冼嘉和，吳曉鋒，王 沖

（中交第四航務(wù)工程局有限公司 廣州510290）

0 引言

DCM 法是二戰(zhàn)后美國(guó)一家公司率先研制并在陸上使用的加固地基方法。20 世紀(jì)50 年代日本引進(jìn)后，經(jīng)過(guò)20年改進(jìn)發(fā)展，20世紀(jì)70年代初開(kāi)始用于海上地基處理，目前在日本、芬蘭、北歐等地已廣泛應(yīng)用于海上工程［1，2］。中國(guó)于1977年從日本引進(jìn)水泥攪拌法加固軟基技術(shù)，起始主要應(yīng)用于陸上軟基處理。1987 年第一次將此技術(shù)應(yīng)用于天津港東突堤南北側(cè)碼頭的接岸結(jié)構(gòu)海上軟基處理工程之中［3］。工程實(shí)踐證明，水下深層水泥攪拌法能在短時(shí)間內(nèi)讓軟土地基獲得所需的地基強(qiáng)度，具有地基變形小、施工無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)［4］。但是早期的DCM 船舶主要依靠人工操作，信息化程度不高［5］。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，急需開(kāi)發(fā)一種自動(dòng)化甚至智能化的施工管理系統(tǒng)，解決DCM 施工過(guò)程中灌漿自動(dòng)化程度低、人工操作誤差大、發(fā)現(xiàn)處理問(wèn)題不及時(shí)等問(wèn)題［6-8］。

1 船舶概況

“四航固基”為中交四航局研制的水上DCM 船，船長(zhǎng)72 m，型寬30 m，型深4.8 m。為滿(mǎn)足工程需要，減小船舶吃水，選擇方形平底結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)平均吃水僅2.9 m，船舶尾部設(shè)置3 層甲板室。該船設(shè)置3臺(tái)大功率DCM 處理機(jī)位于船艏，樁基施工間距可在3.2～6.0 m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，每臺(tái)大功率DCM處理機(jī)由4根正方形布置的攪拌軸組成，直徑為1.3 m，每次處理平面面積為4.64 m2，水面下處理深度-38 m，能夠進(jìn)行手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)化3 種操作。該船舶還具有自動(dòng)調(diào)載系統(tǒng)，保證了船舶在一定的風(fēng)浪條件下能夠平穩(wěn)作業(yè)。同時(shí)，該船舶能夠自動(dòng)接收GPS 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，并且在鉆進(jìn)施工過(guò)程中可以自動(dòng)調(diào)整樁體垂直度。船舶結(jié)構(gòu)及設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 DCM船結(jié)構(gòu)及設(shè)備組成Fig.1 Structure and Equipment Composition of DCM Ship

2 DCM船施工管理系統(tǒng)

“DCM 船施工管理系統(tǒng)”是一個(gè)高度集成的操控系統(tǒng)，是DCM船的控制中心，系統(tǒng)主界面如圖2所示。

該系統(tǒng)包括“DCM 船施工定位子系統(tǒng)”和“DCM船施工控制子系統(tǒng)”2個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用工業(yè)電腦、PLC 為核心，施工數(shù)據(jù)及后臺(tái)制漿的運(yùn)行情況通過(guò)雙顯示器顯示。此外，它可記錄、保存工作中的數(shù)據(jù)，輸出工藝曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)表格，可供用戶(hù)分析DCM 樁的整個(gè)施工過(guò)程。具有DCM 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)存儲(chǔ)、平面定位實(shí)時(shí)顯示、施工過(guò)程參數(shù)設(shè)定及控制、施工過(guò)程數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、施工報(bào)表導(dǎo)出、數(shù)據(jù)WEB 傳輸?shù)裙δ?，可?shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息數(shù)據(jù)共享、聯(lián)動(dòng)控制等，安全、方便、可靠。

圖2 DCM船施工管理系統(tǒng)主界面Fig.2 DCM Ship Construction Management System Main Interface

表1 施工管理系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Construction Management System Parameter Setting

系統(tǒng)通電后，各子系統(tǒng)自檢并與施工管理系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)鏈接，操作人員可根據(jù)GPS 定位，將船移至樁位；自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)同時(shí)校正船體傾角。開(kāi)始打樁后，施工管理系統(tǒng)讀取并記錄GPS 樁位、海底泥面高程、潮位等信息，確定樁底后，系統(tǒng)根據(jù)鉆頭高程、時(shí)間判定不同階段切換，從而達(dá)到自動(dòng)化成樁，同時(shí)上位機(jī)計(jì)算樁底標(biāo)高，樁頂、樁長(zhǎng)度、預(yù)計(jì)漿量等，方便操作人員監(jiān)控操作，并歸檔電流、高程、噴漿量、噴水量等數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)束打樁后，操作人員可導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)以及上位機(jī)上的臨時(shí)數(shù)據(jù)到單樁報(bào)表中。施工管理系統(tǒng)主要控制參數(shù)設(shè)置如表1 所示，總體控制與管理流程如圖3所示。

