深层搅拌船水泥注浆系统研究及应用

张连昊，史志淳，王 涛

（中交天和机械设备制造有限公司，江苏 常熟 215500）

目前世界上现有的海洋工程地基处理技术主要有吹填、打桩、置换等工法。随着经济的发展，人们对生活质量和环保要求也越来越高，传统吹填技术采用沙袋筑堤，易对水上环境及水上养殖业产生污染，采用桩基建造机场造价昂贵且不能完全满足设计需要。日本、韩国等已普遍采用DCM工法作为海上垃圾堆场、海上机场、港口码头等基础设施的建设。目前该技术主要由日本几家公司掌握，韩国也掌握了简易型的DCM技术，基于以上背景，制造我们自己的深层搅拌船对于我国海上DCM工法的发展具有十分重要的意义[1]。

深层水泥搅拌法——DCM工法（Deep Cement Mixing Method）是海底深层搅拌技术，其原理是将水泥和加固土体经物理化学反应对强度低、流动性强且松软的地基进行加固。在施工过程中将水泥等固化剂注入海底软土中，配合搅拌翼的搅拌作用使海底软土与水泥等固化剂充分混合，形成具有良好的水稳定性且整体性比较强的地基整体，达到高强度的处理效果。其成桩强度可以达到1 400kN/m2，一次成桩面积在2.2～5.74m2，可连续成桩以满足海上垃圾堆场等需要防渗漏的地基处理或高强度需求的地基处理；也可间断成桩以满足所需强度的地基处理。该方法具有工期短、地基强度高、绿色环保、经济效益好、施工质量可靠等优点。

1 注浆系统简介

水泥输送系统共计18台注浆泵（16用2备），每个处理机使用8台，如图1所示，正常施工时，根据喷浆口喷浆需求，打开相应的搅拌翼或固定管喷浆管上气动球阀，根据施工喷浆喷水流量要求，注浆系统通过切换气动球阀进行相应的喷浆喷水工作。

其操作显示界面中实时显示各个泵及阀的启停状态，以及实时显示每个泵的电机转速、流量以及压力，更加直观的反映其工作状态。

图1 水泥注浆系统控制界面图

2 备用泵热备份

当任意一台泵出现故障时，由于水泥超过两个小时就有凝结的可能，为了确保注浆管路里水泥不会凝结，2台备用泵随时可投入使用，只需更换备用泵进出口管路，操作界面中切换为备用泵，即可马上替代故障泵，即保证了设备安全，又减少了设备故障对施工效率的影响。

从图2可以看出，当16号泵出现故障后，在操作界面将其选择“1#备用泵”，并更换好相关管路后，施工时备用泵代替16号泵进行注浆工作。

图2 水泥注浆系统备用泵使用图

3 PID控制研究

随着施工过程的进行，注浆泵活塞轴套开始出现磨损，而且由于注浆泵吸口可通过颗粒只有8mm，施工过程中经常出现注浆泵实际流量达不到给定流量，当达不到设计要求的流量时，需实时手动调节给定流量，使每米喷浆量及喷浆总量满足施工要求，这就严重影响施工质量及进度，而且手动调节过程中，需将泵的流量提高到设计流量以上，对施工成本造成一定浪费。为此在注浆泵的控制系统中增加了PID控制。

水泥输送系统PID控制流程如下图3所示。

在PID控制处理方法中，通过预先设置的设定值和从流量计中读取的测定值计算出执行PID运算的控制值，将算出的控制值通过变频器给定到外部输出注浆泵。在顺控程序中执行PID运算指令时，测定采样周期并执行PID运算。在设置的各个采样周期中执行PID运算指令的PID运算。以保持注浆泵稳定流速，从而保证注浆量。

图3 PID控制流程图

注浆泵单个泵最大流量为350L/min，当电机在低频运行时频率输出比较不稳定，如此时仍使用PID调节，无论怎样设置调节系数，均会出现调节不稳定情况。根据施工曲线在下钻喷水过程中泵的流量会使用较低的50L/min，此时并不要求流量精度，只是为了便于处理机下钻以及泥土的充分搅拌。如图4所示，设置了PID开关信号M110.3，当流量低于60L/min时，关闭PID调节功能，当流量大于60L/min时，开启PID调节功能，以满足施工喷浆时稳定流量。

图4 PID控制PLC相关程序

4 研究效果

增加PID控制后效果如图5所示，每4台泵的给定值相同，由图可以看到每4台注浆泵反馈流量基本相同，但电机转速不完全相同。通过施工情况表明，注浆系统PID控制的优化，大大提高了施工质量，节约了施工成本。

图5 PID控制输送泵控制图

5 结 论

通过研究及实际施工应用结论，本文研究的注浆系统备用泵热备份功能，有效解决了注浆泵故障时长时间停工造成水泥凝固的问题，本文研究的注浆系统PID控制，从图6注浆曲线可以看出，整个注浆过程流量稳定，注浆量满足施工要求，从图7可以看出完成的深层水泥搅拌桩整根桩自上而下水泥浆搅拌均匀，芯样断面也可看出水泥浆搅拌均匀。成桩强度高，可满承载要求。

图6 施工曲线报表

图7 取芯结果