鄒春曉，付院平

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

1 DCM 工藝簡(jiǎn)介及海上應(yīng)用

1.1 DCM 工藝概述

深層水泥拌合船簡(jiǎn)稱(chēng)DCM 船，是應(yīng)用DCM工法將水泥漿注入軟土地基中，并在原位與軟土充分?jǐn)嚢栊纬伤嗤?，水泥硬化后使土體得到加固的一種軟基改良施工船舶。

DCM 工法系日本在深層石灰拌合法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究，在日本應(yīng)用非常廣泛，自投入使用以來(lái)，海上、陸上工程合計(jì)施工5 242 項(xiàng)，總處理土方量達(dá)8 419 萬(wàn)m3，海上處理達(dá)3 542 萬(wàn)m3。在地域分布上，根據(jù)日本DCM 研究會(huì)2019 年發(fā)布的DCM 項(xiàng)目地域分布圖可知，DCM 項(xiàng)目自北海道至沖繩遍布整個(gè)日本，其中沿海地區(qū)是DCM技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)區(qū)域，最多為東京，達(dá)1 842 萬(wàn)m3，海外 DCM 達(dá) 318 萬(wàn) m3。

DCM 技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，根據(jù)土質(zhì)分類(lèi)有黏性土、砂性土、有機(jī)質(zhì)土、黏性和砂性互層土等；根據(jù)土層深度分類(lèi)有淺層土、深層土、超深超厚層土等；依據(jù)作用分類(lèi)有提高地基承載力、減少地基沉降變形、提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、防止砂性土液化、提高土體抗?jié)B能力、基坑護(hù)壁護(hù)底等，應(yīng)用靈活多變，應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大[1]。

DCM 處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 DCM 工藝優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of the DCM process

1.2 DCM 船舶應(yīng)用領(lǐng)域

DCM 船舶目前已廣泛應(yīng)用于海上軟基加固工程，如人工島海底地基加固、橋墩基礎(chǔ)地基加固、岸壁碼頭地基加固、護(hù)岸及防波堤地基的加固等諸多海上工程領(lǐng)域。具體應(yīng)用包括沉箱基礎(chǔ)加固、拋石斜坡堤深厚淤泥層處理、鋼樁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)加固、人工島中島隧結(jié)合部的處理、增大被動(dòng)/減小主動(dòng)土壓力、護(hù)底、護(hù)壁、防滲等工程項(xiàng)目[2]。

2 國(guó)內(nèi)外DCM 船舶發(fā)展情況

2.1 國(guó)內(nèi)DCM 船舶發(fā)展

國(guó)內(nèi)DCM 工法在海上工程的應(yīng)用，最早為1987 年天津港東突堤南側(cè)碼頭工程，首次采用深層水泥拌和法加固岸坡，由日本拌合船舶進(jìn)行了施工。

國(guó)內(nèi)第一艘DCM 船為1992 年利用自有打樁船“打樁5 號(hào)”改裝而成，該船通過(guò)引進(jìn)日本關(guān)鍵設(shè)備并與國(guó)內(nèi)有關(guān)單位協(xié)作研制了微波自動(dòng)定位裝置，進(jìn)行了接高樁架、更換主機(jī)、改進(jìn)錨機(jī)等一系列改裝工作。在船體前上方設(shè)中控室，可對(duì)處理機(jī)的拌合過(guò)程逐次進(jìn)行6 項(xiàng)參數(shù)（處理機(jī)貫入拔出速度、拌合頭轉(zhuǎn)速、鉆桿扭矩、拌合貫入深度、輸漿流量及鉆桿傾斜度）的控制和監(jiān)測(cè)，這些參數(shù)以模擬表和數(shù)字顯示，同時(shí)以筆式記錄儀記錄。1993 年該船進(jìn)行了煙臺(tái)港西港池二期工程的基礎(chǔ)施工，之后重新改回打樁船[3-4]。