2.1 DCM船施工定位子系統(tǒng)

針對(duì)復(fù)雜的海上環(huán)境，研制快速高效的DCM 船舶定位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)系泊絞車(chē)放長(zhǎng)或收縮錨纜來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶的移位，使DCM 攪拌軸的實(shí)際位置逐步趨近于設(shè)計(jì)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位偏差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的±0.1 m，使測(cè)量系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)有機(jī)融合，確保施工測(cè)量定位精度。并且可根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的樁位進(jìn)行自動(dòng)移樁，并以圖形的形式顯示，提高施工定位效率。

2.1.1 船舶定位系統(tǒng)

DCM 船上布置 4 臺(tái)徠卡 GS25 GPS 接收機(jī)（包含備用GPS），接收衛(wèi)星信號(hào)和差分信號(hào)，提供實(shí)時(shí)定位信息。在3 個(gè)DCM 樁架上各安裝 1 個(gè)GPS 傾斜儀，提供實(shí)時(shí)角度信息。設(shè)置好船舶坐標(biāo)系基礎(chǔ)參數(shù)，輸入DCM 樁設(shè)計(jì)坐標(biāo)，系統(tǒng)可計(jì)算得出實(shí)際位置與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的偏差值及方向。操作人員可以根據(jù)軟件的提示移動(dòng)船體，使攪拌軸的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置重合，達(dá)到定位目標(biāo)。

2.1.2 船舶移位系統(tǒng)

船位移位系統(tǒng)的移船絞車(chē)可以在機(jī)旁人工直接操縱，也可以在操縱室絞車(chē)控制臺(tái)遙控操縱。兼具手動(dòng)和自動(dòng)操作模式。手動(dòng)模式將船舶調(diào)整到接近目標(biāo)位置時(shí)，啟動(dòng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制模式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位。自動(dòng)控制模式下，控制系統(tǒng)根據(jù)施工過(guò)程的需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車(chē)剎車(chē)的自動(dòng)控制和絞車(chē)恒張力的自動(dòng)調(diào)整設(shè)置。

2.2 DCM船施工控制子系統(tǒng)

根據(jù)DCM施工工藝，將施工機(jī)械動(dòng)作與系統(tǒng)軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、半自動(dòng)控制，同時(shí)對(duì)主要施工參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和記錄，確保施工質(zhì)量。其中DCM 打樁系統(tǒng)可分手動(dòng)調(diào)試、半自動(dòng)、全自動(dòng)3 個(gè)可選操作模式。水泥漿制漿系統(tǒng)可分為手動(dòng)、全自動(dòng)2 個(gè)可選操作模式。

圖3 施工管理系統(tǒng)總體控制與管理流程Fig.3 Construction Management System Overall Control and Management Flow Chart

施工系統(tǒng)可預(yù)先根據(jù)各種要求的樁的施工參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)。完整的成樁過(guò)程的系統(tǒng)動(dòng)作包括攪拌翼旋轉(zhuǎn)、下沉/提升、固定管?chē)姖{口噴漿、攪拌翼噴漿口噴漿等［9］，不同階段都可以事先設(shè)定，自動(dòng)模式下可按照設(shè)定程序自行完成。攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速、下沉/提升速度可以根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)已滿(mǎn)足要求，也可以根據(jù)處理土每m3水泥用量來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)下沉/提升速度及噴漿量?？刂葡到y(tǒng)界面上會(huì)顯示處理機(jī)懸掛鋼絲繩張力，攪拌軸扭距及電流、電機(jī)功率等信息，如有異常會(huì)自動(dòng)報(bào)警提示，并設(shè)有緊急停止按鈕。

2.2.1 船舶自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)

船舶自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)主要組成部件如下：雙軸傾斜儀、閥控柜、液位采集單元、平衡艙壓力傳感器及四角吃水傳感器、泵控柜、操作控制臺(tái)、觸摸屏、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)調(diào)平軟件?？筛鶕?jù)縱、橫傾狀態(tài)遙控操縱平衡水泵及相應(yīng)系統(tǒng)中的閥門(mén)調(diào)整橫傾平衡艙、縱傾平衡艙等水位；根據(jù)船艏、船艉吃水，調(diào)整船舶壓載艙水位，調(diào)整船舶姿態(tài)滿(mǎn)足作業(yè)工況的要求。調(diào)載系統(tǒng)為手動(dòng)/自動(dòng)跟蹤調(diào)載，通過(guò)自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，結(jié)合傾斜儀反饋數(shù)據(jù)有效調(diào)整船體平衡，確保處理機(jī)的傾斜角度在±0.1°。

