黃宗銳，潘永軍，周昭旭

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

在海洋地基處理工程技術(shù)領(lǐng)域，深層攪拌船（DCM船）利用水泥作為固化劑的主劑，通過處理機(jī)攪拌翼在海洋地基深部就地將軟土和固化劑強(qiáng)制拌和，使軟土硬結(jié)而提高地基強(qiáng)度[1]。DCM工法[2]廣泛應(yīng)用于海洋地基加固，具有工期短、地基強(qiáng)度高、綠色環(huán)保、施工質(zhì)量可靠的優(yōu)點(diǎn)[3]。隨著環(huán)保要求的提高，DCM工法已成為港口建設(shè)、海上機(jī)場(chǎng)、垃圾堆場(chǎng)和人工島嶼等設(shè)施地基處理的主要工法之一[4]。

DCM船是集錨泊定位、深層水泥漿攪拌、智能化施工管理、船舶自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)等技術(shù)于一體的高技術(shù)、高附加值的重大技術(shù)裝備[5]，到目前為止世界上的深層攪拌船主要集中在日本，韓國的深層攪拌船多為擠密砂樁船改造而成，施工能力及質(zhì)量和日本深層攪拌船有很大的差距，其它國家很少有深層攪拌船的運(yùn)用。日本此項(xiàng)技術(shù)由DCM研究會(huì)掌握，禁止對(duì)外公布。日前由中交疏浚集團(tuán)組織國內(nèi)有關(guān)單位聯(lián)合設(shè)計(jì)、建造的國內(nèi)首艘重型雙處理機(jī)DCM船已在香港機(jī)場(chǎng)三跑道項(xiàng)目中開始進(jìn)行施工應(yīng)用[6]。其中本文論述的新研發(fā)的智能化施工管理系統(tǒng)打破了日、韓等國在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。且日本的施工管理只能實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，施工過程仍需要大量人為干預(yù)，而本文論述的施工管理系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，還可以實(shí)現(xiàn)在施工過程中攪拌次數(shù)、噴漿流量和升降速度等關(guān)鍵參數(shù)的智能化自動(dòng)匹配。

1 研究背景

DCM船施工過程實(shí)際上就是使用攪拌翼將水泥漿和軟土強(qiáng)制拌和，因此水泥漿量和拌和的均勻程度直接關(guān)乎到攪拌樁的強(qiáng)度，單位長度的噴漿量由噴漿流量表示，而攪拌的均勻程度由攪拌次數(shù)決定，因此噴漿流量和攪拌次數(shù)就成為決定最后成樁質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。出于成本考慮，噴漿量也需達(dá)到施工工藝要求的最小水泥用量，注漿過程中不能有斷漿現(xiàn)象。攪拌次數(shù)越多，拌和越均勻，成樁質(zhì)量也越好，但施工時(shí)間也越長，效率不高。而處理機(jī)的升降速度又直接影響到施工效率，因此如何既保證成樁質(zhì)量，又提高施工效率，即智能化的自動(dòng)匹配施工過程中攪拌次數(shù)、噴漿流量和升降速度等關(guān)鍵參數(shù)就成為在工程實(shí)踐中探索的一個(gè)課題。為此，本文提出了自動(dòng)匹配控制技術(shù)。

2 自動(dòng)匹配控制技術(shù)

本文提出的自動(dòng)匹配控制技術(shù)包括攪拌次數(shù)與升降速度自動(dòng)匹配控制和噴漿流量與升降速度自動(dòng)匹配控制。

2.1 攪拌次數(shù)與升降速度自動(dòng)匹配控制

2.1.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

攪拌次數(shù)與升降速度自動(dòng)匹配控制的系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 攪拌次數(shù)與升降速度自動(dòng)匹配技術(shù)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram oftechnicalcontrolsystem for automatic matching ofstirring times and lifting speed

2.1.2 自動(dòng)匹配控制過程

在施工管理系統(tǒng)軟件中設(shè)置施工各階段的攪拌速度和處理機(jī)的升降速度。在攪拌翼自動(dòng)控制模式+處理機(jī)升降絞車自動(dòng)控制模式下，施工控制系統(tǒng)按照參數(shù)設(shè)置全自動(dòng)執(zhí)行。根據(jù)施工要求，單位長度的攪拌次數(shù)N≥Ns，其中Ns為施工要求設(shè)定值。而為樁的長度；R為攪拌翼轉(zhuǎn)速；V為絞車升降速度；n為攪拌翼個(gè)數(shù)，故拌翼攪拌速度或升降絞車速度異常時(shí)，自動(dòng)按照上述公式調(diào)整攪拌翼或升降絞車相應(yīng)命令，使攪拌次數(shù)滿足施工要求。當(dāng)攪拌翼旋轉(zhuǎn)速度和處理機(jī)升降絞車速度均與施工參數(shù)不一致時(shí)，優(yōu)先調(diào)整攪拌翼旋轉(zhuǎn)速度。攪拌翼自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)流程見圖2，絞車升降速度自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)流程見圖3。