自1993 年以來(lái)，直至2015 年香港機(jī)場(chǎng)第三跑道擴(kuò)建工程建設(shè)，國(guó)內(nèi)一直沒(méi)有DCM 船舶，海上軟基處理主要依靠拋石、擠密砂樁等工藝。香港機(jī)場(chǎng)第三跑道擴(kuò)建工程為國(guó)內(nèi)首次大規(guī)模使用海上DCM 樁處理軟弱地基。為參與香港機(jī)場(chǎng)施工，投資引進(jìn)、改造及建造了6 艘DCM 船舶，分別為一航津固1、砂樁2 號(hào)、砂樁6 號(hào)、四航固基、DCOC1、DCOC2[5]。船舶主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)DCM 船舶主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of DCM ships in China

2.2 國(guó)外DCM 船舶發(fā)展

國(guó)外擁有DCM 船舶的水工公司主要集中在日本，其次是韓國(guó)。日本從事DCM 施工的企業(yè)有40 多家，擁有專(zhuān)用DCM 施工船舶60 余艘，主要大型水工公司為東亞建設(shè)工業(yè)、五洋建設(shè)、竹中土木和東洋建設(shè)等。韓國(guó)從事DCM 施工的企業(yè)主要為殷圣基礎(chǔ)建設(shè)株式會(huì)社等，擁有專(zhuān)用DCM 施工船舶10 余艘，絕大部分是由擠密砂樁船改造而成。

日本DCM 船舶最小的排水量約400 t，最大的排水量約6 400 t。小噸位船舶居多，大噸位船舶總計(jì)有十幾艘。近10 年來(lái)，日本新建了20 多艘DCM 專(zhuān)用船。日本無(wú)論新造還是利用其它船舶改造的DCM 船舶，都是加工制造DCM 處理機(jī)專(zhuān)用樁架和導(dǎo)架，處理機(jī)只有1 套。日本DCM 船舶技術(shù)比較成熟，可靠性較高。

日本DCM 船舶的來(lái)源主要有3 種：一是利用起重船改造，如CMC8 號(hào)；二是利用打樁船改造，如DCM8 號(hào)；三是專(zhuān)門(mén)為工程設(shè)計(jì)和建造，如DCM3 號(hào)，此類(lèi)船舶處理機(jī)與船體、樁架、制供漿系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)匹配合理，處理能力強(qiáng)。改造的DCM 船處理機(jī)一般位于船首，可適應(yīng)無(wú)障礙海區(qū)作業(yè)，也可適應(yīng)在水下建筑物附近進(jìn)行加固施工；專(zhuān)為軟基處理設(shè)計(jì)建造的DCM 船，處理機(jī)一般在船中，僅適應(yīng)敞開(kāi)水域大面積作業(yè)。

日本DCM 船舶按處理能力進(jìn)行分類(lèi)，處理能力指的是一次攪拌加固面積，分3 個(gè)等級(jí)：2.2 m2級(jí)、4.6 m2級(jí)、5.7 m2級(jí)。處理能力最強(qiáng)的DCM船舶一次處理面積高達(dá)5.7 m2，處理深度水面下70 m，每小時(shí)處理能力為80～150 m3。

東亞建設(shè)工業(yè)株式會(huì)社DCM7 號(hào)處理機(jī)采用8 個(gè)鉆頭，貫入能力強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，施工控制參數(shù)自動(dòng)采集和處理，代表了日本DCM 船舶的綜合發(fā)展水平。主要技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 DCM 7 主要性能參數(shù)Table 3 Main performance parameters of DCM 7

韓國(guó)DCM 船主要由擠密砂樁船改造而成，保留利用原擠密砂樁船的導(dǎo)架、樁架和振動(dòng)錘提升卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)等，最大限度的降低了改造成本，也為將來(lái)恢復(fù)擠密砂樁船施工功能保留了條件。殷圣基礎(chǔ)建設(shè)改造的DCM 船擁有3 組DCM 處理機(jī)，最大一次處理面積可達(dá)9 m2，超過(guò)了日本的5.7 m2。韓國(guó)改造DCM 船舶的基本思路是保留砂樁船的樁架、導(dǎo)架、絞車(chē)及控制系統(tǒng)等部分，拆除供砂料斗、振動(dòng)錘和砂樁管，將每套振動(dòng)錘更換為1 套4 軸DCM 處理機(jī)；拆除供砂料艙和輸送皮帶機(jī)等部分，增加水泥艙、水泥輸送裝置、泥漿拌和裝置、泥漿泵、供水沖水裝置、DCM 控制系統(tǒng)等。韓國(guó)DCM 船改造最大程度上保留了擠密砂樁船的結(jié)構(gòu)，大大降低了改造費(fèi)用，但專(zhuān)業(yè)性較差。殷圣基礎(chǔ)建設(shè)改造的DCM 船主要設(shè)備及參數(shù)如表4所示。

