雙處理機(jī)海上深層攪拌（DCM）船施工控制技術(shù)

馮波，繆袁泉，陶潤禮，仇文峰，倪璘罡，周雨淼

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 200128）

0 引言

DCM即Deep Cement Mixing縮寫，也可稱之為 CDM（Cement Deep Mixing）。所謂“深層”攪拌法是相對(duì)于“淺層”攪拌法而言的，一般是利用特制的攪拌機(jī)械在地基深處就地加固軟土，無需將土挖出，加固深度通常超過5 m，目前海上最大的加固深度已達(dá)到60 m。DCM工法廣泛應(yīng)用于海洋地基加固，具有工期短、地基強(qiáng)度高、綠色環(huán)保、施工質(zhì)量可靠的優(yōu)點(diǎn)。隨著環(huán)保要求的提高，DCM工法已成為港口建設(shè)、海上機(jī)場(chǎng)、垃圾堆場(chǎng)和人工島嶼等設(shè)施地基處理的主要工法之一，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。

目前，世界上只有日本擁有最先進(jìn)的海上DCM設(shè)備，最大可做到8軸聯(lián)動(dòng)，一次性處理面積可接近7 m2，處理功效可達(dá)150 m3/h[1]。韓國有少量簡(jiǎn)易型產(chǎn)品，其關(guān)鍵技術(shù)由日本DCM協(xié)會(huì)管控，原則上不對(duì)DCM協(xié)會(huì)外的企業(yè)輸出。為此，中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司研發(fā)制造了國內(nèi)首臺(tái)重型雙處理機(jī)深層攪拌船，中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司負(fù)責(zé)該船施工管理系統(tǒng)研發(fā)。該船采用重型四攪拌軸雙處理機(jī)，處理面積為 4.64 m2，額定轉(zhuǎn)矩4 250 kN·m，最大轉(zhuǎn)速60 r/min，2臺(tái)處理機(jī)可單獨(dú)或同時(shí)施工[5]。

1 DCM法主要工藝流程與控制難點(diǎn)

1.1 DCM法主要工藝流程

DCM法示意如圖1所示，即將水泥漿類硬化材料注入到軟土地基內(nèi)，與軟基一起進(jìn)行混合攪拌，達(dá)到穩(wěn)定、高強(qiáng)度的處理效果[6]。置換后的地基因?yàn)楹奢d的變化很小，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的影響也很小。與其他地基處理工法相比，DCM工法振動(dòng)小，噪聲低，置換效果見效快，能夠大幅縮短工期；通過采用壁形、格子形置換形狀，還能大幅降低成本[7]。

DCM施工工藝共有5個(gè)關(guān)鍵步驟，分別為下降、探底、置換、樁端處理、上拔噴漿與清洗。根據(jù)以上工藝流程，為方便控制系統(tǒng)編程，將其細(xì)分為共19個(gè)關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)（圖2）。處理機(jī)從水面以上下降至砂墊層頂面后，由于阻力與扭矩增大，開始減速下降直至穿透砂墊層。至軟弱土層后加速下降至探底開始深度，連續(xù)3次探底確認(rèn)后，繼續(xù)貫入至設(shè)計(jì)深度后開始上拔，同時(shí)水泥漿開始灌入泥漿管置換清水。上拔至回打點(diǎn)后開始下降，至噴漿開始深度后攪拌翼開始噴漿并繼續(xù)下降，至樁底后停止下降，并噴漿進(jìn)行樁端加固。樁端加固達(dá)到設(shè)計(jì)噴漿量后，繼續(xù)攪拌達(dá)到設(shè)定攪拌次數(shù)后開始上拔，至固定管噴漿開始深度后攪拌翼停止噴漿，同時(shí)固定管開始噴漿。接近樁頂時(shí)，泥漿泵停止供漿，開始用清水置換管路中的水泥漿，至軟土層頂面時(shí)剛好置換完畢。上拔出砂墊層頂面后停止管路清洗，復(fù)位后用清水沖洗攪拌翼，回收并處理清洗尾水，至此單樁打設(shè)完畢。

圖1 DCM施工工藝流程Fig.1 DCM construction process

圖2 DCM施工控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)Fig.2 Key node of DCM construction control

1.2 DCM法施工控制難點(diǎn)

香港機(jī)場(chǎng)第三跑道擴(kuò)建工程的地基采用了水下深層水泥攪拌樁（DCM）的地基加固工藝，地基處理面積300萬 m2，DCM 樁工程量155萬 m3，單樁處理面積4.63 m2，處理深度約20 m。其DCM法施工技術(shù)要求詳見表1。由表1可知，DCM法主要控制難點(diǎn)在于：

