出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 汪澤，清華大學(xué)機械工程系博士研究生
俗話說“基礎(chǔ)不牢，地動山搖”，對于建筑行業(yè)來說，地基的重要性不言而喻，而諸如港口、海上機場、人工島等海上施工項目的地基修建和加固要比陸地上更是困難許多，直接在由淤泥和有機雜質(zhì)構(gòu)成的松軟海床上施工顯然是不靠譜的。
過去，為了在軟土上打地基，對于較厚的軟土層通常采用樁機結(jié)構(gòu)，在土層里打下幾根樁作為加固；對于土層淺的情況則采用置換法，挖走軟土并填充結(jié)實的材料。不過，這兩種方法在施工成本和難度上來看都不盡如人意，同時對于土層不深不淺的情況也不太適用，為了有效解決海底軟土地基修建及維護的難題，就需要用到深層水泥攪拌船。
（一）在海底搞基建，加固軟土地基要靠它
深層水泥攪拌（Deep cement mix，簡稱DCM），是指將水泥或水泥固化材料按相關(guān)配比添加到軟弱粘性土中，同時強制進行攪拌混合，利用化學(xué)固化作用在地基中形成堅固穩(wěn)定土，從而達到加固水下軟土作為水工建筑基礎(chǔ)目的的施工方法。
采用石灰、水泥等固化劑加固軟弱地基的歷史是十分悠久的。古埃及、古印度、古羅馬和古代的中國都有著類似的施工案例，不過這些施工都是在陸地上進行的，要是想在海底進行水泥加固的深操作，DCM船是必要設(shè)備。
相比于傳統(tǒng)的方法，DCM的施工成本更低且對海上環(huán)境及養(yǎng)殖業(yè)的影響更小，是海底松軟地基處理方法的必然發(fā)展趨勢。
之前，DCM船的設(shè)計制造技術(shù)主要掌握在日本和韓國的手中，對中國實行了技術(shù)封鎖。不過國內(nèi)第一艘自主設(shè)計自主建造、設(shè)備完全國產(chǎn)化的DCM船“四航固基”號的出現(xiàn)成功打破了技術(shù)壟斷，并在香港機場第三跑道擴建以及深中通道等大型工程中發(fā)揮了重要的作用。
（國內(nèi)第一艘自主設(shè)計自主建造、設(shè)備完全國產(chǎn)化的DCM船“四航固基”號）
（二）深水水泥攪拌船在海底加固地基，關(guān)鍵要靠處理機
“四航固基”號船長72米，型寬30米，型深4.8米，設(shè)計吃水2.9米，為箱型非自航工程船，適用于沿海港口碼頭、防波堤、護岸、人工島圍海造地的基礎(chǔ)處理施工。
之所以“四航固基”號能夠?qū)崿F(xiàn)深水水泥攪拌，依靠的關(guān)鍵裝備是位于船艏的三組四軸DCM處理機。
（處理機深層水泥攪拌流程）
簡單來說，處理機是由用于深層土體切削攪拌的攪拌翼和用來完成水泥噴漿的管路組成，施工過程中依靠處理機自身重力不斷向下攪拌直到接觸到地基強度足夠高的地層后為止，然后處理機前部的噴漿口噴射出根據(jù)施工環(huán)境事先按照一定比例制備好的水泥漿，并通過攪拌翼的攪拌作用使之與海底松軟的沙土充分混合，形成一根加固的水泥樁。
（“四航固基”號施工過程示意圖）
由于水泥樁的埋深較深，攪拌軸很長，在攪拌軸的末端會出現(xiàn)剛度和強度的降低所導(dǎo)致的攪拌翼晃動等問題，影響樁體質(zhì)量，因此，DCM處理機的攪拌軸中間加入了軸承座的支撐，使得每節(jié)軸承的長度都不超過10米，以保證其剛度和強度滿足海底施工的要求。
另外，為了保證最終的成樁質(zhì)量，還需要施工管理系統(tǒng)根據(jù)施工現(xiàn)場情況對水泥配比、注入量以及攪拌次數(shù)進行嚴(yán)格的控制。
“四航固基”號具有三組獨立的處理機，可組合使用，充分提高成樁效率，其不斷地循環(huán)往復(fù)施工就可以形成海底連續(xù)墻及海底加固地基。
（三）深水水泥攪拌船如何保證位置固定？
為了保證船只在施工過程中的準(zhǔn)確定位，“四航固基”號采用錨泊定位系統(tǒng)，根據(jù)DP通信采集施工管理系統(tǒng)中的定位目標(biāo)點，對比船舶實際位置和目標(biāo)點差異，對船上多臺錨機的狀態(tài)進行控制和修正，使船舶水平旋轉(zhuǎn)并達到目標(biāo)位置。
