DCM 深层水泥拌合船舶发展及前景分析

邹春晓，付院平

（中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

1 DCM 工艺简介及海上应用

1.1 DCM 工艺概述

深层水泥拌合船简称DCM 船，是应用DCM工法将水泥浆注入软土地基中，并在原位与软土充分搅拌形成水泥土，水泥硬化后使土体得到加固的一种软基改良施工船舶。

DCM 工法系日本在深层石灰拌合法的基础上进行的研究，在日本应用非常广泛，自投入使用以来，海上、陆上工程合计施工5 242 项，总处理土方量达8 419 万m3，海上处理达3 542 万m3。在地域分布上，根据日本DCM 研究会2019 年发布的DCM 项目地域分布图可知，DCM 项目自北海道至冲绳遍布整个日本，其中沿海地区是DCM技术应用的重点区域，最多为东京，达1 842 万m3，海外 DCM 达 318 万 m3。

DCM 技术在工程领域的应用，根据土质分类有黏性土、砂性土、有机质土、黏性和砂性互层土等；根据土层深度分类有浅层土、深层土、超深超厚层土等；依据作用分类有提高地基承载力、减少地基沉降变形、提高结构整体稳定性、防止砂性土液化、提高土体抗渗能力、基坑护壁护底等，应用灵活多变，应用范围持续扩大[1]。

DCM 处理技术的优缺点如表1 所示。

表1 DCM 工艺优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of the DCM process

1.2 DCM 船舶应用领域

DCM 船舶目前已广泛应用于海上软基加固工程，如人工岛海底地基加固、桥墩基础地基加固、岸壁码头地基加固、护岸及防波堤地基的加固等诸多海上工程领域。具体应用包括沉箱基础加固、抛石斜坡堤深厚淤泥层处理、钢桩结构基础加固、人工岛中岛隧结合部的处理、增大被动/减小主动土压力、护底、护壁、防渗等工程项目[2]。

2 国内外DCM 船舶发展情况

2.1 国内DCM 船舶发展

国内DCM 工法在海上工程的应用，最早为1987 年天津港东突堤南侧码头工程，首次采用深层水泥拌和法加固岸坡，由日本拌合船舶进行了施工。

国内第一艘DCM 船为1992 年利用自有打桩船“打桩5 号”改装而成，该船通过引进日本关键设备并与国内有关单位协作研制了微波自动定位装置，进行了接高桩架、更换主机、改进锚机等一系列改装工作。在船体前上方设中控室，可对处理机的拌合过程逐次进行6 项参数（处理机贯入拔出速度、拌合头转速、钻杆扭矩、拌合贯入深度、输浆流量及钻杆倾斜度）的控制和监测，这些参数以模拟表和数字显示，同时以笔式记录仪记录。1993 年该船进行了烟台港西港池二期工程的基础施工，之后重新改回打桩船[3-4]。

自1993 年以来，直至2015 年香港机场第三跑道扩建工程建设，国内一直没有DCM 船舶，海上软基处理主要依靠抛石、挤密砂桩等工艺。香港机场第三跑道扩建工程为国内首次大规模使用海上DCM 桩处理软弱地基。为参与香港机场施工，投资引进、改造及建造了6 艘DCM 船舶，分别为一航津固1、砂桩2 号、砂桩6 号、四航固基、DCOC1、DCOC2[5]。船舶主要性能参数如表2所示。

表2 国内DCM 船舶主要性能参数Table 2 Main performance parameters of DCM ships in China

2.2 国外DCM 船舶发展

国外拥有DCM 船舶的水工公司主要集中在日本，其次是韩国。日本从事DCM 施工的企业有40 多家，拥有专用DCM 施工船舶60 余艘，主要大型水工公司为东亚建设工业、五洋建设、竹中土木和东洋建设等。韩国从事DCM 施工的企业主要为殷圣基础建设株式会社等，拥有专用DCM 施工船舶10 余艘，绝大部分是由挤密砂桩船改造而成。