1）精度要求高。定位誤差、樁底標(biāo)高、攪拌翼轉(zhuǎn)速與切土次數(shù)、噴漿量等精度要求均較高，控制難度大。

2）各參數(shù)匹配難度大。由于DCM樁施工精度要求較高，因此對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化程度要求也較高，在自動(dòng)控制過程中，處理機(jī)升降速率、攪拌翼切土次數(shù)、噴漿量等參數(shù)必須精確匹配，否則樁體可能不合格，或者造成不必要的浪費(fèi)。

3）雙處理協(xié)同控制難度大。雙處理機(jī)協(xié)同施工過程中，存在聯(lián)動(dòng)控制、手動(dòng)與自動(dòng)模式切換、相互干涉等問題，自動(dòng)控制難度較大。

表1 DCM樁施工技術(shù)要求Table 1 Technical requirements for DCM pile construction

2 處理機(jī)升降、攪拌與噴漿聯(lián)動(dòng)控制

以香港機(jī)場(chǎng)第三跑道為例，DCM樁單位長度攪拌次數(shù)與噴漿量均有嚴(yán)格要求。噴漿量決定樁體的整體強(qiáng)度，攪拌次數(shù)決定加固土體與水泥漿的攪拌均勻程度，拌和不均可能導(dǎo)致樁體局部強(qiáng)度不足。因此，處理機(jī)升降速率、攪拌翼旋轉(zhuǎn)速率與泥漿泵噴漿速率三者必須精確匹配。在雙處理機(jī)DCM船施工管理系統(tǒng)中，分別采用以下方法進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

指的是指法技巧在滑與澀表現(xiàn)上之難易。古琴最有特色的演奏技法之一就是走手音，其線型運(yùn)行軌跡呈拋物線型，簡(jiǎn)潔而又彈性，同時(shí)使琴樂有線型之韻。走手音由實(shí)而虛的張力方向,造成超逸、脫俗之勢(shì),給人以趨于深遠(yuǎn),使琴樂有飄逸之韻。這與老子的“大音希聲”“天地有大美而不言”觀點(diǎn)也有著相通之處，要求撫琴者要達(dá)到“忘我”的境界，忘記自我，與琴合為一物，在精神的無限超脫之中感悟宇宙的深邃廣闊，體會(huì)生命的含義。

1）處理機(jī)升降控制

處理機(jī)升降速率過快可能導(dǎo)致噴漿量或攪拌次數(shù)不足，過慢則影響施工效率，或攪拌次數(shù)過多與噴漿量過大，造成浪費(fèi)。

處理機(jī)升降手動(dòng)控制模式下，若處理機(jī)升降速度過快，達(dá)不到噴漿量或攪拌次數(shù)要求時(shí)，若泥漿泵與攪拌翼處于手動(dòng)模式，仍然按照手柄控制的升降速率升降，控制系統(tǒng)噴漿量與攪拌次數(shù)數(shù)值報(bào)警。若泥漿泵與攪拌翼處于自動(dòng)控制模式，自動(dòng)調(diào)整攪拌翼轉(zhuǎn)速、泥漿泵噴漿速率與之同步。若無法同步，控制系統(tǒng)噴漿量、攪拌次數(shù)數(shù)值報(bào)警。

處理機(jī)升降自動(dòng)控制模式下，按管理系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行升降速率控制，若處理機(jī)升降速度過快，噴漿量與攪拌次數(shù)達(dá)不到要求時(shí)，則降低升降速率，直至噴漿量與攪拌次數(shù)滿足要求。

2）攪拌翼旋轉(zhuǎn)控制

攪拌翼旋轉(zhuǎn)手動(dòng)控制模式下，攪拌次數(shù)達(dá)不到設(shè)定要求時(shí)，若升降卷揚(yáng)機(jī)處于自動(dòng)控制模式，則自動(dòng)降低升降速率，以滿足攪拌次數(shù)要求；若升降卷揚(yáng)機(jī)處于手動(dòng)控制模式，則控制系統(tǒng)攪拌次數(shù)數(shù)值報(bào)警。

攪拌翼旋轉(zhuǎn)自動(dòng)控制模式下，攪拌次數(shù)達(dá)不到設(shè)定要求時(shí)，若升降卷揚(yáng)機(jī)處于自動(dòng)模式，則升降暫停直至滿足攪拌次數(shù)要求；若升降卷揚(yáng)機(jī)處于手動(dòng)模式，且處理機(jī)升降速度過快，達(dá)不到攪拌次數(shù)要求時(shí)，自動(dòng)調(diào)整攪拌翼轉(zhuǎn)速與之同步，仍無法同步，控制系統(tǒng)攪拌次數(shù)數(shù)值報(bào)警，本次打樁結(jié)束后攪拌翼轉(zhuǎn)速恢復(fù)原設(shè)定值。

