双处理机海上深层搅拌（DCM）船施工控制技术

冯波，缪袁泉，陶润礼，仇文峰，倪璘罡，周雨淼

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 200128）

0 引言

DCM即Deep Cement Mixing缩写，也可称之为 CDM（Cement Deep Mixing）。所谓“深层”搅拌法是相对于“浅层”搅拌法而言的，一般是利用特制的搅拌机械在地基深处就地加固软土，无需将土挖出，加固深度通常超过5 m，目前海上最大的加固深度已达到60 m。DCM工法广泛应用于海洋地基加固，具有工期短、地基强度高、绿色环保、施工质量可靠的优点。随着环保要求的提高，DCM工法已成为港口建设、海上机场、垃圾堆场和人工岛屿等设施地基处理的主要工法之一，具有广泛的应用前景[1-4]。

目前，世界上只有日本拥有最先进的海上DCM设备，最大可做到8轴联动，一次性处理面积可接近7 m2，处理功效可达150 m3/h[1]。韩国有少量简易型产品，其关键技术由日本DCM协会管控，原则上不对DCM协会外的企业输出。为此，中交天和机械设备制造有限公司研发制造了国内首台重型双处理机深层搅拌船，中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司负责该船施工管理系统研发。该船采用重型四搅拌轴双处理机，处理面积为 4.64 m2，额定转矩4 250 kN·m，最大转速60 r/min，2台处理机可单独或同时施工[5]。

1 DCM法主要工艺流程与控制难点

1.1 DCM法主要工艺流程

DCM法示意如图1所示，即将水泥浆类硬化材料注入到软土地基内，与软基一起进行混合搅拌，达到稳定、高强度的处理效果[6]。置换后的地基因为荷载的变化很小，对于上部结构的影响也很小。与其他地基处理工法相比，DCM工法振动小，噪声低，置换效果见效快，能够大幅缩短工期；通过采用壁形、格子形置换形状，还能大幅降低成本[7]。

DCM施工工艺共有5个关键步骤，分别为下降、探底、置换、桩端处理、上拔喷浆与清洗。根据以上工艺流程，为方便控制系统编程，将其细分为共19个关键控制节点（图2）。处理机从水面以上下降至砂垫层顶面后，由于阻力与扭矩增大，开始减速下降直至穿透砂垫层。至软弱土层后加速下降至探底开始深度，连续3次探底确认后，继续贯入至设计深度后开始上拔，同时水泥浆开始灌入泥浆管置换清水。上拔至回打点后开始下降，至喷浆开始深度后搅拌翼开始喷浆并继续下降，至桩底后停止下降，并喷浆进行桩端加固。桩端加固达到设计喷浆量后，继续搅拌达到设定搅拌次数后开始上拔，至固定管喷浆开始深度后搅拌翼停止喷浆，同时固定管开始喷浆。接近桩顶时，泥浆泵停止供浆，开始用清水置换管路中的水泥浆，至软土层顶面时刚好置换完毕。上拔出砂垫层顶面后停止管路清洗，复位后用清水冲洗搅拌翼，回收并处理清洗尾水，至此单桩打设完毕。

图1 DCM施工工艺流程Fig.1 DCM construction process

图2 DCM施工控制关键节点Fig.2 Key node of DCM construction control

1.2 DCM法施工控制难点

香港机场第三跑道扩建工程的地基采用了水下深层水泥搅拌桩（DCM）的地基加固工艺，地基处理面积300万 m2，DCM 桩工程量155万 m3，单桩处理面积4.63 m2，处理深度约20 m。其DCM法施工技术要求详见表1。由表1可知，DCM法主要控制难点在于：

1）精度要求高。定位误差、桩底标高、搅拌翼转速与切土次数、喷浆量等精度要求均较高，控制难度大。

2）各参数匹配难度大。由于DCM桩施工精度要求较高，因此对设备的自动化程度要求也较高，在自动控制过程中，处理机升降速率、搅拌翼切土次数、喷浆量等参数必须精确匹配，否则桩体可能不合格，或者造成不必要的浪费。

3）双处理协同控制难度大。双处理机协同施工过程中，存在联动控制、手动与自动模式切换、相互干涉等问题，自动控制难度较大。

表1 DCM桩施工技术要求Table 1 Technical requirements for DCM pile construction

2 处理机升降、搅拌与喷浆联动控制

以香港机场第三跑道为例，DCM桩单位长度搅拌次数与喷浆量均有严格要求。喷浆量决定桩体的整体强度，搅拌次数决定加固土体与水泥浆的搅拌均匀程度，拌和不均可能导致桩体局部强度不足。因此，处理机升降速率、搅拌翼旋转速率与泥浆泵喷浆速率三者必须精确匹配。在双处理机DCM船施工管理系统中，分别采用以下方法进行联动控制。

