地震多發(fā)帶半膠結(jié)粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下地下連續(xù)墻成槽設(shè)備選型研究

扶奮勇

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

地下連續(xù)墻的墻體具有剛度大、強(qiáng)度高，承重性能、擋土性能、截水性能、抗?jié)B性能及耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，可用于密集建筑群中建筑深基礎(chǔ)。地下連續(xù)墻對(duì)周圍地基無(wú)擾動(dòng)，對(duì)相鄰建筑物、地下設(shè)施影響較小，可在狹窄場(chǎng)地條件下施工。其施工過程機(jī)械化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、挖掘工效高、施工振動(dòng)小、噪聲低，有利于保護(hù)城市環(huán)境。

雅萬(wàn)高鐵1號(hào)隧道進(jìn)出口明挖及豎井段采用地下連續(xù)墻形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，明挖基坑開挖深度大，且距離高速公路和在建輕軌較近，設(shè)計(jì)基坑安全等級(jí)為一級(jí)，基坑變形控制等級(jí)為一級(jí)的要求。

1 地下連續(xù)墻的成槽設(shè)備

根據(jù)地下連續(xù)墻的挖掘成槽方式，可以分成抓斗型成槽和粉碎型成槽兩大類。抓斗型成槽機(jī)械主要包括液壓導(dǎo)板抓斗、導(dǎo)桿式抓斗、混合式抓斗。粉碎型成槽機(jī)械主要包括垂直多軸回轉(zhuǎn)型和水平多軸回轉(zhuǎn)型全液壓臥銑式成槽設(shè)備。在砂卵石層、黏土層中，抓斗型成槽工效相當(dāng)于15～20臺(tái)沖擊鉆機(jī)，在護(hù)壁泥漿消耗量方面，抓斗成槽施工比沖擊鉆施工泥漿消耗要少很多，因此沖擊鉆機(jī)不再列入地下連續(xù)墻的主要挖掘成槽方式。

1.1 抓斗型成槽設(shè)備

抓斗成槽機(jī)是用履帶式起重機(jī)懸掛抓斗，抓斗通常是蚌式的，根據(jù)抓斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為液壓導(dǎo)板抓斗、導(dǎo)桿式抓斗、混合式抓斗。

（1）液壓導(dǎo)板抓斗是用高壓膠管把液壓傳送到幾十米深處的抓斗斗體以完成抓斗的開啟和關(guān)閉，用導(dǎo)板為抓斗導(dǎo)向以防偏斜，它是用鋼絲繩懸吊在履帶起重機(jī)或其他機(jī)架上的，如德國(guó)寶峨（BAUER）GB系列，日本真砂（MASGO）MHL系列，意大利土力公司（SOILMEC）BH系列，法國(guó)地基建筑公司BAYA系列，意大利卡沙哥蘭地集團(tuán)（CASAGRANDE）KRC系列。其特點(diǎn)是液壓導(dǎo)板抓斗的閉斗力大，挖槽能力強(qiáng)，多設(shè)有糾偏裝置，因此可以保證高效率、高質(zhì)量地挖槽。

（2）導(dǎo)桿式抓斗分為全導(dǎo)桿式和伸縮導(dǎo)桿式兩種。全導(dǎo)桿式抓斗最早是由英國(guó)國(guó)際基礎(chǔ)公司生產(chǎn)的BSP型，不過目前已不再生產(chǎn)。伸縮式導(dǎo)桿抓斗有法國(guó)的KELLY、意大利的KRC和日本的CON系列。其特點(diǎn)是導(dǎo)桿式抓斗一般采用伸縮式方桿傳遞動(dòng)力，開挖時(shí)噪聲和振動(dòng)很小，對(duì)周圍地層和環(huán)境影響及擾動(dòng)很小，它是松散砂層、軟黏土或開挖時(shí)需嚴(yán)格控制剪切作用的靈敏性土中進(jìn)行開挖的理想設(shè)備。這類抓斗多裝有測(cè)斜和糾偏裝置，成槽精度較高。

（3）混合式液壓抓斗是把鋼絲繩和導(dǎo)桿式液壓抓斗結(jié)合起來而推出的一種新型抓斗，是一種鋼絲繩懸吊的導(dǎo)桿抓斗，如意大利土力（SOILMEC）公司的BH-7/12和MAIT公司HR160抓斗，上海金泰公司生產(chǎn)的SG系列。其特點(diǎn)是吸收了鋼絲繩抓斗和導(dǎo)桿式抓斗的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，抓斗可快速地入槽和出槽，具有較高的垂直精度，可以穿過堅(jiān)硬的砂卵石地層，可以旋轉(zhuǎn)斗體改變斗體兩邊斗齒個(gè)數(shù)、使抓斗平衡抓土防止偏斜，抓斗上專門配置了沖擊齒，當(dāng)遇到非常堅(jiān)硬的黏土層或粉細(xì)砂（鐵板砂）層時(shí)，可裝上沖擊齒進(jìn)行作業(yè)，可在狹小場(chǎng)地施工，抓斗內(nèi)部裝有強(qiáng)制刮板，能加快卸土速度。

