DCM船施工管理系統(tǒng)

冼嘉和，吳曉鋒，王 沖

（中交第四航務工程局有限公司 廣州510290）

0 引言

DCM 法是二戰(zhàn)后美國一家公司率先研制并在陸上使用的加固地基方法。20 世紀50 年代日本引進后，經過20年改進發(fā)展，20世紀70年代初開始用于海上地基處理，目前在日本、芬蘭、北歐等地已廣泛應用于海上工程［1，2］。中國于1977年從日本引進水泥攪拌法加固軟基技術，起始主要應用于陸上軟基處理。1987 年第一次將此技術應用于天津港東突堤南北側碼頭的接岸結構海上軟基處理工程之中［3］。工程實踐證明，水下深層水泥攪拌法能在短時間內讓軟土地基獲得所需的地基強度，具有地基變形小、施工無污染等諸多優(yōu)點［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)自動化技術以及計算機技術的發(fā)展，急需開發(fā)一種自動化甚至智能化的施工管理系統(tǒng)，解決DCM 施工過程中灌漿自動化程度低、人工操作誤差大、發(fā)現處理問題不及時等問題［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72 m，型寬30 m，型深4.8 m。為滿足工程需要，減小船舶吃水，選擇方形平底結構，設計平均吃水僅2.9 m，船舶尾部設置3 層甲板室。該船設置3臺大功率DCM 處理機位于船艏，樁基施工間距可在3.2～6.0 m范圍內調節(jié)，每臺大功率DCM處理機由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，能夠進行手動、半自動和自動化3 種操作。該船舶還具有自動調載系統(tǒng)，保證了船舶在一定的風浪條件下能夠平穩(wěn)作業(yè)。同時，該船舶能夠自動接收GPS 信號，實現精準定位，并且在鉆進施工過程中可以自動調整樁體垂直度。船舶結構及設備組成如圖1所示。

圖1 DCM船結構及設備組成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個子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用工業(yè)電腦、PLC 為核心，施工數據及后臺制漿的運行情況通過雙顯示器顯示。此外，它可記錄、保存工作中的數據，輸出工藝曲線和數據表格，可供用戶分析DCM 樁的整個施工過程。具有DCM 樁基設計參數存儲、平面定位實時顯示、施工過程參數設定及控制、施工過程數據儲存、施工報表導出、數據WEB 傳輸等功能，可實現對整個施工過程的監(jiān)測與控制，實現各個子系統(tǒng)之間的信息數據共享、聯動控制等，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)參數設置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)建立數據鏈接，操作人員可根據GPS 定位，將船移至樁位；自動調傾系統(tǒng)同時校正船體傾角。開始打樁后，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)根據鉆頭高程、時間判定不同階段切換，從而達到自動化成樁，同時上位機計算樁底標高，樁頂、樁長度、預計漿量等，方便操作人員監(jiān)控操作，并歸檔電流、高程、噴漿量、噴水量等數據到數據庫，結束打樁后，操作人員可導出數據庫數據以及上位機上的臨時數據到單樁報表中。施工管理系統(tǒng)主要控制參數設置如表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)

針對復雜的海上環(huán)境，研制快速高效的DCM 船舶定位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過系泊絞車放長或收縮錨纜來實現船舶的移位，使DCM 攪拌軸的實際位置逐步趨近于設計坐標，實現定位偏差滿足設計要求的±0.1 m，使測量系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)有機融合，確保施工測量定位精度。并且可根據預先規(guī)劃的樁位進行自動移樁，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 臺徠卡 GS25 GPS 接收機（包含備用GPS），接收衛(wèi)星信號和差分信號，提供實時定位信息。在3 個DCM 樁架上各安裝 1 個GPS 傾斜儀，提供實時角度信息。設置好船舶坐標系基礎參數，輸入DCM 樁設計坐標，系統(tǒng)可計算得出實際位置與設計坐標的偏差值及方向。操作人員可以根據軟件的提示移動船體，使攪拌軸的實際位置與設計位置重合，達到定位目標。

2.1.2 船舶移位系統(tǒng)

船位移位系統(tǒng)的移船絞車可以在機旁人工直接操縱，也可以在操縱室絞車控制臺遙控操縱。兼具手動和自動操作模式。手動模式將船舶調整到接近目標位置時，啟動遠程自動控制模式實現自動定位。自動控制模式下，控制系統(tǒng)根據施工過程的需要，實現對絞車剎車的自動控制和絞車恒張力的自動調整設置。

2.2 DCM船施工控制子系統(tǒng)

根據DCM施工工藝，將施工機械動作與系統(tǒng)軟件結合，實現自動、半自動控制，同時對主要施工參數進行監(jiān)控和記錄，確保施工質量。其中DCM 打樁系統(tǒng)可分手動調試、半自動、全自動3 個可選操作模式。水泥漿制漿系統(tǒng)可分為手動、全自動2 個可選操作模式。

