張連昊，史志淳，王 濤

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

目前世界上現(xiàn)有的海洋工程地基處理技術(shù)主要有吹填、打樁、置換等工法。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量和環(huán)保要求也越來越高，傳統(tǒng)吹填技術(shù)采用沙袋筑堤，易對水上環(huán)境及水上養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生污染，采用樁基建造機(jī)場造價昂貴且不能完全滿足設(shè)計(jì)需要。日本、韓國等已普遍采用DCM工法作為海上垃圾堆場、海上機(jī)場、港口碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。目前該技術(shù)主要由日本幾家公司掌握，韓國也掌握了簡易型的DCM技術(shù)，基于以上背景，制造我們自己的深層攪拌船對于我國海上DCM工法的發(fā)展具有十分重要的意義[1]。

深層水泥攪拌法——DCM工法（Deep Cement Mixing Method）是海底深層攪拌技術(shù)，其原理是將水泥和加固土體經(jīng)物理化學(xué)反應(yīng)對強(qiáng)度低、流動性強(qiáng)且松軟的地基進(jìn)行加固。在施工過程中將水泥等固化劑注入海底軟土中，配合攪拌翼的攪拌作用使海底軟土與水泥等固化劑充分混合，形成具有良好的水穩(wěn)定性且整體性比較強(qiáng)的地基整體，達(dá)到高強(qiáng)度的處理效果。其成樁強(qiáng)度可以達(dá)到1 400kN/m2，一次成樁面積在2.2～5.74m2，可連續(xù)成樁以滿足海上垃圾堆場等需要防滲漏的地基處理或高強(qiáng)度需求的地基處理；也可間斷成樁以滿足所需強(qiáng)度的地基處理。該方法具有工期短、地基強(qiáng)度高、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益好、施工質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 注漿系統(tǒng)簡介

水泥輸送系統(tǒng)共計(jì)18臺注漿泵（16用2備），每個處理機(jī)使用8臺，如圖1所示，正常施工時，根據(jù)噴漿口噴漿需求，打開相應(yīng)的攪拌翼或固定管噴漿管上氣動球閥，根據(jù)施工噴漿噴水流量要求，注漿系統(tǒng)通過切換氣動球閥進(jìn)行相應(yīng)的噴漿噴水工作。

其操作顯示界面中實(shí)時顯示各個泵及閥的啟停狀態(tài)，以及實(shí)時顯示每個泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量以及壓力，更加直觀的反映其工作狀態(tài)。

圖1 水泥注漿系統(tǒng)控制界面圖

2 備用泵熱備份

當(dāng)任意一臺泵出現(xiàn)故障時，由于水泥超過兩個小時就有凝結(jié)的可能，為了確保注漿管路里水泥不會凝結(jié)，2臺備用泵隨時可投入使用，只需更換備用泵進(jìn)出口管路，操作界面中切換為備用泵，即可馬上替代故障泵，即保證了設(shè)備安全，又減少了設(shè)備故障對施工效率的影響。

從圖2可以看出，當(dāng)16號泵出現(xiàn)故障后，在操作界面將其選擇“1#備用泵”，并更換好相關(guān)管路后，施工時備用泵代替16號泵進(jìn)行注漿工作。

圖2 水泥注漿系統(tǒng)備用泵使用圖

3 PID控制研究

隨著施工過程的進(jìn)行，注漿泵活塞軸套開始出現(xiàn)磨損，而且由于注漿泵吸口可通過顆粒只有8mm，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)注漿泵實(shí)際流量達(dá)不到給定流量，當(dāng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的流量時，需實(shí)時手動調(diào)節(jié)給定流量，使每米噴漿量及噴漿總量滿足施工要求，這就嚴(yán)重影響施工質(zhì)量及進(jìn)度，而且手動調(diào)節(jié)過程中，需將泵的流量提高到設(shè)計(jì)流量以上，對施工成本造成一定浪費(fèi)。為此在注漿泵的控制系統(tǒng)中增加了PID控制。

水泥輸送系統(tǒng)PID控制流程如下圖3所示。

在PID控制處理方法中，通過預(yù)先設(shè)置的設(shè)定值和從流量計(jì)中讀取的測定值計(jì)算出執(zhí)行PID運(yùn)算的控制值，將算出的控制值通過變頻器給定到外部輸出注漿泵。在順控程序中執(zhí)行PID運(yùn)算指令時，測定采樣周期并執(zhí)行PID運(yùn)算。在設(shè)置的各個采樣周期中執(zhí)行PID運(yùn)算指令的PID運(yùn)算。以保持注漿泵穩(wěn)定流速，從而保證注漿量。

圖3 PID控制流程圖

注漿泵單個泵最大流量為350L/min，當(dāng)電機(jī)在低頻運(yùn)行時頻率輸出比較不穩(wěn)定，如此時仍使用PID調(diào)節(jié)，無論怎樣設(shè)置調(diào)節(jié)系數(shù)，均會出現(xiàn)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定情況。根據(jù)施工曲線在下鉆噴水過程中泵的流量會使用較低的50L/min，此時并不要求流量精度，只是為了便于處理機(jī)下鉆以及泥土的充分?jǐn)嚢琛Ｈ鐖D4所示，設(shè)置了PID開關(guān)信號M110.3，當(dāng)流量低于60L/min時，關(guān)閉PID調(diào)節(jié)功能，當(dāng)流量大于60L/min時，開啟PID調(diào)節(jié)功能，以滿足施工噴漿時穩(wěn)定流量。

圖4 PID控制PLC相關(guān)程序

4 研究效果

增加PID控制后效果如圖5所示，每4臺泵的給定值相同，由圖可以看到每4臺注漿泵反饋流量基本相同，但電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同。通過施工情況表明，注漿系統(tǒng)PID控制的優(yōu)化，大大提高了施工質(zhì)量，節(jié)約了施工成本。

圖5 PID控制輸送泵控制圖

5 結(jié) 論

通過研究及實(shí)際施工應(yīng)用結(jié)論，本文研究的注漿系統(tǒng)備用泵熱備份功能，有效解決了注漿泵故障時長時間停工造成水泥凝固的問題，本文研究的注漿系統(tǒng)PID控制，從圖6注漿曲線可以看出，整個注漿過程流量穩(wěn)定，注漿量滿足施工要求，從圖7可以看出完成的深層水泥攪拌樁整根樁自上而下水泥漿攪拌均勻，芯樣斷面也可看出水泥漿攪拌均勻。成樁強(qiáng)度高，可滿承載要求。

圖6 施工曲線報表

圖7 取芯結(jié)果