日本DCM 船舶最小的排水量约400 t，最大的排水量约6 400 t。小吨位船舶居多，大吨位船舶总计有十几艘。近10 年来，日本新建了20 多艘DCM 专用船。日本无论新造还是利用其它船舶改造的DCM 船舶，都是加工制造DCM 处理机专用桩架和导架，处理机只有1 套。日本DCM 船舶技术比较成熟，可靠性较高。

日本DCM 船舶的来源主要有3 种：一是利用起重船改造，如CMC8 号；二是利用打桩船改造，如DCM8 号；三是专门为工程设计和建造，如DCM3 号，此类船舶处理机与船体、桩架、制供浆系统和监控系统匹配合理，处理能力强。改造的DCM 船处理机一般位于船首，可适应无障碍海区作业，也可适应在水下建筑物附近进行加固施工；专为软基处理设计建造的DCM 船，处理机一般在船中，仅适应敞开水域大面积作业。

日本DCM 船舶按处理能力进行分类，处理能力指的是一次搅拌加固面积，分3 个等级：2.2 m2级、4.6 m2级、5.7 m2级。处理能力最强的DCM船舶一次处理面积高达5.7 m2，处理深度水面下70 m，每小时处理能力为80～150 m3。

东亚建设工业株式会社DCM7 号处理机采用8 个钻头，贯入能力强，自动化程度高，施工控制参数自动采集和处理，代表了日本DCM 船舶的综合发展水平。主要技术参数如表3 所示。

表3 DCM 7 主要性能参数Table 3 Main performance parameters of DCM 7

韩国DCM 船主要由挤密砂桩船改造而成，保留利用原挤密砂桩船的导架、桩架和振动锤提升卷扬系统等，最大限度的降低了改造成本，也为将来恢复挤密砂桩船施工功能保留了条件。殷圣基础建设改造的DCM 船拥有3 组DCM 处理机，最大一次处理面积可达9 m2，超过了日本的5.7 m2。韩国改造DCM 船舶的基本思路是保留砂桩船的桩架、导架、绞车及控制系统等部分，拆除供砂料斗、振动锤和砂桩管，将每套振动锤更换为1 套4 轴DCM 处理机；拆除供砂料舱和输送皮带机等部分，增加水泥舱、水泥输送装置、泥浆拌和装置、泥浆泵、供水冲水装置、DCM 控制系统等。韩国DCM 船改造最大程度上保留了挤密砂桩船的结构，大大降低了改造费用，但专业性较差。殷圣基础建设改造的DCM 船主要设备及参数如表4所示。

表4 韩国改造DCM 船主要性能参数Table 4 The main performance parameters of DCM ships rebuilt in South Korea

3 DCM 船舶技术和装备发展趋势

3.1 向大型化发展趋势

近40 年来，日本DCM 船舶技术发展的主线为提升处理能力，扩大应用范围，逐步将处理深度提升到水面下70 m 或泥面下50 m，以解决海底超深、软弱土层超厚的处理问题，而随着处理机性能的提升，桩架高度、船舶尺寸必然向大型化发展。近年来日本仍在建造新的高性能DCM船，以适应不断扩大的DCM 施工市场的需要。东亚建设工业新建造的黄鹤号DCM 船，船长已达70 m，船宽32 m，为目前日本最大尺寸DCM 船。

韩国及国内近几年来新建、改造的DCM 船舶在船舶主尺度、处理机数量及处理能力方面均已超越日本，大部分船舶采用2 套或3 套处理机，处理面积及处理深度均已大幅提升[6]。

3.2 智能化发展趋势

随着信息技术的日益发展，越来越多的新型科学技术应用于DCM 船舶。为了快速、精确定位，所有DCM 船都配有GPS 定位系统，同时配有监测、记录和控制系统，以保证施工质量。DCM 船施工管理系统主要由GPS 定位系统、处理机控制系统、制供浆控制系统、CCTV 监控系统、报警系统等组成。

施工管理系统主要由中央计算机收集深度发信器、吃水计发信器、旋转方向、电磁流量计、潮位计、注浆泵等设备的信号，经过计算，在工作界面显示钻头深度（m）、钻头速度（m/min）、吃水（m）、水位（m）、旋转速度（r/min）、旋转方向（正/反）、瞬间流量（L/min）、累计流量（L）、水泥比重等相关数据，可对注浆流量控制、水泥配比等一系列工作进行自动化控制，实现对船舶施工的信息化管理[7]。

