深層攪拌船施工管理系統(tǒng)在施工中的應(yīng)用

高光輝，張連昊

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

0 引言

隨著港口建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，軟土地基處理成為工程中經(jīng)常遇到的重大技術(shù)課題。過去，對較厚的軟土地基經(jīng)常采用樁基結(jié)構(gòu)，當(dāng)軟土土層較薄時則常采用置換法，即“大挖大填”。但是當(dāng)軟土土層“不薄不厚”時，若采用樁基則樁基入土深度不夠；采用置換法，則往往因軟土層太厚致使工程造價倍增。針對這類地基，近年來，重點(diǎn)探索了排水砂井加荷固結(jié)法和深層水泥拌和加固法[1]，有效地解決了這一難題。深層水泥拌和法[2]（DCM工法—Deep Cement Mixing Method）施工方法是通過處理機(jī)自身重力不斷向下攪拌，當(dāng)觸及到地基強(qiáng)度高的地層后，繼續(xù)下鉆一定深度，確保地基穩(wěn)固后處理機(jī)開始提升回一定高度，再次下降至樁端，同時從下部噴漿口不斷噴出按一定配比攪拌好的水泥漿，通過攪拌翼的攪拌和海底砂土混合均勻，到達(dá)樁端后再次提升，同時上部噴漿口噴漿，形成一個個的加固樁，不斷循環(huán)往復(fù)施工可以形成海底連續(xù)墻及海底加固樁等加固地基。海底地基改良的效果和沉樁質(zhì)量有很大關(guān)系，沉樁質(zhì)量不僅和水泥配比、水泥注入量的調(diào)節(jié)有關(guān)系，還和攪拌翼的攪拌次數(shù)以及成樁的垂直度有很大關(guān)系，而這些都通過施工管理系統(tǒng)控制解決。

1 設(shè)計背景

2016年8月1日啟動香港國際機(jī)場三跑道系統(tǒng)建造工程，工程區(qū)域圖如圖1所示。預(yù)計三跑道系統(tǒng)工程需時8 a，新跑道將于2022年啟用，而整項(xiàng)建造工程將于2024年完成。為保護(hù)環(huán)境，三跑道系統(tǒng)項(xiàng)目將使用深層水泥拌合法等免挖方法拓地。

圖1 香港國際機(jī)場三跑道改造工程圖Fig.1 Renovation project of the three runway at Hongkong International Airport

DCM技術(shù)在香港地區(qū)處理深海軟基尚屬首次。香港第三跑道項(xiàng)目中海床普遍存在成分復(fù)雜的污染質(zhì)淤泥，為了更好地達(dá)到處理效果，研發(fā)了國內(nèi)首艘重型雙處理機(jī)深層攪拌船[3]，如圖2，并根據(jù)施工技術(shù)要求開發(fā)研制了整套全自動施工管理系統(tǒng)。

圖2 重型雙處理機(jī)深層攪拌船F(xiàn)ig.2 Deep mixing ship with heavy double rigs

2 施工參數(shù)曲線設(shè)計

首先根據(jù)施工要求的水泥配合比，如表1所示（以下施工參數(shù)計算均以1 000 kPa強(qiáng)度，W/C=0.9為例），以及設(shè)備能力如表2所示，計算施工各個階段滿足要求的升降速度、處理機(jī)旋轉(zhuǎn)速度以及噴漿量。為了滿足如表1所示每米噴漿量要求，且達(dá)到良好的攪拌效果，每米的攪拌次數(shù)需在900次以上。由于攪拌翼最大轉(zhuǎn)速為60 r/min，為保護(hù)設(shè)備且達(dá)到最大工作能力，施工時旋轉(zhuǎn)速度保持

表1 不同成樁強(qiáng)度的水泥摻量Table 1 Cement content for different pilestrength

表2 設(shè)備能力Table2 Equipment capability

在50 r/min。4臺注漿泵總流量Q總=Q伊4=350伊4=1 400 L/min；為保證泵能力有余量，噴漿總流量控制在1 000 L/min以下，避免長期使用泵磨損后流量降低，影響正常施工。

2.1 下噴漿口噴漿階段驗(yàn)證計算

假定處理機(jī)下噴漿下降速度V下=0.7 m/min；根據(jù)表1，持力層以下和軟土層水泥每米水泥摻量均為C=240 kg/m3，水灰比為0.9；處理面積S=4.627 7 m2（設(shè)備處理能力，固定值），水泥比重ρ水泥=3.15 g/cm3，海水比重 ρ海水=1.025 g/cm3。

下噴漿口噴漿流量929.5 L/min<1 000 L/min，滿足泵使用要求。

攪拌站制漿能力為：

綜上所述，下降噴漿過程下降速度設(shè)定為0.7 m/min，噴漿量為929.5 L/min，滿足施工要求及設(shè)備能力。

2.2 上噴漿口噴漿階段驗(yàn)證計算

由于上噴漿口噴漿時攪拌次數(shù)限制，所以提升速度計算如下：

提升速度設(shè)定為0.33 m/min，所以：

且q總>QC上，綜上計算，上升噴漿過程提升速度0.33 m/min，噴漿量438.2 L/min，滿足施工要求及設(shè)備能力。

根據(jù)以上計算，設(shè)計施工曲線如圖3所示。

圖3 施工設(shè)計曲線Fig.3 Design curve of construction

3 施工管理系統(tǒng)簡介

3.1 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)不同施工樁位深度及水泥摻量要求設(shè)計不同施工曲線，在控制臺上位機(jī)中設(shè)置施工相關(guān)參數(shù)，以適應(yīng)各種不同工況。

