DCM 深層水泥拌合船舶發(fā)展及前景分析

鄒春曉，付院平

（中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

1 DCM 工藝簡介及海上應用

1.1 DCM 工藝概述

深層水泥拌合船簡稱DCM 船，是應用DCM工法將水泥漿注入軟土地基中，并在原位與軟土充分攪拌形成水泥土，水泥硬化后使土體得到加固的一種軟基改良施工船舶。

DCM 工法系日本在深層石灰拌合法的基礎上進行的研究，在日本應用非常廣泛，自投入使用以來，海上、陸上工程合計施工5 242 項，總處理土方量達8 419 萬m3，海上處理達3 542 萬m3。在地域分布上，根據(jù)日本DCM 研究會2019 年發(fā)布的DCM 項目地域分布圖可知，DCM 項目自北海道至沖繩遍布整個日本，其中沿海地區(qū)是DCM技術應用的重點區(qū)域，最多為東京，達1 842 萬m3，海外 DCM 達 318 萬 m3。

DCM 技術在工程領域的應用，根據(jù)土質分類有黏性土、砂性土、有機質土、黏性和砂性互層土等；根據(jù)土層深度分類有淺層土、深層土、超深超厚層土等；依據(jù)作用分類有提高地基承載力、減少地基沉降變形、提高結構整體穩(wěn)定性、防止砂性土液化、提高土體抗?jié)B能力、基坑護壁護底等，應用靈活多變，應用范圍持續(xù)擴大[1]。

DCM 處理技術的優(yōu)缺點如表1 所示。

表1 DCM 工藝優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of the DCM process

1.2 DCM 船舶應用領域

DCM 船舶目前已廣泛應用于海上軟基加固工程，如人工島海底地基加固、橋墩基礎地基加固、岸壁碼頭地基加固、護岸及防波堤地基的加固等諸多海上工程領域。具體應用包括沉箱基礎加固、拋石斜坡堤深厚淤泥層處理、鋼樁結構基礎加固、人工島中島隧結合部的處理、增大被動/減小主動土壓力、護底、護壁、防滲等工程項目[2]。

2 國內外DCM 船舶發(fā)展情況

2.1 國內DCM 船舶發(fā)展

國內DCM 工法在海上工程的應用，最早為1987 年天津港東突堤南側碼頭工程，首次采用深層水泥拌和法加固岸坡，由日本拌合船舶進行了施工。

國內第一艘DCM 船為1992 年利用自有打樁船“打樁5 號”改裝而成，該船通過引進日本關鍵設備并與國內有關單位協(xié)作研制了微波自動定位裝置，進行了接高樁架、更換主機、改進錨機等一系列改裝工作。在船體前上方設中控室，可對處理機的拌合過程逐次進行6 項參數(shù)（處理機貫入拔出速度、拌合頭轉速、鉆桿扭矩、拌合貫入深度、輸漿流量及鉆桿傾斜度）的控制和監(jiān)測，這些參數(shù)以模擬表和數(shù)字顯示，同時以筆式記錄儀記錄。1993 年該船進行了煙臺港西港池二期工程的基礎施工，之后重新改回打樁船[3-4]。

自1993 年以來，直至2015 年香港機場第三跑道擴建工程建設，國內一直沒有DCM 船舶，海上軟基處理主要依靠拋石、擠密砂樁等工藝。香港機場第三跑道擴建工程為國內首次大規(guī)模使用海上DCM 樁處理軟弱地基。為參與香港機場施工，投資引進、改造及建造了6 艘DCM 船舶，分別為一航津固1、砂樁2 號、砂樁6 號、四航固基、DCOC1、DCOC2[5]。船舶主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 國內DCM 船舶主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of DCM ships in China

2.2 國外DCM 船舶發(fā)展

國外擁有DCM 船舶的水工公司主要集中在日本，其次是韓國。日本從事DCM 施工的企業(yè)有40 多家，擁有專用DCM 施工船舶60 余艘，主要大型水工公司為東亞建設工業(yè)、五洋建設、竹中土木和東洋建設等。韓國從事DCM 施工的企業(yè)主要為殷圣基礎建設株式會社等，擁有專用DCM 施工船舶10 余艘，絕大部分是由擠密砂樁船改造而成。

日本DCM 船舶最小的排水量約400 t，最大的排水量約6 400 t。小噸位船舶居多，大噸位船舶總計有十幾艘。近10 年來，日本新建了20 多艘DCM 專用船。日本無論新造還是利用其它船舶改造的DCM 船舶，都是加工制造DCM 處理機專用樁架和導架，處理機只有1 套。日本DCM 船舶技術比較成熟，可靠性較高。

