深層水泥攪拌注漿量控制技術(shù)改進(jìn)及應(yīng)用

喬楊

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300456）

0 引言

DCM（深層水泥攪拌）是一種重要的地基處理工法，在日本應(yīng)用非常廣泛，在國內(nèi)天津港、煙臺港的碼頭建設(shè)中也曾試驗性地應(yīng)用過[1-2]。香港機(jī)場第三跑道擴(kuò)建工程是目前世界上應(yīng)用DCM工法的規(guī)模最大的項目，加固后的DCM體積約1 480萬m3。為滿足該項目要求，一航局將擠密砂樁船（砂樁2號）改造成DCM船（以下提及的砂樁2號，保留了船名，實際是DCM船）。在改造和試驗過程中，發(fā)現(xiàn)依據(jù)韓國經(jīng)驗設(shè)計的部分工藝方案不能滿足香港機(jī)場項目技術(shù)規(guī)格書的要求，注漿量控制方案就是其中之一。

DCM是原位土體與外加水泥拌和后，經(jīng)水化反應(yīng)、活化反應(yīng)形成的水泥土，因此準(zhǔn)確控制水泥的加入位置和加入量，是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵[2-3]。水泥是以水泥漿的形式通過泥漿泵連續(xù)注入到土體中的，質(zhì)量控制的關(guān)鍵就轉(zhuǎn)化成了對注漿流量、處理機(jī)提升/貫入速度以及兩者實時聯(lián)動關(guān)系的控制[4-7]。由于砂樁2號所使用的泥漿泵是軟管泵，輸出流量具有明顯的脈動特性，同時香港機(jī)場項目處于外海，施工作業(yè)工況較差，加之船上機(jī)電設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的電磁雜波對流量計測量數(shù)據(jù)的影響、控制系統(tǒng)PLC程序存在的缺陷等，導(dǎo)致實際注漿流量波動很大（流量低時超過50%），無法滿足質(zhì)量控制要求，不得不進(jìn)行改進(jìn)，并開展必要的試驗和驗證工作。

1 砂樁2號的注漿及控制系統(tǒng)

砂樁2號注漿及控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。水和水泥按設(shè)計的比例及控制精度稱重后投入到攪拌罐中，攪拌均勻后臨時存儲在體積較大的儲漿罐中（砂樁2號為10 m3）。按照工藝要求在處理機(jī)（噴漿口）到達(dá)指定位置時，啟動泥漿泵開始注漿。注漿流量由流量計在泥漿泵出口處檢測，然后反饋給PLC控制程序，經(jīng)PID處理，將調(diào)節(jié)信息發(fā)送到變頻器，調(diào)整泥漿泵電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)形成閉環(huán)控制，動態(tài)調(diào)整設(shè)定注漿流量和實際注漿流量之間的差值，以控制實際注漿流量在技術(shù)規(guī)格書許可的范圍內(nèi)波動。其中，流量的檢測與反饋、PID參數(shù)設(shè)定和如何克服外界擾動，是注漿流量控制的關(guān)鍵，也是本次砂樁2號改造及調(diào)試過程中遇到的主要問題。

圖1 砂樁2號的注漿及控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of the injection and control system of No.2 sand pile

2 設(shè)備選型及影響分析

砂樁2號注漿及控制系統(tǒng)的主要設(shè)備型號為：

泥漿泵：選用軟管泵bredel-80。

流量計：選用電磁流量計KOMETER KTM-800。

變頻器：選用SOHO15VD4Y。

2.1 泥漿泵選型的影響

砂樁2號泥漿泵選用的是軟管泵，不僅其脈動特性對注漿量控制有影響，其注漿能力和實際設(shè)定的注漿流量是否匹配，也是一個重要的影響因素。

軟管泵的工作原理是：轉(zhuǎn)輪循環(huán)壓縮泵管（軟管），將水泥漿連續(xù)擠壓出去。軟管泵的轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中，壓緊泵管和離開泵管是交替進(jìn)行的。轉(zhuǎn)輪離開泵管時，泵管會因為失去壓力而突然彈開，導(dǎo)致管內(nèi)水泥漿受到的壓縮推力突然消失，水泥漿會倒流進(jìn)入泵管彈開的空間內(nèi)，并引發(fā)“水錘”現(xiàn)象。由于脈動特性的存在，就每一次循環(huán)看，砂樁2號泥漿泵（軟管泵）的注漿流量是不穩(wěn)定的。

砂樁2號選用的bredel-80軟管泵的注漿能力為0~350 L/min，單位排量為11.7 L/rad，采用V/F頻率控制，通過頻率（轉(zhuǎn)速）大小控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)注漿流量的大小。額定頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)最為平穩(wěn)，即流量在150~200 L/min時，脈動特性較弱，瞬時流量控制相對準(zhǔn)確。低流量下運(yùn)轉(zhuǎn)，需要相應(yīng)降低頻率，與額定頻率相比降低越多，脈動特性增強(qiáng)也越明顯，瞬時流量的波動范圍會越來越大。砂樁2號注漿量控制方案改進(jìn)前的實測流量波動情況如表1所示，表中數(shù)據(jù)的泥漿泵為1號泵，日期為2017年1月12日。