2.2.2 DCM處理機(jī)控制系統(tǒng)

DCM 處理機(jī)采用變頻起動(dòng)控制，由水泥深層攪拌控制系統(tǒng)配套，并能在水泥深層攪拌控制臺(tái)控制。深度計(jì)可以獲得鉆頭與船舶甲板的深度，再結(jié)合實(shí)時(shí)的潮位及船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出鉆頭的高程，再由操縱室左右舷絞車(chē)控制臺(tái)集中控制處理機(jī)升降，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的鉆頭運(yùn)動(dòng)軌跡。

其操作過(guò)程為：在DCM 船移船到位后，移船控制系統(tǒng)發(fā)出移船到位的信號(hào)給施工管理系統(tǒng)，DCM處理機(jī)起升系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)施工管理系統(tǒng)設(shè)定好的貫入速度開(kāi)始放下處理機(jī)，處理機(jī)在進(jìn)入海水、進(jìn)入泥面初期、進(jìn)入泥面中期、觸底時(shí)等各個(gè)位置狀態(tài)對(duì)應(yīng)于不同的下降速度，在確認(rèn)鉆頭下貫到設(shè)計(jì)要求的土層標(biāo)高后，開(kāi)始噴漿上拔。上拔時(shí)，不同的高程位置也對(duì)應(yīng)于不同的上拔速度。另外，升降速度還將配合自動(dòng)調(diào)載系統(tǒng)進(jìn)行變化。

2.2.3 水泥漿制作及輸送系統(tǒng)

水泥漿制作及輸送系統(tǒng)包括水泥儲(chǔ)存罐、水泥漿主機(jī)、抗脈沖振動(dòng)壓力儲(chǔ)罐、灌漿泵和水增壓泵等，水泥漿主機(jī)由除塵器、物料秤、水泥漿攪拌桶，水泥漿儲(chǔ)存桶和空氣壓縮機(jī)等組成。施工管理系統(tǒng)與水泥漿處理系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)通訊，采集水泥、水、添加劑的稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，水泥漿儲(chǔ)料器物位，水泥、水、添加劑輸送電機(jī)，攪拌器的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信號(hào)。水泥漿和海水均可以通過(guò)灌漿泵進(jìn)行輸送，系統(tǒng)通過(guò)閥門(mén)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)不介質(zhì)的轉(zhuǎn)換。噴水和噴水泥漿的量按照預(yù)先設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行。

水泥漿制作系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)水、水泥、添加劑的定量投料，滿(mǎn)足施工配合比的要求，水泥漿的制作過(guò)程通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸反饋給施工管理系統(tǒng)。

2.2.4 施工監(jiān)視

施工監(jiān)視系統(tǒng)中包括水泥深層攪拌控制臺(tái)，該控制臺(tái)能夠顯示DCM 處理機(jī)樁架、處理機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)、鉆頭入泥深度、水泥艙、制漿機(jī)、輸漿泵等作業(yè)工況的相關(guān)參數(shù)，顯示相關(guān)作業(yè)流程。監(jiān)測(cè)噴漿壓力、累計(jì)流量、瞬時(shí)流量、水泥漿密度、每延m 土體的水泥噴漿量、攪拌頭貫入速度和提升速度、攪拌葉片旋轉(zhuǎn)速度、DCM處理機(jī)扭矩、電流、頻率、電壓、膠結(jié)材料類(lèi)型、組分、水灰比、土層面（海床面）標(biāo)高、DCM處理機(jī)鉆頭底端高程、攪拌樁嵌入土層的標(biāo)高范圍、各土層的標(biāo)高范圍、攪拌樁完成后終孔底標(biāo)高、DCM 處理機(jī)鉆桿的傾斜度、船舶中心點(diǎn)、DCM 處理機(jī)轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)；船舷標(biāo)高、樁架頂部標(biāo)高、土體的孔隙水壓力監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)潮位等參數(shù)。該系統(tǒng)配備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，可以將施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

3 結(jié)論

DCM船施工管理系統(tǒng)具有船舶平面定位與移船、船舶自動(dòng)調(diào)平、DCM 樁施工過(guò)程參數(shù)設(shè)定、施工過(guò)程控制及監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息數(shù)據(jù)共享、聯(lián)動(dòng)控制等，是DCM 船舶的關(guān)鍵技術(shù)之一。

該施工管理系統(tǒng)的應(yīng)用提高DCM 船的自動(dòng)化水平，既提高了施工工效，又提高了DCM 施工的質(zhì)量，在香港機(jī)場(chǎng)三跑道項(xiàng)目DCM 施工中產(chǎn)生了良好的效益。驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、測(cè)量精確度及抗干擾能力。隨著DCM 工藝研究的深入和施工經(jīng)驗(yàn)的積累，施工管理系統(tǒng)也將結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)等先進(jìn)技術(shù)，變得更加高度自動(dòng)化、智能化。