圖2 攪拌次數(shù)自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)流程圖Fig.2 Flow chartofautomatic matching adjustment ofstirring times

圖3 絞車升降速度自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)流程圖Fig.3 Flow chart ofwinch lifting speed automatic matching adjustment

2.2 噴漿流量與升降速度自動(dòng)匹配控制

2.2.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

噴漿流量與升降速度自動(dòng)匹配控制的系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4所示。

圖4 噴漿流量與升降速度自動(dòng)匹配技術(shù)控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram oftechnicalcontrolsystem for automatic matching ofshotcrete flow rate and lifting speed

2.2.2 自動(dòng)匹配控制過程

每一根攪拌樁都有具體的噴漿量要求Ls和樁長D，故設(shè)定噴漿流量Fs為根據(jù)泥漿的轉(zhuǎn)速與流量的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系可以將噴漿流量換算成泥漿泵的轉(zhuǎn)速。在施工管理系統(tǒng)軟件中設(shè)置施工各階段的泥漿泵轉(zhuǎn)速和處理機(jī)的升降速度。在攪拌翼泥漿泵自動(dòng)控制模式+處理機(jī)升降絞車自動(dòng)控制模式下，施工控制系統(tǒng)按照參數(shù)設(shè)置全自動(dòng)執(zhí)行。由于施工要求噴漿流量需盡量穩(wěn)定，因此對(duì)泵速的調(diào)節(jié)采用位置式PID算法[7]控制。位置式PID算法[8]是數(shù)字PID的一種，其原理是將傳統(tǒng)模擬PID中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行離散化處理：以T作為采樣周期，k作為采樣序號(hào)，則離散時(shí)間kT近似連續(xù)時(shí)間t，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分，可以得到數(shù)字PID的表達(dá)式為：

式中：k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，…；Uk為第k次采樣的輸出值；ek為第k次采樣的輸入偏差值；ek-1為第k-1次采樣的輸入偏差值；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

在施工過程中，根據(jù)匹配算法換算出的泵轉(zhuǎn)速指令通過PID算法調(diào)節(jié)實(shí)際泵的轉(zhuǎn)速，PID的參數(shù)整定通過經(jīng)驗(yàn)法[9]調(diào)試確定，保證噴漿量滿足要求以此確保成樁質(zhì)量，確保軟基處理的效果。

3 調(diào)試和結(jié)果

本文提出的方法應(yīng)用于中交海建DCM船DCOC-1與DCOC-2，以下結(jié)合實(shí)船參數(shù)和試驗(yàn)樁的具體參數(shù)進(jìn)行說明。DCOC-1共有攪拌翼5個(gè)，試驗(yàn)樁樁長21 m，噴漿總量12 671.2 L，攪拌次數(shù)不低于450次/m。結(jié)合土質(zhì)情況和設(shè)備能力對(duì)攪拌樁每米的攪拌翼轉(zhuǎn)速和絞車升降速度進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置了420個(gè)采樣點(diǎn)（即20個(gè)/m），在施工過程得到的匹配關(guān)系曲線如圖5所示。根據(jù)樁長和噴漿總量經(jīng)過計(jì)算得到合適的噴漿流量，進(jìn)行設(shè)置后，在施工過程得到的匹配關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 攪拌翼轉(zhuǎn)速與升降速度自動(dòng)匹配曲線Fig.5 Automatic matching curve of the rotating speed of agitator wing and lifting speed

圖6 噴漿流量與升降速度自動(dòng)匹配曲線Fig.6 Automatic matching curve ofthe shotcrete flow rate and lifting speed

從圖中可以看出，在自動(dòng)匹配控制技術(shù)控制下，DCM船關(guān)鍵施工參數(shù)攪拌次數(shù)與升降速度、噴漿流量與升降速度均持續(xù)保持在理想的匹配狀態(tài)，滿足施工成樁要求。綜合總體施工數(shù)據(jù)，每根樁的施工時(shí)間相較于人工控制平均減少15 min。

4 結(jié)語

本文提出的自動(dòng)匹配控制技術(shù)可以在DCM船施工過程中智能化的自動(dòng)匹配攪拌次數(shù)、噴漿流量和升降速度等關(guān)鍵參數(shù)，既保證了施工質(zhì)量，又不降低施工效率。在DCOC-1及DCOC-2深層攪拌船上已經(jīng)成功應(yīng)用1 a多，在香港新機(jī)場(chǎng)三跑道項(xiàng)目中施工完成了數(shù)千根攪拌樁，從實(shí)際應(yīng)用的效果看，該控制技術(shù)不但有效而且十分穩(wěn)定。在以后DCM施工管理系統(tǒng)中可以進(jìn)一步的得到應(yīng)用和發(fā)展。