1.2 粉碎型成槽設(shè)備

全液壓臥銑式成槽機(jī)可分為垂直多軸回轉(zhuǎn)和水平多軸回轉(zhuǎn)型。

（1）垂直多軸回轉(zhuǎn)是利用兩個(gè)或多個(gè)潛水電機(jī)，通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)幾個(gè)鉆頭旋轉(zhuǎn)，切削土層，用泵吸反循環(huán)的方式排渣，主要機(jī)型有日本的BW系列、我國(guó)的SF-6080和ZLQ等。其特點(diǎn)是施工時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲，可連續(xù)進(jìn)行挖槽和排渣，施工效率高，但是這種鉆機(jī)只能掘削不太堅(jiān)硬的細(xì)顆粒地層。

（2）水平多軸回轉(zhuǎn)又稱為雙輪銑槽機(jī)，根據(jù)動(dòng)力源的不同，可以分成電動(dòng)和液壓兩種機(jī)型。液壓式有寶峨（BAUER）公司的BC型、卡沙特蘭地（Casagrande）公司的K3型、日本的TBW型等，電動(dòng)式有日本利根公司的EMX型等。其特點(diǎn)是對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)，淤泥、砂、礫石、卵石、砂巖、石灰?guī)r均可掘削，能直接切割混凝土，在一、二序槽的連接中不需專門的連接件，也不需采取特殊封堵措施就能形成良好的墻體接頭，成槽精度高達(dá)1‰～2‰，成槽深度大，一般可達(dá)60m，特制型號(hào)可達(dá)150m，挖掘效率高。

2 成槽設(shè)備選型

由于地基的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、建筑物的功能、施工機(jī)械技術(shù)性能的不同，地下連續(xù)墻的成槽機(jī)械設(shè)備應(yīng)用也是各不相同的。在選擇雅萬(wàn)高鐵1號(hào)隧道地下連續(xù)墻的成槽設(shè)備時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素：（1）印尼火山島嶼的地質(zhì)特性；（2）設(shè)計(jì)要求的成槽開挖深度和墻體厚度；（3）成槽機(jī)械設(shè)備適應(yīng)特性及經(jīng)濟(jì)性。

2.1 工程地質(zhì)特性

（1）印尼雅萬(wàn)高鐵1號(hào)隧道范圍內(nèi)地層地質(zhì)主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Qml），第四系更新統(tǒng)沖洪積層（Qav）。

（2）印尼雅萬(wàn)高鐵1號(hào)隧道范圍內(nèi)綜合圍巖分級(jí)均為Ⅵ級(jí)，Ⅵ級(jí)綜合圍巖是以當(dāng)?shù)鼗鹕交椅镔|(zhì)形成的，以高嶺石、英石、伊利石等黏土礦物為主，其中黏土礦物含量在地層中占比達(dá)76%，具有天然密度低和超高含水率、超大孔隙比、高液塑限、高壓縮性、低滲透性、高靈敏度、不易失水的工程地質(zhì)特征。其綜合物理力學(xué)指標(biāo)和鉆探巖芯表明該半膠結(jié)狀粉質(zhì)黏土礦物具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為結(jié)構(gòu)性黏土。

2.2 設(shè)計(jì)成槽要求

（1）地連墻設(shè)計(jì)成槽深度和厚度包括25m深和1m厚度、27m深和1m厚度、29m深和1m厚度、32m深和1m厚度、47m深和1m厚度，共5種墻體類型。

（2）開挖成槽尺寸控制標(biāo)準(zhǔn)要求：垂直度不大于3‰，槽深允許偏差范圍為-200～+100mm，槽長(zhǎng)允許偏差±50mm、槽厚允許偏差±10mm。