表4 韓國(guó)改造DCM 船主要性能參數(shù)Table 4 The main performance parameters of DCM ships rebuilt in South Korea

3 DCM 船舶技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢(shì)

3.1 向大型化發(fā)展趨勢(shì)

近40 年來(lái)，日本DCM 船舶技術(shù)發(fā)展的主線(xiàn)為提升處理能力，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，逐步將處理深度提升到水面下70 m 或泥面下50 m，以解決海底超深、軟弱土層超厚的處理問(wèn)題，而隨著處理機(jī)性能的提升，樁架高度、船舶尺寸必然向大型化發(fā)展。近年來(lái)日本仍在建造新的高性能DCM船，以適應(yīng)不斷擴(kuò)大的DCM 施工市場(chǎng)的需要。東亞建設(shè)工業(yè)新建造的黃鶴號(hào)DCM 船，船長(zhǎng)已達(dá)70 m，船寬32 m，為目前日本最大尺寸DCM 船。

韓國(guó)及國(guó)內(nèi)近幾年來(lái)新建、改造的DCM 船舶在船舶主尺度、處理機(jī)數(shù)量及處理能力方面均已超越日本，大部分船舶采用2 套或3 套處理機(jī)，處理面積及處理深度均已大幅提升[6]。

3.2 智能化發(fā)展趨勢(shì)

隨著信息技術(shù)的日益發(fā)展，越來(lái)越多的新型科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于DCM 船舶。為了快速、精確定位，所有DCM 船都配有GPS 定位系統(tǒng)，同時(shí)配有監(jiān)測(cè)、記錄和控制系統(tǒng)，以保證施工質(zhì)量。DCM 船施工管理系統(tǒng)主要由GPS 定位系統(tǒng)、處理機(jī)控制系統(tǒng)、制供漿控制系統(tǒng)、CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等組成。

施工管理系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī)收集深度發(fā)信器、吃水計(jì)發(fā)信器、旋轉(zhuǎn)方向、電磁流量計(jì)、潮位計(jì)、注漿泵等設(shè)備的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在工作界面顯示鉆頭深度（m）、鉆頭速度（m/min）、吃水（m）、水位（m）、旋轉(zhuǎn)速度（r/min）、旋轉(zhuǎn)方向（正/反）、瞬間流量（L/min）、累計(jì)流量（L）、水泥比重等相關(guān)數(shù)據(jù)，可對(duì)注漿流量控制、水泥配比等一系列工作進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶施工的信息化管理[7]。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的日益發(fā)展，DCM 船舶的智能化程度得到了極大的提高。為降低勞動(dòng)負(fù)荷，減少人員配置，保證施工精度，提高施工效率，DCM 船舶必將越來(lái)越智能化，目前中交一航局DCM 船舶在地質(zhì)狀況良好的區(qū)域，已實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)制樁。

3.3 功能多元化發(fā)展趨勢(shì)

之前改造的DCM 船未配備水泥艙、水泥輸送裝置、泥漿拌和機(jī)、泥漿攪拌器、泥漿泵等設(shè)備，只能進(jìn)行單一的軟基處理作業(yè)，需要另外配套制漿船、水泥運(yùn)輸船，而為香港機(jī)場(chǎng)改造的DCM 船集儲(chǔ)灰、制漿、拌合系統(tǒng)于一身，功能實(shí)現(xiàn)了多元化，能獨(dú)立完成海上施工作業(yè)。

為滿(mǎn)足更為苛刻的海上施工條件，提高作業(yè)效率，未來(lái)DCM 船舶不論是改造還是新建，都需要具備更完善的功能，功能多元化的發(fā)展也必將成為趨勢(shì)。

