论重型DCM船对海底深层土体的处理工艺

张敬海　范世钰

摘 要：DCM工艺作为免挖式的填海工艺，可有效增强海床以下污泥的硬度，形成稳固的地基便于上部海堤及填海拓地工程的进行，将填海工程对海洋及周边生态环境的影响降到最低。本文将通过对国内首艘重型DCM船“DCOC-1”在香港机场项目的应用为实例，对船舶在海底深层土体的处理工艺进行简要分析，总结施工中的质量控制成果，为DCM工程的施工积累经验。

关键词：DCM;重型DCM船;深层土体;地基处理

中图分类号：U674.3            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）04-0066-03

1引言

上世纪70年代，日本首先将DCM工艺运用到地基处理中，最初采用的拌合材料为生石灰，之后水泥浆因具有更好的搅拌加固效果而被广泛应用。到80年代末，DCM工艺仅在日本和北欧地区被应用。但在随后的几十年里，北美和欧洲也开始大规模推广该技术。香港国际机场和东京羽田机场是DCM工艺成功应用的典型案例。作为国内首艘重型DCM船，“DCOC-1”在香港国际机场项目中充分展现其设备优势，在海底深层土体的施工中不断改进工艺，为DCM施工提供了一定的经验参考。

2 DCM工艺

2.1工艺介绍

深层水泥搅拌（Deep Cement Mixing，DCM）工艺是指在工程建设中，通过将水泥浆等拌合材料注入与切削处理后的土体充分搅拌，并基于水泥与软土的一系列物理和化学的反应过程形成水泥土以获得高强度地基的施工工艺。香港国际机场项目因回填完成后兴建上部结构，因而需要具备更高承载力的地基。如图1所示。

2.2工艺原理

DCM工艺原理是通过水泥浆与拟固化的土体充分拌合后，水泥颗粒表面的矿物很快与饱和软土中的矿物质和水发生水解和水化反应，生成具有胶化作用的氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物悬浊液，凝结后形成水泥土的胶结强度。如图2所示。

2.3工艺流程（见图3）

3 现场施工

3.1地质情况

在船舶进驻施工区之前，现有海床会铺设2m厚度的砂垫层，一是为避免施工时将海床淤泥搅起对周边水质产生污染，二是在处理机上提时通过在砂垫层内进行搅拌翼清洗，将附着的泥块留在砂垫层内。

根据设计文件要求，“DCOC-1”在施工DCM桩时，需依次穿过海水、砂垫层、淤泥层，并且进入持力层（硬质黏土）6m，形成完整DCM桩。如图4所示。

根据取出的土样分析，持力层区域2～3m范围内的土体质地坚硬，外观呈黄褐色，为砂性粉质黏土。该类土体具有强度高、粘结性强的特点，在施工中不易搅拌打散。

因此，持力层区域的黏土处理即为DCM桩施工的重要质量点。

3.2工艺曲线

根据现场的地质情况，“DCOC-1”在施工时按照合同文件要求和本标段其他已施工船舶的经验总结，按照如下W曲线进行施工。如图5所示。

该曲线在施工时重点考虑对持力层上部2m范围以及桩端的处理。前者主要为保证喷浆前粉质黏土的充分搅拌，以加强其与水泥浆的结合性;后者是加强桩端的土体搅拌，保证其搅拌质量。

3.3质量控制

3.3.1 成桩取芯分析

“DCOC-1”配备的双处理机属重型处理机，自重大且对坚硬地质的处理能力强。在施工过程中，处理机严格按照W曲线的设计参数进行施工。但由于前期经验不足，对船舶的各项参数反映特别是电流值的重视程度不够。在贯入到达持力层上下2～3m范围内时，电流持续在500A以上的高位值未能作出有效反应。通过对成桩取芯，发现电流值较大的部位含有较多的黏土泥包，表明处理机未能对持力层范围内的土体进行充分切削搅拌，故夹杂在芯样中，导致成桩效果不理想。如图6所示。

3.3.2 工艺改进

通过总结经验，以及对芯样质量、土体状况的重新分析，并结合成桩的电流情况，“DCOC-1”船舶处理机通过控制转速（切削次数BRN）和水泥浆（水）流速来提高DCM桩体的搅拌质量。

（1）优化设计参数

① 土体切削次数BRN

“DCOC-1”处理机在处理土体中每1m的切削次数BRN为：

BRN = ∑M*（Nu/Vu + Nd/Vd）

式中 ∑M —— 處理机搅拌翼数量（片） ;

Nu   —— 处理机贯入时的转速（r/m）;

Vu   —— 处理机贯入时的速度（m/min）;

Nd   —— 处理机提升时的转速（r/m）;

Vd   —— 处理机提升时的速度（m/min）。

根据项目设计要求，待处理桩体中每1m的土体搅拌次数不得低于900次（喷浆后）。通过分析发现，处理机的搅拌翼数量、转速以及提升/贯入速度均会对土体的切削次数产生影响。重型DCM船“DCOC-1”配备有四轴双处理机，搅拌翼结构为3层6片式，其最大转速可达60 r/min，提升速度在0.1～2.4 m/min。

② 搅拌后喷浆（L/min）

“DCOC-1”在处理机贯入时，喷水并切削搅拌。待土体搅拌均匀后，进行喷水泥浆掺合。四轴式处理机共设有8个喷浆口，每根搅拌轴的喷浆口与泵仓内的4台活塞泵相连，保证处理机贯入和上提时均可进行喷浆搅拌。

在施工中，“DCOC-1”可根据现场DCM桩设计参数和配合比等进行喷浆流速的调整，其喷浆流速为：