随着自动化技术的日益发展，DCM 船舶的智能化程度得到了极大的提高。为降低劳动负荷，减少人员配置，保证施工精度，提高施工效率，DCM 船舶必将越来越智能化，目前中交一航局DCM 船舶在地质状况良好的区域，已实现一键自动制桩。

3.3 功能多元化发展趋势

之前改造的DCM 船未配备水泥舱、水泥输送装置、泥浆拌和机、泥浆搅拌器、泥浆泵等设备，只能进行单一的软基处理作业，需要另外配套制浆船、水泥运输船，而为香港机场改造的DCM 船集储灰、制浆、拌合系统于一身，功能实现了多元化，能独立完成海上施工作业。

为满足更为苛刻的海上施工条件，提高作业效率，未来DCM 船舶不论是改造还是新建，都需要具备更完善的功能，功能多元化的发展也必将成为趋势。

4 DCM 船舶的前景分析

4.1 市场前景分析

DCM 技术在日本已得到广泛应用，其中沿海区域是DCM 技术应用的重点区域。在国内，由于水运行业的不断发展和环保要求的不断提高，必将推动DCM 工法在软基基础施工领域的绽放。同时，国内水工工程建设市场总量较日本大得多，初步推算，DCM 工法平均加固土体量可达每年3 000 万m3以上。截止2019 年年底，香港机场第三跑道扩建工程、深中通道人工岛均采用了DCM技术进行海底软基处理，处理面积约280 万m2，平均处理深度约30 m，处理方量约8 400 万m3，为DCM 工法的推广应用提供了重大契机。

随着我国国民经济的快速发展、人民生活水平的不断提高，国内对海上环境污染控制严格的区域、传统换填施工作业给海上养殖业带来严重影响的海域以及挖泥弃土难的区域，以DCM 工法代替置换法施工已成为水工建设发展的趋势。同时采用DCM 工法也可以有效解决防波堤、管道、涵洞等地基处理问题。

4.2 经济性分析

国外许多DCM 船舶通过现有船舶进行改造，具有良好的经济性，现阶段国内起重船、打桩船、砂桩船等船舶闲置率较高，可借鉴国外经验进行相关改造。目前国内船厂任务不饱和，钢材价格相对较低，DCM 船无论是利用现有起重船、打桩船及挤密砂桩船进行改造，还是新建，成本费用都能得到良好的控制。

DCM 船舶的关键设备为处理机系统，核心技术为施工管理系统，日本经过多年的发展应用，具有成熟的设备和技术，但日本DCM 管理协会对其进行了行业技术封锁，购置成本极高。目前国内陆用DCM 处理机在借鉴日本技术的基础上得到了极大的发展，相关厂家也具有较高的技术研发能力，4 轴式处理机已装船使用，且已开发出自主的施工管理控制系统，打破了日本封锁，能够有效降低船舶建造及改造费用。

5 展望

从1973 年到2019 年40 多年来，日本采用DCM 技术加固土体得到了大量运用，1977 年到1986 年是起步期10 年，年均加固土体约100 万m3；1987 年到1996 年是发展的10 年，每年加固土体的工程量由100 万m3上升到约330 万m3，增加了230%；1996 年后进入稳定发展期，年均加固土体300 多万m3，其中2003 年创出历史高点，当年加固土体的工程量为395 万m3。这些数据表明DCM 技术在日本的应用规模较大，应用前景及发展趋势良好。

我国DCM 技术在陆上使用已有40 多年的历史，但在海上工程的应用极少，近年来，随着对海上工程环保、工后防沉降、防渗漏要求的不断提高，从业主、设计单位到施工单位对使用DCM船舶进行DCM 施工的要求越来越强，再加上日本在高水平应用DCM 工法方面的强烈示范作用，目前已逐步形成了应用DCM 工法、使用DCM 船舶的浓厚氛围，随着国内香港机场第三跑道扩建工程、深中通道等工程的大量应用，DCM 船舶应用已展现出非常光明的前景。