深層水泥攪拌船攪拌翼設(shè)計(jì)與工效分析

張敬海，賀迎喜

（1.中交海洋建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，天津 300451；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

作為海上環(huán)保型地基處理工藝，深層水泥攪拌樁DCM 工藝在國(guó)內(nèi)具有較大的推廣前景。在香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程（簡(jiǎn)稱(chēng)香港三跑工程）實(shí)施過(guò)程中，中交海建新建兩艘大型海上專(zhuān)業(yè)水泥攪拌樁（DCM）施工船“DCOC-1”和“DCOC-2”用于海上DCM 樁施工，確保了項(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)工期。兩艘船舶規(guī)格一致，處理能力和設(shè)備性能相同。在此項(xiàng)目的實(shí)施期間，DCM 船充分發(fā)揮處理機(jī)攪拌能力強(qiáng)、水泥倉(cāng)噸位大、操作系統(tǒng)自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，在香港三跑工程中發(fā)揮了重要的作用。同時(shí)，項(xiàng)目和船舶管理人員在實(shí)踐中不斷總結(jié)、優(yōu)化，保障了船機(jī)軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)化和施工效率的提高。

1 工程背景

海上深層水泥攪拌（DCM）工藝作為免挖式的填海施工工藝，可有效增強(qiáng)海床以下軟弱污泥的強(qiáng)度，形成穩(wěn)固的復(fù)合地基，為上部海堤及填海拓地工程施工贏得寶貴的時(shí)間[1]。中交海建“DCOC-1/DCOC-2”專(zhuān)業(yè)施工船作為自動(dòng)化程度較高的施工船舶，其錨泊定位系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、輸漿系統(tǒng)、處理機(jī)貫入鉆進(jìn)、噴漿攪拌、上提攪拌成樁、處理機(jī)沖洗系統(tǒng)等均由中央控制系統(tǒng)下發(fā)指令完成。由于船舶為新建，國(guó)內(nèi)缺少類(lèi)似的大型海上DCM工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)參考，因此在項(xiàng)目實(shí)施前期，本著磨合船機(jī)設(shè)備、加強(qiáng)人員技能等原則，處理機(jī)選用3 層攪拌翼構(gòu)造，攪拌成樁[2]。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

重型DCM 船“DCOC-1/DCOC-2”單臺(tái)處理機(jī)配置160 kW 的ABB 變頻電機(jī)4 臺(tái)，轉(zhuǎn)速0～60 r/min，見(jiàn)圖1。通過(guò)施工時(shí)設(shè)定處理機(jī)轉(zhuǎn)速50 r/min 的反饋電流和扭矩來(lái)判斷，處理機(jī)功率余量較大。在無(wú)法提高轉(zhuǎn)速的情況下，通過(guò)增加攪拌葉片數(shù)量來(lái)提高貫入/提升速度以達(dá)到提高工效的方法，更為直接有效[3]。

圖1 DCM 船現(xiàn)場(chǎng)施工圖Fig.1 Site construction drawing of DCM vessel

1.2 參數(shù)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)規(guī)格書(shū)要求，DCM 船在香港三跑工程施工海域進(jìn)行海上DCM 樁施工時(shí)，處理樁體中每1 m 的土體攪拌次數(shù)不得低于900次（噴漿后）[4]。在處理土體中每1 m 的切削次數(shù)BRN 按公式（1）確定：

式中：∑M 為攪拌翼總數(shù)，片；Nu為下降攪拌時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min；Vu為貫入速度，m/min；Nd為提升攪拌時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min；Vd為提升速度，m/min。

1.3 分析改進(jìn)

3 層攪拌翼總長(zhǎng)度2100 mm，攪拌翼葉片分?jǐn)嚢枞~片2 層、掘進(jìn)葉片1 層（最下層），總計(jì)3層，見(jiàn)圖2。自下向上，相鄰每層掘進(jìn)葉片與攪拌葉片的間距為605 mm、550 mm、645 mm，葉片水平面夾角45°，厚度40 mm。如果直接在原長(zhǎng)度2100 mm 攪拌軸上等間距增加兩層攪拌葉片（間距2100/5=420 mm），會(huì)因葉片間距較小，在攪拌過(guò)程中發(fā)生葉片被黏土包裹，不易脫落，影響攪拌質(zhì)量[5]。處理機(jī)上噴漿口自攪拌軸連接法蘭向下探出長(zhǎng)度457 mm，大于葉片間距420 mm，不具操作性。

