深层水泥搅拌船搅拌翼设计与工效分析

张敬海，贺迎喜

（1.中交海洋建设开发有限公司，天津 300451；2.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

作为海上环保型地基处理工艺，深层水泥搅拌桩DCM 工艺在国内具有较大的推广前景。在香港国际机场第三跑道填海工程（简称香港三跑工程）实施过程中，中交海建新建两艘大型海上专业水泥搅拌桩（DCM）施工船“DCOC-1”和“DCOC-2”用于海上DCM 桩施工，确保了项目的节点工期。两艘船舶规格一致，处理能力和设备性能相同。在此项目的实施期间，DCM 船充分发挥处理机搅拌能力强、水泥仓吨位大、操作系统自动化程度高等优势，在香港三跑工程中发挥了重要的作用。同时，项目和船舶管理人员在实践中不断总结、优化，保障了船机软硬件系统的优化和施工效率的提高。

1 工程背景

海上深层水泥搅拌（DCM）工艺作为免挖式的填海施工工艺，可有效增强海床以下软弱污泥的强度，形成稳固的复合地基，为上部海堤及填海拓地工程施工赢得宝贵的时间[1]。中交海建“DCOC-1/DCOC-2”专业施工船作为自动化程度较高的施工船舶，其锚泊定位系统、制浆系统、输浆系统、处理机贯入钻进、喷浆搅拌、上提搅拌成桩、处理机冲洗系统等均由中央控制系统下发指令完成。由于船舶为新建，国内缺少类似的大型海上DCM工程应用经验参考，因此在项目实施前期，本着磨合船机设备、加强人员技能等原则，处理机选用3 层搅拌翼构造，搅拌成桩[2]。

1.1 现场应用

重型DCM 船“DCOC-1/DCOC-2”单台处理机配置160 kW 的ABB 变频电机4 台，转速0～60 r/min，见图1。通过施工时设定处理机转速50 r/min 的反馈电流和扭矩来判断，处理机功率余量较大。在无法提高转速的情况下，通过增加搅拌叶片数量来提高贯入/提升速度以达到提高工效的方法，更为直接有效[3]。

图1 DCM 船现场施工图Fig.1 Site construction drawing of DCM vessel

1.2 参数要求

根据设计图纸和技术规格书要求，DCM 船在香港三跑工程施工海域进行海上DCM 桩施工时，处理桩体中每1 m 的土体搅拌次数不得低于900次（喷浆后）[4]。在处理土体中每1 m 的切削次数BRN 按公式（1）确定：

式中：∑M 为搅拌翼总数，片；Nu为下降搅拌时转速，r/min；Vu为贯入速度，m/min；Nd为提升搅拌时转速，r/min；Vd为提升速度，m/min。

1.3 分析改进

3 层搅拌翼总长度2100 mm，搅拌翼叶片分搅拌叶片2 层、掘进叶片1 层（最下层），总计3层，见图2。自下向上，相邻每层掘进叶片与搅拌叶片的间距为605 mm、550 mm、645 mm，叶片水平面夹角45°，厚度40 mm。如果直接在原长度2100 mm 搅拌轴上等间距增加两层搅拌叶片（间距2100/5=420 mm），会因叶片间距较小，在搅拌过程中发生叶片被黏土包裹，不易脱落，影响搅拌质量[5]。处理机上喷浆口自搅拌轴连接法兰向下探出长度457 mm，大于叶片间距420 mm，不具操作性。

图2 DCM 船3 层搅拌翼图Fig.2 Mixing blade with 3 layers of DCM vessel

在综合计算搅拌翼支点轴承的径向力对轴承内套的压力，同时兼顾船舶满载水泥，吃水增大时保证下喷浆口可提出水面的情形后，计划将搅拌翼总长增加到2525 mm，总计5 层。自下向上间距为400 mm、477.5 mm、477.5 mm、425 mm、445 mm。最上层的搅拌翼离连接法兰距离为445 mm＜457 mm，通过将上喷浆口适当提升120～150 mm 保证设备无碰撞隐患，见图3。

图3 DCM 船5 层搅拌翼图Fig.3 Mixing blade with 5 layers DCM vessel

2 应用成效

2.1 3 层搅拌翼工效

在3 层搅拌翼的工艺曲线作业条件下，以20 m（砂垫层1 m，淤泥层13 m，持力层6 m）的DCM桩为例，其有效作业时间见表1。

表1 3 层搅拌翼工效表Table 1 Work efficiency of mixing blade with 3 layers

2.2 5 层搅拌翼工效

经过改造后的5 层搅拌翼在工艺曲线作业条件下，以20 m（砂垫层1 m，淤泥层13 m，持力层6 m）的DCM 桩为例，其有效作业时间见表2。

表2 5 层搅拌翼工效表Table 2 Work efficiency of mixing blade with 5 layers

2.3 对比分析

改造前后比较，发现单组成桩可节约用时约18 min，节约用时约15%。在增效的同时，成桩的质量也得到提升。尤其是在海床下方广泛分布硬质黏土的区域，通过反馈的电流值和拉力值及时调控操作参数，可以更加合理有效地控制切削速度和搅拌速度[6]。由于切削角度的减小和搅拌翼层数的增多，海床土体的搅拌更加均匀，成桩的芯样质量也得到提高。

改造前：使用大角度、3 层搅拌翼的处理机施工的DCM 桩芯样中有数量较多的未打散“泥包”，强度及完整度较差。改造后：使用小角度、5 层搅拌翼的处理机施工的DCM 桩芯样搅拌均匀，强度及完整度较好。

2.4 分析结论

由于搅拌翼叶片增加了2 层，旋转扭矩必将增大。为尽量减小扭矩，把上4 层搅拌叶片的倾斜角度由45°减小为20°，保持掘进翼叶片的掘进能水平夹角45°不变，这样既保证了设备的掘进效率，又通过减小搅拌层厚提高了搅拌质量[7-8]。

3 结语

两艘DCM 船“DCOC-1”和“DCOC-2”在香港三跑工程DCM 施工中整体表现优异，成桩质量高，环保工作及时到位，得到香港机管局的极大认可。船舶的搅拌翼与搅拌轴通过法兰连接，可根据不同工况、不同地质进行搅拌翼的替换、更新，适应能力强，具有极大的实用和推广前景。