深層攪拌船施工管理系統(tǒng)在施工中的應用

高光輝，張連昊

（中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

0 引言

隨著港口建設規(guī)模的擴大，軟土地基處理成為工程中經常遇到的重大技術課題。過去，對較厚的軟土地基經常采用樁基結構，當軟土土層較薄時則常采用置換法，即“大挖大填”。但是當軟土土層“不薄不厚”時，若采用樁基則樁基入土深度不夠；采用置換法，則往往因軟土層太厚致使工程造價倍增。針對這類地基，近年來，重點探索了排水砂井加荷固結法和深層水泥拌和加固法[1]，有效地解決了這一難題。深層水泥拌和法[2]（DCM工法—Deep Cement Mixing Method）施工方法是通過處理機自身重力不斷向下攪拌，當觸及到地基強度高的地層后，繼續(xù)下鉆一定深度，確保地基穩(wěn)固后處理機開始提升回一定高度，再次下降至樁端，同時從下部噴漿口不斷噴出按一定配比攪拌好的水泥漿，通過攪拌翼的攪拌和海底砂土混合均勻，到達樁端后再次提升，同時上部噴漿口噴漿，形成一個個的加固樁，不斷循環(huán)往復施工可以形成海底連續(xù)墻及海底加固樁等加固地基。海底地基改良的效果和沉樁質量有很大關系，沉樁質量不僅和水泥配比、水泥注入量的調節(jié)有關系，還和攪拌翼的攪拌次數(shù)以及成樁的垂直度有很大關系，而這些都通過施工管理系統(tǒng)控制解決。

1 設計背景

2016年8月1日啟動香港國際機場三跑道系統(tǒng)建造工程，工程區(qū)域圖如圖1所示。預計三跑道系統(tǒng)工程需時8 a，新跑道將于2022年啟用，而整項建造工程將于2024年完成。為保護環(huán)境，三跑道系統(tǒng)項目將使用深層水泥拌合法等免挖方法拓地。

圖1 香港國際機場三跑道改造工程圖Fig.1 Renovation project of the three runway at Hongkong International Airport

DCM技術在香港地區(qū)處理深海軟基尚屬首次。香港第三跑道項目中海床普遍存在成分復雜的污染質淤泥，為了更好地達到處理效果，研發(fā)了國內首艘重型雙處理機深層攪拌船[3]，如圖2，并根據施工技術要求開發(fā)研制了整套全自動施工管理系統(tǒng)。

圖2 重型雙處理機深層攪拌船F(xiàn)ig.2 Deep mixing ship with heavy double rigs

2 施工參數(shù)曲線設計

首先根據施工要求的水泥配合比，如表1所示（以下施工參數(shù)計算均以1 000 kPa強度，W/C=0.9為例），以及設備能力如表2所示，計算施工各個階段滿足要求的升降速度、處理機旋轉速度以及噴漿量。為了滿足如表1所示每米噴漿量要求，且達到良好的攪拌效果，每米的攪拌次數(shù)需在900次以上。由于攪拌翼最大轉速為60 r/min，為保護設備且達到最大工作能力，施工時旋轉速度保持

表1 不同成樁強度的水泥摻量Table 1 Cement content for different pilestrength

表2 設備能力Table2 Equipment capability

在50 r/min。4臺注漿泵總流量Q總=Q伊4=350伊4=1 400 L/min；為保證泵能力有余量，噴漿總流量控制在1 000 L/min以下，避免長期使用泵磨損后流量降低，影響正常施工。

2.1 下噴漿口噴漿階段驗證計算

假定處理機下噴漿下降速度V下=0.7 m/min；根據表1，持力層以下和軟土層水泥每米水泥摻量均為C=240 kg/m3，水灰比為0.9；處理面積S=4.627 7 m2（設備處理能力，固定值），水泥比重ρ水泥=3.15 g/cm3，海水比重 ρ海水=1.025 g/cm3。

