能界面用于查看报告的信息，包含查询、报告上传、下载、删除、详情功能. 数据查询功能界面用于查看每个数据点的历史信息，包含查询功能. 参数设置功能界面用于查看参数的信息，包含查询、新增、修改、删除功能. 班组管理功能界面用于查看班组人员的信息，包含查询、新增、修改、删除功能. 系统管理功能分为管理员列表、角色管理、菜单管理、定时任务、系统参数、文件上传和系统日志.

通过施工管理效率、监控数字化程度和桩基质量三方面对系统的应用效果进行评估. 首先，在传统地基加固施工现场，管理者无法对现场的全要素进行实时信息汇总，各要素之间容易出现信息孤岛. 数字孪生系统的应用使管理者通过客户端查看施工现场各要素的实时数据信息，如图7(a)、(c)、 (d)所示，通过数据反馈对现场施工做出及时调整. 其次，在传统地基加固施工中，地下作业不可见，一旦地下作业开始，无法观测到桩基成桩的全过程. 在数字孪生系统应用后，地下作业通过实时动态模型的形式直观展示出桩基成桩的全过程，如图7(b)所示，若成桩过程中出现桩径扩大的情况，模型实时模拟并报警，工程师可根据模型情况和参数变化及时调整相关参数. 最后，系统将施工过程参数和桩基检测数据通过大数据分析进行关联，以数据报表的形式报送进度图、材料消耗表、施工过程压力连续分布图等，并在后台管理系统中查询，通过数据反馈及时调整施工组织以确保桩基质量.

2024年1月10日，张靖皋长江大桥北航道桥南锚碇深层地基加固全部完成，总工期为254 d，与日本京都高速1号线深层地基加固项目相比，加固深度更深，工期更短. 经取芯验证，格栅加固区桩径≥1.85 m，满足设计不小于1.70 m的要求，满堂加固区完全咬合；90 d无侧限抗压平均强度≥5.6 MPa，满足不小于2.7 MPa的要求，变异系数<0.34；所有芯样渗透系数<0.5×10⁻⁶ cm/s，满足设计要求.

综上所述，深层地基加固施工数字孪生系统的应用在施工过程中提高了施工管理效率和监控数字化程度，在结果上缩短了工期，保证了桩基质量.

数字孪生技术作为当前信息技术的发展趋势之一，是实现智慧工地的关键技术，在数字孪生技术的支撑下，实现物理施工现场与虚拟施工现场的动态映射. 针对地基加固施工过程数字化程度低、管理难度大的问题，将数字孪生技术引入到地基加固过程中，开发了深层地基加固施工数字孪生系统. 该系统通过虚拟工地模型建立、数据采集与处理、动态映射等技术，实现了地基加固施工过程的动态监控，并将该数字孪生系统应用于张靖皋长江大桥北航道桥南锚碇深层地基加固项目中. 结果表明，采用该数字孪生系统解决了地下作业不可见、各生产要素之间容易产生信息孤岛和施工过程数字化程度低等问题，且完工后各项工程参数均符合设计要求，个别参数远超设计要求，显著提高了施工现场的透明度、实时性、交互性，缩短了工期，从而为施工企业、政府监管部门提供了数字化的施工现场监控管理解决方案，实现了工程可视化管理，提升了工程管理的数字化水平，改善了工程质量.

目前，深层地基加固施工场景下的数字孪生系统还处于发展阶段，该系统在模型层向物理层的反馈和响应层面上只实现了以警报和数据分析报告方式的反馈，缺乏控制系统对系统反馈做出响应. 在未来工作中，一方面开发控制系统，将系统与施工设备连接，根据系统反馈信息，各设备做出相应的响应；另一方面结合大数据分析和人工智能技术，实现对施工过程的动态优化和设备的预测性维护. 该系统的最终目的是实现对地基加固全生命周期的高度自动化、数字化的实时监控.