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)可預先根據各種要求的樁的施工參數進行預設。完整的成樁過程的系統(tǒng)動作包括攪拌翼旋轉、下沉/提升、固定管噴漿口噴漿、攪拌翼噴漿口噴漿等［9］，不同階段都可以事先設定，自動模式下可按照設定程序自行完成。攪拌機的轉速、下沉/提升速度可以根據設定轉數進行自動調節(jié)已滿足要求，也可以根據處理土每m3水泥用量來自動調節(jié)下沉/提升速度及噴漿量?？刂葡到y(tǒng)界面上會顯示處理機懸掛鋼絲繩張力，攪拌軸扭距及電流、電機功率等信息，如有異常會自動報警提示，并設有緊急停止按鈕。

2.2.1 船舶自動調平系統(tǒng)

船舶自動調平系統(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、觸摸屏、計算機、自動調平軟件?？筛鶕v、橫傾狀態(tài)遙控操縱平衡水泵及相應系統(tǒng)中的閥門調整橫傾平衡艙、縱傾平衡艙等水位；根據船艏、船艉吃水，調整船舶壓載艙水位，調整船舶姿態(tài)滿足作業(yè)工況的要求。調載系統(tǒng)為手動/自動跟蹤調載，通過自動調傾系統(tǒng)的調節(jié)，結合傾斜儀反饋數據有效調整船體平衡，確保處理機的傾斜角度在±0.1°。

2.2.2 DCM處理機控制系統(tǒng)

DCM 處理機采用變頻起動控制，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控制。深度計可以獲得鉆頭與船舶甲板的深度，再結合實時的潮位及船舶吃水數據，可以準確地計算出鉆頭的高程，再由操縱室左右舷絞車控制臺集中控制處理機升降，可以實現預先設定的鉆頭運動軌跡。

其操作過程為：在DCM 船移船到位后，移船控制系統(tǒng)發(fā)出移船到位的信號給施工管理系統(tǒng)，DCM處理機起升系統(tǒng)將自動根據施工管理系統(tǒng)設定好的貫入速度開始放下處理機，處理機在進入海水、進入泥面初期、進入泥面中期、觸底時等各個位置狀態(tài)對應于不同的下降速度，在確認鉆頭下貫到設計要求的土層標高后，開始噴漿上拔。上拔時，不同的高程位置也對應于不同的上拔速度。另外，升降速度還將配合自動調載系統(tǒng)進行變化。

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)包括水泥儲存罐、水泥漿主機、抗脈沖振動壓力儲罐、灌漿泵和水增壓泵等，水泥漿主機由除塵器、物料秤、水泥漿攪拌桶，水泥漿儲存桶和空氣壓縮機等組成。施工管理系統(tǒng)與水泥漿處理系統(tǒng)通過以太網通訊，采集水泥、水、添加劑的稱重數據，水泥漿儲料器物位，水泥、水、添加劑輸送電機，攪拌器的運行狀態(tài)和報警信號。水泥漿和海水均可以通過灌漿泵進行輸送，系統(tǒng)通過閥門切換來實現不介質的轉換。噴水和噴水泥漿的量按照預先設置的參數進行。

水泥漿制作系統(tǒng)參數設置可以實現水、水泥、添加劑的定量投料，滿足施工配合比的要求，水泥漿的制作過程通過數據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，該控制臺能夠顯示DCM 處理機樁架、處理機實時狀態(tài)、鉆頭入泥深度、水泥艙、制漿機、輸漿泵等作業(yè)工況的相關參數，顯示相關作業(yè)流程。監(jiān)測噴漿壓力、累計流量、瞬時流量、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、攪拌葉片旋轉速度、DCM處理機扭矩、電流、頻率、電壓、膠結材料類型、組分、水灰比、土層面（海床面）標高、DCM處理機鉆頭底端高程、攪拌樁嵌入土層的標高范圍、各土層的標高范圍、攪拌樁完成后終孔底標高、DCM 處理機鉆桿的傾斜度、船舶中心點、DCM 處理機轉軸坐標；船舷標高、樁架頂部標高、土體的孔隙水壓力監(jiān)測、實時潮位等參數。該系統(tǒng)配備遠程數據傳輸功能，可以將施工數據實時傳輸。

3 結論

DCM船施工管理系統(tǒng)具有船舶平面定位與移船、船舶自動調平、DCM 樁施工過程參數設定、施工過程控制及監(jiān)視、數據存儲及傳輸，實現各個子系統(tǒng)之間的信息數據共享、聯動控制等，是DCM 船舶的關鍵技術之一。

該施工管理系統(tǒng)的應用提高DCM 船的自動化水平，既提高了施工工效，又提高了DCM 施工的質量，在香港機場三跑道項目DCM 施工中產生了良好的效益。驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、測量精確度及抗干擾能力。隨著DCM 工藝研究的深入和施工經驗的積累，施工管理系統(tǒng)也將結合神經網絡、云服務等先進技術，變得更加高度自動化、智能化。