日本DCM 船舶的來源主要有3 種：一是利用起重船改造，如CMC8 號；二是利用打樁船改造，如DCM8 號；三是專門為工程設計和建造，如DCM3 號，此類船舶處理機與船體、樁架、制供漿系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)匹配合理，處理能力強。改造的DCM 船處理機一般位于船首，可適應無障礙海區(qū)作業(yè)，也可適應在水下建筑物附近進行加固施工；專為軟基處理設計建造的DCM 船，處理機一般在船中，僅適應敞開水域大面積作業(yè)。

日本DCM 船舶按處理能力進行分類，處理能力指的是一次攪拌加固面積，分3 個等級：2.2 m2級、4.6 m2級、5.7 m2級。處理能力最強的DCM船舶一次處理面積高達5.7 m2，處理深度水面下70 m，每小時處理能力為80～150 m3。

東亞建設工業(yè)株式會社DCM7 號處理機采用8 個鉆頭，貫入能力強，自動化程度高，施工控制參數(shù)自動采集和處理，代表了日本DCM 船舶的綜合發(fā)展水平。主要技術參數(shù)如表3 所示。

表3 DCM 7 主要性能參數(shù)Table 3 Main performance parameters of DCM 7

韓國DCM 船主要由擠密砂樁船改造而成，保留利用原擠密砂樁船的導架、樁架和振動錘提升卷揚系統(tǒng)等，最大限度的降低了改造成本，也為將來恢復擠密砂樁船施工功能保留了條件。殷圣基礎建設改造的DCM 船擁有3 組DCM 處理機，最大一次處理面積可達9 m2，超過了日本的5.7 m2。韓國改造DCM 船舶的基本思路是保留砂樁船的樁架、導架、絞車及控制系統(tǒng)等部分，拆除供砂料斗、振動錘和砂樁管，將每套振動錘更換為1 套4 軸DCM 處理機；拆除供砂料艙和輸送皮帶機等部分，增加水泥艙、水泥輸送裝置、泥漿拌和裝置、泥漿泵、供水沖水裝置、DCM 控制系統(tǒng)等。韓國DCM 船改造最大程度上保留了擠密砂樁船的結構，大大降低了改造費用，但專業(yè)性較差。殷圣基礎建設改造的DCM 船主要設備及參數(shù)如表4所示。

表4 韓國改造DCM 船主要性能參數(shù)Table 4 The main performance parameters of DCM ships rebuilt in South Korea

3 DCM 船舶技術和裝備發(fā)展趨勢

3.1 向大型化發(fā)展趨勢

近40 年來，日本DCM 船舶技術發(fā)展的主線為提升處理能力，擴大應用范圍，逐步將處理深度提升到水面下70 m 或泥面下50 m，以解決海底超深、軟弱土層超厚的處理問題，而隨著處理機性能的提升，樁架高度、船舶尺寸必然向大型化發(fā)展。近年來日本仍在建造新的高性能DCM船，以適應不斷擴大的DCM 施工市場的需要。東亞建設工業(yè)新建造的黃鶴號DCM 船，船長已達70 m，船寬32 m，為目前日本最大尺寸DCM 船。

韓國及國內近幾年來新建、改造的DCM 船舶在船舶主尺度、處理機數(shù)量及處理能力方面均已超越日本，大部分船舶采用2 套或3 套處理機，處理面積及處理深度均已大幅提升[6]。

3.2 智能化發(fā)展趨勢

隨著信息技術的日益發(fā)展，越來越多的新型科學技術應用于DCM 船舶。為了快速、精確定位，所有DCM 船都配有GPS 定位系統(tǒng)，同時配有監(jiān)測、記錄和控制系統(tǒng)，以保證施工質量。DCM 船施工管理系統(tǒng)主要由GPS 定位系統(tǒng)、處理機控制系統(tǒng)、制供漿控制系統(tǒng)、CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等組成。

施工管理系統(tǒng)主要由中央計算機收集深度發(fā)信器、吃水計發(fā)信器、旋轉方向、電磁流量計、潮位計、注漿泵等設備的信號，經過計算，在工作界面顯示鉆頭深度（m）、鉆頭速度（m/min）、吃水（m）、水位（m）、旋轉速度（r/min）、旋轉方向（正/反）、瞬間流量（L/min）、累計流量（L）、水泥比重等相關數(shù)據(jù)，可對注漿流量控制、水泥配比等一系列工作進行自動化控制，實現(xiàn)對船舶施工的信息化管理[7]。