表1 砂樁2號泥漿泵注漿流量統(tǒng)計表（改進(jìn)前）Table 1 The slurry injection data log of No.2 sand pile(Before improvement)

香港機(jī)場項目DCM施工工藝對注漿流量有兩個要求：一是注漿作業(yè)時流量的調(diào)節(jié)范圍在100~240 L/min之間；二是沖洗管路時流量的調(diào)節(jié)范圍在320~350 L/min之間，兩者相差太大。此外100~240 L/min的注漿作業(yè)流量調(diào)節(jié)范圍也偏大。總之大流量和小流量不能兩者兼顧，僅從泥漿泵的選型方面入手，很難解決問題。

2.2 流量計選型的影響

砂樁2號流量計選用的是KOMETER KTM-800電磁流量計。其工作原理是根據(jù)導(dǎo)電流體通過外加磁場時感生的電動勢來測量導(dǎo)電流體流量。選擇KOMETER KTM-800的主要原因是其最佳量程范圍正好覆蓋80~350 L/min。此外，砂樁2號科學(xué)排布了強(qiáng)弱電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)安排在船尾部分，不會對船體中部的注漿及控制系統(tǒng)儀表產(chǎn)生過大干擾。還在現(xiàn)場對電磁流量計專門做了接地處理。電磁干擾的影響降到了最低。

2.3 變頻器選型的影響

變頻器常見的控制方式有兩種，一種是V/F控制，一種是矢量控制。兩種控制方式的主要區(qū)別在于：1）控制精度，矢量控制是閉環(huán)控制，精度較高；V/F控制屬于開環(huán)控制，精度比矢量控制要低一些。2）低頻扭矩，負(fù)載慣性較大，需要長期低頻運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)選用矢量控制。砂樁2號的泥漿泵轉(zhuǎn)速控制精度要求高，且流量小于160 L/min時頻率小于10 Hz，即大多數(shù)情況下處于低頻運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此選用矢量控制的變頻器是合適的。但由于改造期間沒有考慮到這些問題，砂樁2號選用的是普通的V/F控制的變頻器。后續(xù)改進(jìn)工作也只能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3 注漿流量的PID控制

PID是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種控制方式，其作用是對控制變量進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，以減小實際輸出值與設(shè)定值的差異。PID在水運(yùn)工程中應(yīng)用不多，但為了滿足香港機(jī)場DCM施工控制要求，砂樁2號注漿流量采用了PLC中的PID模塊進(jìn)行控制?？刂屏鞒倘鐖D2所示。

圖2 注漿流量閉環(huán)控制流程圖Fig.2 The close-loop control flow chart of the slurry injection

3.1 PID控制原理

砂樁2號選擇了以PID參數(shù)整定為基礎(chǔ)的注漿流量調(diào)節(jié)方式，采用下述計算公式，利用比例、積分、微分計算出控制量。

式中：e（t）為誤差、控制器的輸入；u（t）為控制器的輸出；kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。其中e（t）可以看作目標(biāo)流量與當(dāng)前實際流量的差值，u（t）代表當(dāng)前實時流量值。通過整定kp、Ti、Td3個參數(shù)，實現(xiàn)通過實測值實時調(diào)整設(shè)定流量與實際輸出流量差值的目的。

3.2 PID具體實施方式及存在的問題

砂樁2號開始工作前，技術(shù)人員通過上位機(jī)設(shè)置不同施工階段注漿流量的設(shè)定值。注漿系統(tǒng)啟動后，PID也同步啟動，并實時比較設(shè)定流量值與實際流量值的差異，經(jīng)PID調(diào)節(jié)輸出控制信號，通過變頻器微調(diào)泥漿泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)注漿流量的實時調(diào)節(jié)。每臺泥漿泵都有3個整定參數(shù)，分別為kp、Ti、Td，通過人機(jī)交互界面的固定窗口，施工開始前由技術(shù)人員從上位機(jī)輸入。砂樁2號的人機(jī)交互界面PID設(shè)定窗口如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互界面PID設(shè)定窗口Fig.3 PID setting window of the MHI

由于泥漿泵性能存在一定差異，且管路長短不一、安裝位置不同，因此各條注漿管線適用的PID參數(shù)也不完全一致。砂樁2號所有的整定參數(shù)都是通過試湊法確定的，需要經(jīng)過一定時間的調(diào)試，才能達(dá)到比較理想的流量調(diào)節(jié)效果。

上述工作是在船廠完成的。進(jìn)行外海試驗時，發(fā)現(xiàn)注漿流量的控制效果仍然不能滿足要求，因此又根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行了控制方案的優(yōu)化。