圖2 DCM 船3 層攪拌翼圖Fig.2 Mixing blade with 3 layers of DCM vessel

在綜合計(jì)算攪拌翼支點(diǎn)軸承的徑向力對(duì)軸承內(nèi)套的壓力，同時(shí)兼顧船舶滿載水泥，吃水增大時(shí)保證下噴漿口可提出水面的情形后，計(jì)劃將攪拌翼總長(zhǎng)增加到2525 mm，總計(jì)5 層。自下向上間距為400 mm、477.5 mm、477.5 mm、425 mm、445 mm。最上層的攪拌翼離連接法蘭距離為445 mm＜457 mm，通過(guò)將上噴漿口適當(dāng)提升120～150 mm 保證設(shè)備無(wú)碰撞隱患，見(jiàn)圖3。

圖3 DCM 船5 層攪拌翼圖Fig.3 Mixing blade with 5 layers DCM vessel

2 應(yīng)用成效

2.1 3 層攪拌翼工效

在3 層攪拌翼的工藝曲線作業(yè)條件下，以20 m（砂墊層1 m，淤泥層13 m，持力層6 m）的DCM樁為例，其有效作業(yè)時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 3 層攪拌翼工效表Table 1 Work efficiency of mixing blade with 3 layers

2.2 5 層攪拌翼工效

經(jīng)過(guò)改造后的5 層攪拌翼在工藝曲線作業(yè)條件下，以20 m（砂墊層1 m，淤泥層13 m，持力層6 m）的DCM 樁為例，其有效作業(yè)時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 5 層攪拌翼工效表Table 2 Work efficiency of mixing blade with 5 layers

2.3 對(duì)比分析

改造前后比較，發(fā)現(xiàn)單組成樁可節(jié)約用時(shí)約18 min，節(jié)約用時(shí)約15%。在增效的同時(shí)，成樁的質(zhì)量也得到提升。尤其是在海床下方廣泛分布硬質(zhì)黏土的區(qū)域，通過(guò)反饋的電流值和拉力值及時(shí)調(diào)控操作參數(shù)，可以更加合理有效地控制切削速度和攪拌速度[6]。由于切削角度的減小和攪拌翼層數(shù)的增多，海床土體的攪拌更加均勻，成樁的芯樣質(zhì)量也得到提高。

改造前：使用大角度、3 層攪拌翼的處理機(jī)施工的DCM 樁芯樣中有數(shù)量較多的未打散“泥包”，強(qiáng)度及完整度較差。改造后：使用小角度、5 層攪拌翼的處理機(jī)施工的DCM 樁芯樣攪拌均勻，強(qiáng)度及完整度較好。

2.4 分析結(jié)論

由于攪拌翼葉片增加了2 層，旋轉(zhuǎn)扭矩必將增大。為盡量減小扭矩，把上4 層攪拌葉片的傾斜角度由45°減小為20°，保持掘進(jìn)翼葉片的掘進(jìn)能水平夾角45°不變，這樣既保證了設(shè)備的掘進(jìn)效率，又通過(guò)減小攪拌層厚提高了攪拌質(zhì)量[7-8]。

3 結(jié)語(yǔ)

兩艘DCM 船“DCOC-1”和“DCOC-2”在香港三跑工程DCM 施工中整體表現(xiàn)優(yōu)異，成樁質(zhì)量高，環(huán)保工作及時(shí)到位，得到香港機(jī)管局的極大認(rèn)可。船舶的攪拌翼與攪拌軸通過(guò)法蘭連接，可根據(jù)不同工況、不同地質(zhì)進(jìn)行攪拌翼的替換、更新，適應(yīng)能力強(qiáng)，具有極大的實(shí)用和推廣前景。