指的是指法技巧在滑与涩表现上之难易。古琴最有特色的演奏技法之一就是走手音，其线型运行轨迹呈抛物线型，简洁而又弹性，同时使琴乐有线型之韵。走手音由实而虚的张力方向,造成超逸、脱俗之势,给人以趋于深远,使琴乐有飘逸之韵。这与老子的“大音希声”“天地有大美而不言”观点也有着相通之处，要求抚琴者要达到“忘我”的境界，忘记自我，与琴合为一物，在精神的无限超脱之中感悟宇宙的深邃广阔，体会生命的含义。

1）处理机升降控制

处理机升降速率过快可能导致喷浆量或搅拌次数不足，过慢则影响施工效率，或搅拌次数过多与喷浆量过大，造成浪费。

处理机升降手动控制模式下，若处理机升降速度过快，达不到喷浆量或搅拌次数要求时，若泥浆泵与搅拌翼处于手动模式，仍然按照手柄控制的升降速率升降，控制系统喷浆量与搅拌次数数值报警。若泥浆泵与搅拌翼处于自动控制模式，自动调整搅拌翼转速、泥浆泵喷浆速率与之同步。若无法同步，控制系统喷浆量、搅拌次数数值报警。

处理机升降自动控制模式下，按管理系统预设值进行升降速率控制，若处理机升降速度过快，喷浆量与搅拌次数达不到要求时，则降低升降速率，直至喷浆量与搅拌次数满足要求。

2）搅拌翼旋转控制

搅拌翼旋转手动控制模式下，搅拌次数达不到设定要求时，若升降卷扬机处于自动控制模式，则自动降低升降速率，以满足搅拌次数要求；若升降卷扬机处于手动控制模式，则控制系统搅拌次数数值报警。

搅拌翼旋转自动控制模式下，搅拌次数达不到设定要求时，若升降卷扬机处于自动模式，则升降暂停直至满足搅拌次数要求；若升降卷扬机处于手动模式，且处理机升降速度过快，达不到搅拌次数要求时，自动调整搅拌翼转速与之同步，仍无法同步，控制系统搅拌次数数值报警，本次打桩结束后搅拌翼转速恢复原设定值。

泥浆泵手动控制模式下，喷浆量达不到设定要求时，若升降卷扬机处于自动控制模式，则降低升降速率，以满足喷浆量要求；若升降卷扬机处于手动控制模式，则控制系统喷浆量数值报警。

泥浆泵自动控制模式下，喷浆量达不到设定要求时，若升降卷扬机处于自动模式，则降低升降速率，以满足喷浆量要求；若升降卷扬机处于手动模式，且处理机升降速度过快，达不到喷浆量要求时，自动调整喷浆速率与之同步，仍无法同步，控制系统喷浆量数值报警，本次打桩结束后喷浆量恢复原设定值。

若处理机升降速率过慢，则自动降低喷浆速率至刚好满足喷浆量要求，避免过量喷浆，本次打桩结束后喷浆量恢复原设定值。

3 双处理机协同控制

施工管理系统具有高度集成的特性，2台处理机可单独控制，也可协同控制。为方便单人操作，自动施工时2台处理机必须保证同步，且2台处理机同时受控于1号处理机控制装置或控制软件进行自动施工，协同控制逻辑见图3。1号处理机固定管泥浆泵、搅拌翼泥浆泵、搅拌翼、升降绞车相关控制按钮按下后，2号处理机自动执行相同动作，相关按钮同时点亮。若2号处理机相关按钮未同步点亮，则相关设备未备妥或故障，系统报警，故障排除后方可继续执行联动模式。

图3 双处理机系统控制逻辑Fig.3 Dual processor system control logic

协同控制主要原则如下：

1）系统默认为联动模式，2台处理机均按1号处理机控制系统施工参数设定值或台柜上控制装置指令施工。

2）联动自动过程中，1号处理机任一子系统切换为手动模式时，则联动自动切换为联动手动，切换后的子系统读取手柄或按钮控制参数，自动平滑控制参数。

3）联动手动过程中，1号处理机处于手动模式的子系统切换为自动模式时，则联动手动切换为联动自动，切换后的子系统读取施工管理系统设定的控制参数，自动平滑数据。

4）联动过程中按下“单动”按钮，则转为单动模式，1号处理机对2号处理机控制解除，2号处理机读取自身控制系统施工参数设定值或台柜上控制装置指令，并由当前值平滑过渡到设定值，2台处理机各自独立操作。

5）单动模式施工过程中，不允许切换到联动模式。

4 结语

由中交天和机械设备制造有限公司自主研发制造的双处理机深层搅拌船于 2017年3月底进入香港机场第三跑道项目区域开始施工，该船施工效果良好，最多一天完成DCM桩9组（18根）。在实际施工过程中，施工管理系统运行稳定，实现了双处理机单人操作，与现有DCM船施工管理系统相比，提高了效率，节约了成本，充分证明了该系统的先进性。