3.2 船舶調(diào)傾定位

各參數(shù)設(shè)置完成后，當(dāng)船舶橫縱傾大于0.08毅時，利用自動調(diào)傾系統(tǒng)，將船舶橫縱傾自動調(diào)整到0.03毅傾斜范圍內(nèi)，在處理機(jī)下鉆過程到達(dá)泥面以下之前，自動調(diào)傾系統(tǒng)一直處于內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，當(dāng)船舶傾斜大于0.08毅后，調(diào)傾系統(tǒng)自動工作，使船舶橫縱傾調(diào)整到0.03毅，確保處理機(jī)鉆入泥面前船舶始終處于平浮狀態(tài)；調(diào)傾結(jié)束后進(jìn)行自動移船定位，當(dāng)船舶距離目標(biāo)樁位10 m，角度在依10毅范圍內(nèi)時，啟動自動移船，使船的定位精度控制在依0.1 m，角度在依0.2毅以內(nèi)，以上兩個系統(tǒng)均能夠采用一鍵自動模式，全自動完成調(diào)傾及移船定位[4]控制。高質(zhì)量的定位精度及垂直度，使施工質(zhì)量得以保證，更好的滿足施工要求。

3.3 施工控制系統(tǒng)

整個施工控制系統(tǒng)，對設(shè)備狀態(tài)、施工數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，根據(jù)不同的施工階段對應(yīng)相應(yīng)語音播報提醒，并且對相應(yīng)故障報警進(jìn)行實(shí)時提醒。

整個施工過程可根據(jù)地質(zhì)情況不同，可采用手動和自動兩種模式，手動控制模式，即根據(jù)施工設(shè)計曲線及控制界面參考數(shù)據(jù)操作相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行手動操作打樁；自動控制模式[5]，根據(jù)設(shè)置的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一鍵全自動打樁。

圖4為施工管理系統(tǒng)流程圖。

圖4 施工管理系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of construction management system

4 施工結(jié)果展示與分析

4.1 施工實(shí)時數(shù)據(jù)顯示

通過施工管理系統(tǒng)，施工過程中能實(shí)時顯示定位狀態(tài)、施工樁位以及施工相關(guān)主要數(shù)據(jù)的反饋曲線，直觀的三維實(shí)時顯示[6]功能，能反映已完成樁部分與未完成樁部分，并且在施工過程中能實(shí)時顯示處理機(jī)下放動態(tài)。

4.2 施工曲線報表

施工完成后，服務(wù)器自動記錄各項(xiàng)施工數(shù)據(jù)，施工曲線報表自動生成，直觀全面的記錄整根樁在打樁過程中各個系統(tǒng)反饋的實(shí)時數(shù)據(jù)，更直接的判斷成樁質(zhì)量，曲線報表如圖5所示。

圖5 施工報表Fig.5 The report of construction

4.3 加固效果

通過測試28 d齡期的抗壓強(qiáng)度，經(jīng)統(tǒng)計分析[7]，強(qiáng)度值95%分布在2～4 MPa之間，滿足設(shè)計要求。從取芯結(jié)果看，整根樁芯樣連續(xù)，自上而下水泥漿攪拌均勻。

5 結(jié)語

結(jié)合數(shù)據(jù)曲線報表以及取芯結(jié)果，通過施工管理系統(tǒng)設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)及施工流程滿足海底軟基加固的要求，達(dá)到了所需的強(qiáng)度，整個施工管理系統(tǒng)設(shè)計符合施工設(shè)計要求，移船定位精度滿足依0.1 m的要求，完成的深層水泥攪拌樁，成樁強(qiáng)度高，可滿足香港機(jī)場第三跑道的承載要求。

[1] 彭瑞.水泥深層攪拌技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國港灣建設(shè)，2009（2）：77-82.PENGRui.Status quo and trends of CDM technology[J].China Harbour Engineering,2009(2):77-82.

[2] 沿岸技術(shù)研究中心.海上施工中的深層攪拌法[M].修訂版.2008.Coastal Technical Research Center.Deep mixing method in the construction of sea[M].Revised ed.2008.

[3] 周駿，張新.重型雙處理機(jī)深層攪拌船[J].工程機(jī)械，2017，48（10）：6-12.ZHOUJun,ZHANGXin.Deep mixing ship with heavy double rigs[J].Construction Machinery and Equipment,2017,48(10):6-12.

[4]吳德淵援海上深層水泥拌和船自動定位測距與跟蹤的研制與開放[J]援港口工程，1994（2）：16-22.WU De-yuan.Development and opening of automatic positioning and trackingof deep sea cement mixingship[J].Harbour Engineer原ing,1994(2):16-22.

[5]中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司援耙吸挖泥船淺水拋泥自動控制系統(tǒng)：中國，ZL201520437070.3[P]：2015.CCCCNational Engineering Research Center of Dredging Technol原ogy and Equipment Co.,Ltd.Automatic control system of shallow water throwing mud for the trailing suction hopper dredger:China,ZL 2015 2 0437070.3[P].2015.

[6]中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司援絞吸挖泥船施工位置水下3D地形的制作系統(tǒng)：中國，ZL201520250240.7[P]：2015.CCCCNational Engineering Research Center of Dredging Technol原ogy and Equipment Co.,Ltd.Underwater 3D terrain making system for the construction position of the cutter suction dredger:China,ZL 2015 2 0250240.7[P].2015.

[7] PORBAHA A.Stateof the art in quality assessment of deep mixing technology[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers Ground Improvement.,2002,6(3):95-120.