隨著自動化技術的日益發(fā)展，DCM 船舶的智能化程度得到了極大的提高。為降低勞動負荷，減少人員配置，保證施工精度，提高施工效率，DCM 船舶必將越來越智能化，目前中交一航局DCM 船舶在地質狀況良好的區(qū)域，已實現(xiàn)一鍵自動制樁。

3.3 功能多元化發(fā)展趨勢

之前改造的DCM 船未配備水泥艙、水泥輸送裝置、泥漿拌和機、泥漿攪拌器、泥漿泵等設備，只能進行單一的軟基處理作業(yè)，需要另外配套制漿船、水泥運輸船，而為香港機場改造的DCM 船集儲灰、制漿、拌合系統(tǒng)于一身，功能實現(xiàn)了多元化，能獨立完成海上施工作業(yè)。

為滿足更為苛刻的海上施工條件，提高作業(yè)效率，未來DCM 船舶不論是改造還是新建，都需要具備更完善的功能，功能多元化的發(fā)展也必將成為趨勢。

4 DCM 船舶的前景分析

4.1 市場前景分析

DCM 技術在日本已得到廣泛應用，其中沿海區(qū)域是DCM 技術應用的重點區(qū)域。在國內，由于水運行業(yè)的不斷發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，必將推動DCM 工法在軟基基礎施工領域的綻放。同時，國內水工工程建設市場總量較日本大得多，初步推算，DCM 工法平均加固土體量可達每年3 000 萬m3以上。截止2019 年年底，香港機場第三跑道擴建工程、深中通道人工島均采用了DCM技術進行海底軟基處理，處理面積約280 萬m2，平均處理深度約30 m，處理方量約8 400 萬m3，為DCM 工法的推廣應用提供了重大契機。

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，國內對海上環(huán)境污染控制嚴格的區(qū)域、傳統(tǒng)換填施工作業(yè)給海上養(yǎng)殖業(yè)帶來嚴重影響的海域以及挖泥棄土難的區(qū)域，以DCM 工法代替置換法施工已成為水工建設發(fā)展的趨勢。同時采用DCM 工法也可以有效解決防波堤、管道、涵洞等地基處理問題。

4.2 經濟性分析

國外許多DCM 船舶通過現(xiàn)有船舶進行改造，具有良好的經濟性，現(xiàn)階段國內起重船、打樁船、砂樁船等船舶閑置率較高，可借鑒國外經驗進行相關改造。目前國內船廠任務不飽和，鋼材價格相對較低，DCM 船無論是利用現(xiàn)有起重船、打樁船及擠密砂樁船進行改造，還是新建，成本費用都能得到良好的控制。

DCM 船舶的關鍵設備為處理機系統(tǒng)，核心技術為施工管理系統(tǒng)，日本經過多年的發(fā)展應用，具有成熟的設備和技術，但日本DCM 管理協(xié)會對其進行了行業(yè)技術封鎖，購置成本極高。目前國內陸用DCM 處理機在借鑒日本技術的基礎上得到了極大的發(fā)展，相關廠家也具有較高的技術研發(fā)能力，4 軸式處理機已裝船使用，且已開發(fā)出自主的施工管理控制系統(tǒng)，打破了日本封鎖，能夠有效降低船舶建造及改造費用。

5 展望

從1973 年到2019 年40 多年來，日本采用DCM 技術加固土體得到了大量運用，1977 年到1986 年是起步期10 年，年均加固土體約100 萬m3；1987 年到1996 年是發(fā)展的10 年，每年加固土體的工程量由100 萬m3上升到約330 萬m3，增加了230%；1996 年后進入穩(wěn)定發(fā)展期，年均加固土體300 多萬m3，其中2003 年創(chuàng)出歷史高點，當年加固土體的工程量為395 萬m3。這些數(shù)據(jù)表明DCM 技術在日本的應用規(guī)模較大，應用前景及發(fā)展趨勢良好。

我國DCM 技術在陸上使用已有40 多年的歷史，但在海上工程的應用極少，近年來，隨著對海上工程環(huán)保、工后防沉降、防滲漏要求的不斷提高，從業(yè)主、設計單位到施工單位對使用DCM船舶進行DCM 施工的要求越來越強，再加上日本在高水平應用DCM 工法方面的強烈示范作用，目前已逐步形成了應用DCM 工法、使用DCM 船舶的濃厚氛圍，隨著國內香港機場第三跑道擴建工程、深中通道等工程的大量應用，DCM 船舶應用已展現(xiàn)出非常光明的前景。