4 DCM 船舶的前景分析

4.1 市場(chǎng)前景分析

DCM 技術(shù)在日本已得到廣泛應(yīng)用，其中沿海區(qū)域是DCM 技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)區(qū)域。在國(guó)內(nèi)，由于水運(yùn)行業(yè)的不斷發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，必將推動(dòng)DCM 工法在軟基基礎(chǔ)施工領(lǐng)域的綻放。同時(shí)，國(guó)內(nèi)水工工程建設(shè)市場(chǎng)總量較日本大得多，初步推算，DCM 工法平均加固土體量可達(dá)每年3 000 萬(wàn)m3以上。截止2019 年年底，香港機(jī)場(chǎng)第三跑道擴(kuò)建工程、深中通道人工島均采用了DCM技術(shù)進(jìn)行海底軟基處理，處理面積約280 萬(wàn)m2，平均處理深度約30 m，處理方量約8 400 萬(wàn)m3，為DCM 工法的推廣應(yīng)用提供了重大契機(jī)。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)對(duì)海上環(huán)境污染控制嚴(yán)格的區(qū)域、傳統(tǒng)換填施工作業(yè)給海上養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重影響的海域以及挖泥棄土難的區(qū)域，以DCM 工法代替置換法施工已成為水工建設(shè)發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)采用DCM 工法也可以有效解決防波堤、管道、涵洞等地基處理問(wèn)題。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

國(guó)外許多DCM 船舶通過(guò)現(xiàn)有船舶進(jìn)行改造，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)起重船、打樁船、砂樁船等船舶閑置率較高，可借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)改造。目前國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)任務(wù)不飽和，鋼材價(jià)格相對(duì)較低，DCM 船無(wú)論是利用現(xiàn)有起重船、打樁船及擠密砂樁船進(jìn)行改造，還是新建，成本費(fèi)用都能得到良好的控制。

DCM 船舶的關(guān)鍵設(shè)備為處理機(jī)系統(tǒng)，核心技術(shù)為施工管理系統(tǒng)，日本經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展應(yīng)用，具有成熟的設(shè)備和技術(shù)，但日本DCM 管理協(xié)會(huì)對(duì)其進(jìn)行了行業(yè)技術(shù)封鎖，購(gòu)置成本極高。目前國(guó)內(nèi)陸用DCM 處理機(jī)在借鑒日本技術(shù)的基礎(chǔ)上得到了極大的發(fā)展，相關(guān)廠(chǎng)家也具有較高的技術(shù)研發(fā)能力，4 軸式處理機(jī)已裝船使用，且已開(kāi)發(fā)出自主的施工管理控制系統(tǒng)，打破了日本封鎖，能夠有效降低船舶建造及改造費(fèi)用。

5 展望

從1973 年到2019 年40 多年來(lái)，日本采用DCM 技術(shù)加固土體得到了大量運(yùn)用，1977 年到1986 年是起步期10 年，年均加固土體約100 萬(wàn)m3；1987 年到1996 年是發(fā)展的10 年，每年加固土體的工程量由100 萬(wàn)m3上升到約330 萬(wàn)m3，增加了230%；1996 年后進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，年均加固土體300 多萬(wàn)m3，其中2003 年創(chuàng)出歷史高點(diǎn)，當(dāng)年加固土體的工程量為395 萬(wàn)m3。這些數(shù)據(jù)表明DCM 技術(shù)在日本的應(yīng)用規(guī)模較大，應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢(shì)良好。

我國(guó)DCM 技術(shù)在陸上使用已有40 多年的歷史，但在海上工程的應(yīng)用極少，近年來(lái)，隨著對(duì)海上工程環(huán)保、工后防沉降、防滲漏要求的不斷提高，從業(yè)主、設(shè)計(jì)單位到施工單位對(duì)使用DCM船舶進(jìn)行DCM 施工的要求越來(lái)越強(qiáng)，再加上日本在高水平應(yīng)用DCM 工法方面的強(qiáng)烈示范作用，目前已逐步形成了應(yīng)用DCM 工法、使用DCM 船舶的濃厚氛圍，隨著國(guó)內(nèi)香港機(jī)場(chǎng)第三跑道擴(kuò)建工程、深中通道等工程的大量應(yīng)用，DCM 船舶應(yīng)用已展現(xiàn)出非常光明的前景。