4 注漿流量控制方案的進(jìn)一步優(yōu)化

外海試驗中，發(fā)現(xiàn)注漿流量的調(diào)節(jié)效果遠(yuǎn)不如在船廠船體穩(wěn)定時的狀態(tài)，具體體現(xiàn)在流量曲線動態(tài)誤差大、調(diào)節(jié)時間過長。除去泥漿泵、變頻器選型上的缺陷，分析原因有以下兩個方面：1）船體搖晃及處理機(jī)鉆入硬質(zhì)土層，對管路內(nèi)泥漿的輸送平穩(wěn)性及壓力產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致流量瞬時波動，產(chǎn)生了假的反饋輸入值；2）流量計反饋對PID調(diào)節(jié)造成的負(fù)面影響，主要表現(xiàn)在通訊問題引發(fā)的反饋延時、流量誤檢測數(shù)據(jù)的干擾等。

針對以上問題，結(jié)合系統(tǒng)本身的缺陷，研究人員對流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了兩方面優(yōu)化：1）流量計反饋值調(diào)整：通過流量計參數(shù)設(shè)置過濾了小流量下的流量值反饋；將流量反饋值進(jìn)行了平均處理，過濾了誤檢測的錯誤流量值，反饋值更加合理；2） 對PLC程序內(nèi)的PID子程序進(jìn)行優(yōu)化，為PID子程序設(shè)置固定掃描周期和調(diào)節(jié)死區(qū)，并優(yōu)化了控制邏輯。這樣就解決了船體搖晃、處理機(jī)鉆入硬質(zhì)土層壓力變化等引起的瞬時流量波動，以及通訊延時、誤檢測數(shù)據(jù)等對PID調(diào)節(jié)造成的負(fù)面影響。

PLC程序每個周期處理的梯級數(shù)量不固定，造成每次掃描執(zhí)行的時間也是不固定的。這樣采樣周期不一致，采樣就不精確，會干擾PID調(diào)節(jié)效果。因此研究人員為PID子程序設(shè)定了10 ms的固定掃描周期，并新增了相應(yīng)設(shè)定窗口。

針對PID調(diào)節(jié)中流量穩(wěn)態(tài)誤差大的情況，研究人員為PID設(shè)置了調(diào)節(jié)死區(qū)。死區(qū)是指系統(tǒng)允許的誤差值，當(dāng)誤差的絕對值小于設(shè)置的死區(qū)寬度時，死區(qū)的輸出值為0，系統(tǒng)不對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。誤差的絕對值大于設(shè)置的死區(qū)寬度時，死區(qū)的輸入、輸出為線性關(guān)系，按正常的PID規(guī)律控制。這樣就減小了PID在系統(tǒng)允許誤差內(nèi)過度頻繁的調(diào)節(jié)動作，使得注漿流量的穩(wěn)態(tài)誤差減小。

5 改進(jìn)效果

經(jīng)過近兩個月時間對砂樁2號注漿系統(tǒng)的改進(jìn)和調(diào)試，DCM注漿流量的控制效果顯著改善，如表2所示，表中數(shù)據(jù)的泥漿泵為1號泵，日期為2017年3月2日。

表2 砂樁2號泥漿泵注漿流量統(tǒng)計表（改進(jìn)后）Table 2 The slurry injection data log of No.2 sand pile(After improvement)

設(shè)定流量在160~200 L/min改進(jìn)效果最為理想，均值偏差小于0.5 L/min，波動范圍±2 L/min。其他各流量段也都有明顯改善，尤其是設(shè)定流量120 L/min時，均值偏差減小到了1.2 L/min，波動范圍減小到了±4 L/min，為順利實施香港機(jī)場DCM項目起到了非常關(guān)鍵的作用。

上述在香港機(jī)場項目針對DCM施工進(jìn)行的研究，由于是初次開展、被動進(jìn)行、時間受限，雖然達(dá)到了預(yù)期效果，也可為解決類似問題提供有益的借鑒。但由于泥漿泵、變頻器選型上的缺陷，從表2也可以看出仍然存在不完美的地方，比如設(shè)定流量在80 L/min時控制效果還不夠理想。在目前設(shè)備選型不變的情況下，研究人員認(rèn)為在設(shè)備硬件和控制系統(tǒng)方面也還有值得研究和改進(jìn)的地方，具備條件時將開展更深入的優(yōu)化工作。

6 結(jié)語

近年來，在水運(yùn)工程施工領(lǐng)域，中國集中引入了一批大型、專用施工裝備，除本文介紹的DCM外，還有擠密砂樁、大直徑鋼圓筒振沉、外海深水基床高精度整平、大型海底沉管浮運(yùn)安裝等，其共同特點是大量應(yīng)用工業(yè)自動化控制技術(shù)。在香港機(jī)場的DCM施工實踐表明，工業(yè)自動化控制已是水運(yùn)工程核心施工技術(shù)的重要載體，決定著整個項目的成敗，應(yīng)當(dāng)引起水運(yùn)工程界的高度重視。

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