除了水平位置的固定之外，DCM船還要保證位于船艏的處理機的豎直傾角的大小，在施工過程中隨著處理機的下降，船體的重心位置也會有所變化，從而改變處理機及噴射水泥漿的傾角，引起成樁角度偏差、降低成樁質(zhì)量。
為了保證處理機豎直傾角的大小，施工過程中采用自動傾調(diào)系統(tǒng)對船體角度進行實時調(diào)整，傾調(diào)系統(tǒng)會根據(jù)吃水傳感器、橫縱傾儀等傳回的實時參數(shù)自動控制調(diào)傾水泵啟停及閥門開閉，從而調(diào)整水艙的水位，使得不論處理機升降高度處于何種位置，船舶始終處于施工允許的浮態(tài)范圍內(nèi)。
（四）深水水泥攪拌船的制造難在哪兒？
“四航固基”號本質(zhì)上是一艘能夠在海底攪拌水泥形成地基樁柱的工程船舶。
在國內(nèi)沒有成功經(jīng)驗可以借鑒的情況下，“四航固基”號除了要面對DCM系統(tǒng)電機選型、水泥漿配比等問題，還要解決在船舶制造過程中的困難。
比如巨大高聳的A字架的吊裝就是一個巨大的難題。
（船艏部分紅白相間的A字架上安裝著3組處理機）
“四航固基”號樁架系統(tǒng)中A字架高35米，加上船體的高度、鋼絲繩和胎架的高度，A字架的吊裝已達到400噸龍門吊所能承吊的50米極限高度。
除此之外，樁架的特殊形狀增加了施吊方案的復(fù)雜性，也超出了400噸龍門吊的吊裝能力。
船只制造團隊曾考慮換用500噸的吊裝設(shè)備，不過考慮到施工周期和吊裝成本等問題最后放棄了這個又貴又不一定好用的方案，決定利用DCM船自帶錨機協(xié)助400噸龍門吊進行吊裝。
吊裝前，團隊對樁架、A字架轉(zhuǎn)運吊裝過程中的有限元計算及吊裝方案進行了多次研討和修訂，以確保在安全吊裝的前提下滿足設(shè)計圖紙的吊裝精度要求。最終，A字架制作完成后，不到兩天時間就完成了吊裝過程。
（五）1天打樁36根，不是一蹴而就的
“四航固基”號建成后就迎來了香港機場跑道項目的挑戰(zhàn)，由于在開始階段缺乏水上操作及維修保養(yǎng)的經(jīng)驗，施工人員并未發(fā)揮出“四航固基”號的全部實力，每天打不了10根樁，這在各國工程船舶同臺競技的施工現(xiàn)場毫不起眼。
不過后來，施工人員對船只上的設(shè)備進行了改造和加強，使得“四航固基”號的“戰(zhàn)斗力”成倍提升。
負責(zé)進行深層土體切削的鉆頭和攪拌翼需要進行定時清洗，防止粘附的水泥漿影響成樁質(zhì)量和效率。最開始的時候，“四航固基”號上的水壓不足，清洗鉆頭要花費2、3小時，甚至要超過一根樁的成樁時間。后來的改進中增加了3臺高壓水泵，將鉆頭清洗時間縮短到6分鐘之內(nèi)，減少了養(yǎng)護時間，提高了施工效率。
為了解決水泥結(jié)塊堵管這個DCM船的通病，保證在緊張的工期中系統(tǒng)不因管路問題而癱瘓，“四航固基”號還開發(fā)出了獨特的管路脈沖防堵方案，采用“高壓海水+高壓氣體”管路沖洗系統(tǒng)，用高壓海水沖洗管路的同時注射脈沖式高壓氣體，以高壓氣體帶動高壓海水形成脈沖效果，每次打完樁后及時沖洗并定期拆管細致清洗。
除此之外，項目團隊針對船上管路重量大、拐角多、拆卸不便等問題，提出了管路快速拆裝解決方案，將管路改造升級為“快速接頭+軟管”的結(jié)構(gòu)，幾十倍地降低了管路的維修和更換成本，和管路脈沖防堵方案一同保證了施工過程中的管路暢通。
經(jīng)過了一系列技術(shù)升級和改進，“四航固基”號在后期可以做到一天最多打36根長樁，這樣的成績在世界范圍內(nèi)的海上DCM施工船舶中能排到中上水平。
結(jié)語
DCM船是深層攪拌船是集船舶、錨泊定位、深層土體切削攪拌、水泥漿注入系統(tǒng)、智能化施工管理系統(tǒng)、船舶自動調(diào)傾系統(tǒng)、起重機等多項高端技術(shù)于一體的高技術(shù)、高附加值重大技術(shù)裝備，中國成功掌握DCM施工船舶全套核心技術(shù)，打破了日韓壟斷，大大提升中國在船機設(shè)備上的核心競爭力。
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