深層攪拌船水泥注漿系統研究及應用

張連昊，史志淳，王 濤

（中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

目前世界上現有的海洋工程地基處理技術主要有吹填、打樁、置換等工法。隨著經濟的發展，人們對生活質量和環保要求也越來越高，傳統吹填技術采用沙袋筑堤，易對水上環境及水上養殖業產生污染，采用樁基建造機場造價昂貴且不能完全滿足設計需要。日本、韓國等已普遍采用DCM工法作為海上垃圾堆場、海上機場、港口碼頭等基礎設施的建設。目前該技術主要由日本幾家公司掌握，韓國也掌握了簡易型的DCM技術，基于以上背景，制造我們自己的深層攪拌船對于我國海上DCM工法的發展具有十分重要的意義[1]。

深層水泥攪拌法——DCM工法（Deep Cement Mixing Method）是海底深層攪拌技術，其原理是將水泥和加固土體經物理化學反應對強度低、流動性強且松軟的地基進行加固。在施工過程中將水泥等固化劑注入海底軟土中，配合攪拌翼的攪拌作用使海底軟土與水泥等固化劑充分混合，形成具有良好的水穩定性且整體性比較強的地基整體，達到高強度的處理效果。其成樁強度可以達到1 400kN/m2，一次成樁面積在2.2～5.74m2，可連續成樁以滿足海上垃圾堆場等需要防滲漏的地基處理或高強度需求的地基處理；也可間斷成樁以滿足所需強度的地基處理。該方法具有工期短、地基強度高、綠色環保、經濟效益好、施工質量可靠等優點。

1 注漿系統簡介

水泥輸送系統共計18臺注漿泵（16用2備），每個處理機使用8臺，如圖1所示，正常施工時，根據噴漿口噴漿需求，打開相應的攪拌翼或固定管噴漿管上氣動球閥，根據施工噴漿噴水流量要求，注漿系統通過切換氣動球閥進行相應的噴漿噴水工作。

其操作顯示界面中實時顯示各個泵及閥的啟停狀態，以及實時顯示每個泵的電機轉速、流量以及壓力，更加直觀的反映其工作狀態。

圖1 水泥注漿系統控制界面圖

2 備用泵熱備份

當任意一臺泵出現故障時，由于水泥超過兩個小時就有凝結的可能，為了確保注漿管路里水泥不會凝結，2臺備用泵隨時可投入使用，只需更換備用泵進出口管路，操作界面中切換為備用泵，即可馬上替代故障泵，即保證了設備安全，又減少了設備故障對施工效率的影響。

從圖2可以看出，當16號泵出現故障后，在操作界面將其選擇“1#備用泵”，并更換好相關管路后，施工時備用泵代替16號泵進行注漿工作。

圖2 水泥注漿系統備用泵使用圖

3 PID控制研究

隨著施工過程的進行，注漿泵活塞軸套開始出現磨損，而且由于注漿泵吸口可通過顆粒只有8mm，施工過程中經常出現注漿泵實際流量達不到給定流量，當達不到設計要求的流量時，需實時手動調節給定流量，使每米噴漿量及噴漿總量滿足施工要求，這就嚴重影響施工質量及進度，而且手動調節過程中，需將泵的流量提高到設計流量以上，對施工成本造成一定浪費。為此在注漿泵的控制系統中增加了PID控制。

水泥輸送系統PID控制流程如下圖3所示。

在PID控制處理方法中，通過預先設置的設定值和從流量計中讀取的測定值計算出執行PID運算的控制值，將算出的控制值通過變頻器給定到外部輸出注漿泵。在順控程序中執行PID運算指令時，測定采樣周期并執行PID運算。在設置的各個采樣周期中執行PID運算指令的PID運算。以保持注漿泵穩定流速，從而保證注漿量。

圖3 PID控制流程圖

注漿泵單個泵最大流量為350L/min，當電機在低頻運行時頻率輸出比較不穩定，如此時仍使用PID調節，無論怎樣設置調節系數，均會出現調節不穩定情況。根據施工曲線在下鉆噴水過程中泵的流量會使用較低的50L/min，此時并不要求流量精度，只是為了便于處理機下鉆以及泥土的充分攪拌。如圖4所示，設置了PID開關信號M110.3，當流量低于60L/min時，關閉PID調節功能，當流量大于60L/min時，開啟PID調節功能，以滿足施工噴漿時穩定流量。

圖4 PID控制PLC相關程序

4 研究效果

增加PID控制后效果如圖5所示，每4臺泵的給定值相同，由圖可以看到每4臺注漿泵反饋流量基本相同，但電機轉速不完全相同。通過施工情況表明，注漿系統PID控制的優化，大大提高了施工質量，節約了施工成本。

圖5 PID控制輸送泵控制圖

5 結 論

通過研究及實際施工應用結論，本文研究的注漿系統備用泵熱備份功能，有效解決了注漿泵故障時長時間停工造成水泥凝固的問題，本文研究的注漿系統PID控制，從圖6注漿曲線可以看出，整個注漿過程流量穩定，注漿量滿足施工要求，從圖7可以看出完成的深層水泥攪拌樁整根樁自上而下水泥漿攪拌均勻，芯樣斷面也可看出水泥漿攪拌均勻。成樁強度高，可滿承載要求。

圖6 施工曲線報表

圖7 取芯結果