下噴漿口噴漿流量929.5 L/min<1 000 L/min，滿足泵使用要求。

攪拌站制漿能力為：

綜上所述，下降噴漿過程下降速度設定為0.7 m/min，噴漿量為929.5 L/min，滿足施工要求及設備能力。

2.2 上噴漿口噴漿階段驗證計算

由于上噴漿口噴漿時攪拌次數(shù)限制，所以提升速度計算如下：

提升速度設定為0.33 m/min，所以：

且q總>QC上，綜上計算，上升噴漿過程提升速度0.33 m/min，噴漿量438.2 L/min，滿足施工要求及設備能力。

根據以上計算，設計施工曲線如圖3所示。

圖3 施工設計曲線Fig.3 Design curve of construction

3 施工管理系統(tǒng)簡介

3.1 參數(shù)設定

根據不同施工樁位深度及水泥摻量要求設計不同施工曲線，在控制臺上位機中設置施工相關參數(shù)，以適應各種不同工況。

3.2 船舶調傾定位

各參數(shù)設置完成后，當船舶橫縱傾大于0.08毅時，利用自動調傾系統(tǒng)，將船舶橫縱傾自動調整到0.03毅傾斜范圍內，在處理機下鉆過程到達泥面以下之前，自動調傾系統(tǒng)一直處于內循環(huán)狀態(tài)，當船舶傾斜大于0.08毅后，調傾系統(tǒng)自動工作，使船舶橫縱傾調整到0.03毅，確保處理機鉆入泥面前船舶始終處于平浮狀態(tài)；調傾結束后進行自動移船定位，當船舶距離目標樁位10 m，角度在依10毅范圍內時，啟動自動移船，使船的定位精度控制在依0.1 m，角度在依0.2毅以內，以上兩個系統(tǒng)均能夠采用一鍵自動模式，全自動完成調傾及移船定位[4]控制。高質量的定位精度及垂直度，使施工質量得以保證，更好的滿足施工要求。

3.3 施工控制系統(tǒng)

整個施工控制系統(tǒng)，對設備狀態(tài)、施工數(shù)據進行顯示，根據不同的施工階段對應相應語音播報提醒，并且對相應故障報警進行實時提醒。

整個施工過程可根據地質情況不同，可采用手動和自動兩種模式，手動控制模式，即根據施工設計曲線及控制界面參考數(shù)據操作相關設備，進行手動操作打樁；自動控制模式[5]，根據設置的相關數(shù)據，實現(xiàn)一鍵全自動打樁。

圖4為施工管理系統(tǒng)流程圖。

圖4 施工管理系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of construction management system

4 施工結果展示與分析

4.1 施工實時數(shù)據顯示

通過施工管理系統(tǒng)，施工過程中能實時顯示定位狀態(tài)、施工樁位以及施工相關主要數(shù)據的反饋曲線，直觀的三維實時顯示[6]功能，能反映已完成樁部分與未完成樁部分，并且在施工過程中能實時顯示處理機下放動態(tài)。

4.2 施工曲線報表

施工完成后，服務器自動記錄各項施工數(shù)據，施工曲線報表自動生成，直觀全面的記錄整根樁在打樁過程中各個系統(tǒng)反饋的實時數(shù)據，更直接的判斷成樁質量，曲線報表如圖5所示。

圖5 施工報表Fig.5 The report of construction

4.3 加固效果

通過測試28 d齡期的抗壓強度，經統(tǒng)計分析[7]，強度值95%分布在2～4 MPa之間，滿足設計要求。從取芯結果看，整根樁芯樣連續(xù)，自上而下水泥漿攪拌均勻。

5 結語

結合數(shù)據曲線報表以及取芯結果，通過施工管理系統(tǒng)設置的各項參數(shù)及施工流程滿足海底軟基加固的要求，達到了所需的強度，整個施工管理系統(tǒng)設計符合施工設計要求，移船定位精度滿足依0.1 m的要求，完成的深層水泥攪拌樁，成樁強度高，可滿足香港機場第三跑道的承載要求。

[1] 彭瑞.水泥深層攪拌技術的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國港灣建設，2009（2）：77-82.PENGRui.Status quo and trends of CDM technology[J].China Harbour Engineering,2009(2):77-82.

[2] 沿岸技術研究中心.海上施工中的深層攪拌法[M].修訂版.2008.Coastal Technical Research Center.Deep mixing method in the construction of sea[M].Revised ed.2008.

[3] 周駿，張新.重型雙處理機深層攪拌船[J].工程機械，2017，48（10）：6-12.ZHOUJun,ZHANGXin.Deep mixing ship with heavy double rigs[J].Construction Machinery and Equipment,2017,48(10):6-12.

[4]吳德淵援海上深層水泥拌和船自動定位測距與跟蹤的研制與開放[J]援港口工程，1994（2）：16-22.WU De-yuan.Development and opening of automatic positioning and trackingof deep sea cement mixingship[J].Harbour Engineer原ing,1994(2):16-22.

[5]中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司援耙吸挖泥船淺水拋泥自動控制系統(tǒng)：中國，ZL201520437070.3[P]：2015.CCCCNational Engineering Research Center of Dredging Technol原ogy and Equipment Co.,Ltd.Automatic control system of shallow water throwing mud for the trailing suction hopper dredger:China,ZL 2015 2 0437070.3[P].2015.

[6]中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司援絞吸挖泥船施工位置水下3D地形的制作系統(tǒng)：中國，ZL201520250240.7[P]：2015.CCCCNational Engineering Research Center of Dredging Technol原ogy and Equipment Co.,Ltd.Underwater 3D terrain making system for the construction position of the cutter suction dredger:China,ZL 2015 2 0250240.7[P].2015.

[7] PORBAHA A.Stateof the art in quality assessment of deep mixing technology[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers Ground Improvement.,2002,6(3):95-120.