泥漿泵手動(dòng)控制模式下，噴漿量達(dá)不到設(shè)定要求時(shí)，若升降卷揚(yáng)機(jī)處于自動(dòng)控制模式，則降低升降速率，以滿足噴漿量要求；若升降卷揚(yáng)機(jī)處于手動(dòng)控制模式，則控制系統(tǒng)噴漿量數(shù)值報(bào)警。

泥漿泵自動(dòng)控制模式下，噴漿量達(dá)不到設(shè)定要求時(shí)，若升降卷揚(yáng)機(jī)處于自動(dòng)模式，則降低升降速率，以滿足噴漿量要求；若升降卷揚(yáng)機(jī)處于手動(dòng)模式，且處理機(jī)升降速度過快，達(dá)不到噴漿量要求時(shí)，自動(dòng)調(diào)整噴漿速率與之同步，仍無法同步，控制系統(tǒng)噴漿量數(shù)值報(bào)警，本次打樁結(jié)束后噴漿量恢復(fù)原設(shè)定值。

若處理機(jī)升降速率過慢，則自動(dòng)降低噴漿速率至剛好滿足噴漿量要求，避免過量噴漿，本次打樁結(jié)束后噴漿量恢復(fù)原設(shè)定值。

3 雙處理機(jī)協(xié)同控制

施工管理系統(tǒng)具有高度集成的特性，2臺(tái)處理機(jī)可單獨(dú)控制，也可協(xié)同控制。為方便單人操作，自動(dòng)施工時(shí)2臺(tái)處理機(jī)必須保證同步，且2臺(tái)處理機(jī)同時(shí)受控于1號(hào)處理機(jī)控制裝置或控制軟件進(jìn)行自動(dòng)施工，協(xié)同控制邏輯見圖3。1號(hào)處理機(jī)固定管泥漿泵、攪拌翼泥漿泵、攪拌翼、升降絞車相關(guān)控制按鈕按下后，2號(hào)處理機(jī)自動(dòng)執(zhí)行相同動(dòng)作，相關(guān)按鈕同時(shí)點(diǎn)亮。若2號(hào)處理機(jī)相關(guān)按鈕未同步點(diǎn)亮，則相關(guān)設(shè)備未備妥或故障，系統(tǒng)報(bào)警，故障排除后方可繼續(xù)執(zhí)行聯(lián)動(dòng)模式。

圖3 雙處理機(jī)系統(tǒng)控制邏輯Fig.3 Dual processor system control logic

協(xié)同控制主要原則如下：

1）系統(tǒng)默認(rèn)為聯(lián)動(dòng)模式，2臺(tái)處理機(jī)均按1號(hào)處理機(jī)控制系統(tǒng)施工參數(shù)設(shè)定值或臺(tái)柜上控制裝置指令施工。

2）聯(lián)動(dòng)自動(dòng)過程中，1號(hào)處理機(jī)任一子系統(tǒng)切換為手動(dòng)模式時(shí)，則聯(lián)動(dòng)自動(dòng)切換為聯(lián)動(dòng)手動(dòng)，切換后的子系統(tǒng)讀取手柄或按鈕控制參數(shù)，自動(dòng)平滑控制參數(shù)。

3）聯(lián)動(dòng)手動(dòng)過程中，1號(hào)處理機(jī)處于手動(dòng)模式的子系統(tǒng)切換為自動(dòng)模式時(shí)，則聯(lián)動(dòng)手動(dòng)切換為聯(lián)動(dòng)自動(dòng)，切換后的子系統(tǒng)讀取施工管理系統(tǒng)設(shè)定的控制參數(shù)，自動(dòng)平滑數(shù)據(jù)。

4）聯(lián)動(dòng)過程中按下“單動(dòng)”按鈕，則轉(zhuǎn)為單動(dòng)模式，1號(hào)處理機(jī)對(duì)2號(hào)處理機(jī)控制解除，2號(hào)處理機(jī)讀取自身控制系統(tǒng)施工參數(shù)設(shè)定值或臺(tái)柜上控制裝置指令，并由當(dāng)前值平滑過渡到設(shè)定值，2臺(tái)處理機(jī)各自獨(dú)立操作。

5）單動(dòng)模式施工過程中，不允許切換到聯(lián)動(dòng)模式。

4 結(jié)語

由中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司自主研發(fā)制造的雙處理機(jī)深層攪拌船于 2017年3月底進(jìn)入香港機(jī)場(chǎng)第三跑道項(xiàng)目區(qū)域開始施工，該船施工效果良好，最多一天完成DCM樁9組（18根）。在實(shí)際施工過程中，施工管理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了雙處理機(jī)單人操作，與現(xiàn)有DCM船施工管理系統(tǒng)相比，提高了效率，節(jié)約了成本，充分證明了該系統(tǒng)的先進(jìn)性。