論重型DCM船對海底深層土體的處理工藝

張敬海　范世鈺

摘 要：DCM工藝作為免挖式的填海工藝，可有效增強海床以下污泥的硬度，形成穩固的地基便于上部海堤及填海拓地工程的進行，將填海工程對海洋及周邊生態環境的影響降到最低。本文將通過對國內首艘重型DCM船“DCOC-1”在香港機場項目的應用為實例，對船舶在海底深層土體的處理工藝進行簡要分析，總結施工中的質量控制成果，為DCM工程的施工積累經驗。

關鍵詞：DCM;重型DCM船;深層土體;地基處理

中圖分類號：U674.3? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）04-0066-03

1引言

上世紀70年代，日本首先將DCM工藝運用到地基處理中，最初采用的拌合材料為生石灰，之后水泥漿因具有更好的攪拌加固效果而被廣泛應用。到80年代末，DCM工藝僅在日本和北歐地區被應用。但在隨后的幾十年里，北美和歐洲也開始大規模推廣該技術。香港國際機場和東京羽田機場是DCM工藝成功應用的典型案例。作為國內首艘重型DCM船，“DCOC-1”在香港國際機場項目中充分展現其設備優勢，在海底深層土體的施工中不斷改進工藝，為DCM施工提供了一定的經驗參考。

2 DCM工藝

2.1工藝介紹

深層水泥攪拌（Deep Cement Mixing，DCM）工藝是指在工程建設中，通過將水泥漿等拌合材料注入與切削處理后的土體充分攪拌，并基于水泥與軟土的一系列物理和化學的反應過程形成水泥土以獲得高強度地基的施工工藝。香港國際機場項目因回填完成后興建上部結構，因而需要具備更高承載力的地基。如圖1所示。

2.2工藝原理

DCM工藝原理是通過水泥漿與擬固化的土體充分拌合后，水泥顆粒表面的礦物很快與飽和軟土中的礦物質和水發生水解和水化反應，生成具有膠化作用的氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等化合物懸濁液，凝結后形成水泥土的膠結強度。如圖2所示。

2.3工藝流程（見圖3）

3 現場施工

3.1地質情況

在船舶進駐施工區之前，現有海床會鋪設2m厚度的砂墊層，一是為避免施工時將海床淤泥攪起對周邊水質產生污染，二是在處理機上提時通過在砂墊層內進行攪拌翼清洗，將附著的泥塊留在砂墊層內。

根據設計文件要求，“DCOC-1”在施工DCM樁時，需依次穿過海水、砂墊層、淤泥層，并且進入持力層（硬質黏土）6m，形成完整DCM樁。如圖4所示。

根據取出的土樣分析，持力層區域2～3m范圍內的土體質地堅硬，外觀呈黃褐色，為砂性粉質黏土。該類土體具有強度高、粘結性強的特點，在施工中不易攪拌打散。

因此，持力層區域的黏土處理即為DCM樁施工的重要質量點。

3.2工藝曲線

根據現場的地質情況，“DCOC-1”在施工時按照合同文件要求和本標段其他已施工船舶的經驗總結，按照如下W曲線進行施工。如圖5所示。

該曲線在施工時重點考慮對持力層上部2m范圍以及樁端的處理。前者主要為保證噴漿前粉質黏土的充分攪拌，以加強其與水泥漿的結合性;后者是加強樁端的土體攪拌，保證其攪拌質量。

3.3質量控制

3.3.1 成樁取芯分析

“DCOC-1”配備的雙處理機屬重型處理機，自重大且對堅硬地質的處理能力強。在施工過程中，處理機嚴格按照W曲線的設計參數進行施工。但由于前期經驗不足，對船舶的各項參數反映特別是電流值的重視程度不夠。在貫入到達持力層上下2～3m范圍內時，電流持續在500A以上的高位值未能作出有效反應。通過對成樁取芯，發現電流值較大的部位含有較多的黏土泥包，表明處理機未能對持力層范圍內的土體進行充分切削攪拌，故夾雜在芯樣中，導致成樁效果不理想。如圖6所示。

3.3.2 工藝改進

通過總結經驗，以及對芯樣質量、土體狀況的重新分析，并結合成樁的電流情況，“DCOC-1”船舶處理機通過控制轉速（切削次數BRN）和水泥漿（水）流速來提高DCM樁體的攪拌質量。

（1）優化設計參數

① 土體切削次數BRN

“DCOC-1”處理機在處理土體中每1m的切削次數BRN為：

BRN = ∑M*（Nu/Vu + Nd/Vd）

式中 ∑M —— 處理機攪拌翼數量（片） ;

Nu? ?—— 處理機貫入時的轉速（r/m）;

Vu? ?—— 處理機貫入時的速度（m/min）;

Nd? ?—— 處理機提升時的轉速（r/m）;

Vd? ?—— 處理機提升時的速度（m/min）。

根據項目設計要求，待處理樁體中每1m的土體攪拌次數不得低于900次（噴漿后）。通過分析發現，處理機的攪拌翼數量、轉速以及提升/貫入速度均會對土體的切削次數產生影響。重型DCM船“DCOC-1”配備有四軸雙處理機，攪拌翼結構為3層6片式，其最大轉速可達60 r/min，提升速度在0.1～2.4 m/min。

② 攪拌后噴漿（L/min）

“DCOC-1”在處理機貫入時，噴水并切削攪拌。待土體攪拌均勻后，進行噴水泥漿摻合。四軸式處理機共設有8個噴漿口，每根攪拌軸的噴漿口與泵倉內的4臺活塞泵相連，保證處理機貫入和上提時均可進行噴漿攪拌。

在施工中，“DCOC-1”可根據現場DCM樁設計參數和配合比等進行噴漿流速的調整，其噴漿流速為：