2.3 成槽機(jī)選型分析

抓斗式成槽機(jī)對(duì)地層的適應(yīng)性很強(qiáng)，從軟黏土到含有大漂石的沖擊層均可進(jìn)行挖槽。在風(fēng)化巖石中施工，一般選用銑槽機(jī)。抓斗式成槽機(jī)在60m以上較為經(jīng)濟(jì)，特殊設(shè)計(jì)可達(dá)120m；粉碎型成槽機(jī)中垂直多頭鉆可達(dá)120m，臥式雙輪銑最大深度可達(dá)170m。在壁厚方面，抓斗式成槽機(jī)一般為0.4～1.5m；粉碎型成槽機(jī)垂直多頭鉆為0.55～1.2m，臥式雙輪銑為0.62～3.2m。如有要求薄壁或超厚壁，各種類型均可特殊設(shè)計(jì)來滿足施工要求，但混合式液壓抓斗適用性更廣，成槽寬度為600～1500mm，滿足絕大部分工程施工要求。同時(shí)，混合式液壓抓斗采用加強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，科學(xué)的配重使重心更低、工作更穩(wěn)定，入硬層能力及垂直導(dǎo)向能力更強(qiáng)，成槽精度更高?；旌鲜揭簤鹤ザ房煽啃詮?qiáng)，關(guān)鍵部位采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接，抗沖擊和抗磨損能力強(qiáng)。軸、套等易損件采用特殊材料經(jīng)過熱處理，不易損壞，使用壽命更長(zhǎng)。在挖掘的深度和寬度對(duì)設(shè)備的要求沒有明確的限制下，根據(jù)設(shè)計(jì)深度和寬度合理地選擇混合式液壓抓斗式成槽機(jī)可以提高作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性。因此，1號(hào)隧道進(jìn)出口明挖及豎井段地下連續(xù)墻成槽施工采用上海金泰公司生產(chǎn)的SG系列中SG60混合式液壓抓斗式成槽機(jī)。

3 SG60混合式液壓抓斗式成槽機(jī)施工優(yōu)勢(shì)

上海金泰公司生產(chǎn)的SG系列連續(xù)墻液壓抓斗成槽機(jī)主要性能參數(shù)和實(shí)際施工能力均處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有先進(jìn)的雙卷?yè)P(yáng)同步技術(shù)，保證了抓斗在施工過程中的姿態(tài)穩(wěn)定，提高了施工精度；采用國(guó)際先進(jìn)的抓斗糾偏控制系統(tǒng)，測(cè)偏精度達(dá)百分之一度。抓斗施工姿態(tài)、施工曲線實(shí)時(shí)顯示，極大地提高了糾偏操作的及時(shí)性和可視性，使抓斗的成槽垂直度完全達(dá)到甚至超越施工要求。其主要技術(shù)性能如下。

（1）高靈敏度傾角傳感器。裝備有傾角傳感器的靈敏度可達(dá)0.01°，可以精確捕捉抓斗在槽內(nèi)出現(xiàn)的輕微傾斜。

（2）雙卷?yè)P(yáng)同步技術(shù)。抓斗姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)采用液壓雙卷?yè)P(yáng)同步技術(shù)，保證了抓斗在提升和下放過程中的姿態(tài)穩(wěn)定，提高了成槽垂直度。

（3）抓斗姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。抓斗的施工姿態(tài)、施工曲線可以在顯示屏上實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示，極大地提高了糾偏操作的及時(shí)性和可視性，使抓斗的成槽垂直度完全達(dá)到甚至超越施工要求。

（4）高穩(wěn)定性的抓斗結(jié)構(gòu)。獨(dú)特的長(zhǎng)導(dǎo)向、低重心抓斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了抓斗施工的狀態(tài)穩(wěn)定。

（5）整體式桅桿。桅桿采用鋼板焊接框型整體式，強(qiáng)度高、剛性大，在保證整機(jī)重心后置的同時(shí)，可以有效吸收抓斗施工時(shí)的震動(dòng)，提高了施工的穩(wěn)定性；采用油缸變幅，變幅范圍大，通過液壓操作變幅精度高、調(diào)整方便，并且施工安全性高；最大施工半徑可達(dá)5.6m，可有效避免設(shè)備對(duì)槽壁壓力過大造成塌孔事故。

（6）專用耐磨鋼絲繩。采用成槽機(jī)專用抗旋轉(zhuǎn)、耐磨卷?yè)P(yáng)鋼絲繩，使用壽命提高30%以上。

4 成槽機(jī)實(shí)際應(yīng)用及分析

雅萬(wàn)高鐵1號(hào)隧道進(jìn)出口明挖及豎井段地下連續(xù)墻槽段開挖采用“一槽三抓”挖槽法，施工順序?yàn)橄葍蛇吅笾虚g。成槽前，利用車載水平儀調(diào)整成槽機(jī)的平整度，履帶吊應(yīng)平行于導(dǎo)墻并盡量遠(yuǎn)離導(dǎo)墻邊，減少對(duì)槽壁的影響。成槽施工過程中，抓斗掘進(jìn)應(yīng)遵循一定原則，即慢提慢放，掘進(jìn)速度控制在1.5m/h左右。成槽過程中利用成槽機(jī)上的垂直度儀表及自動(dòng)糾偏裝置來保證成槽垂直度。當(dāng)成槽機(jī)抓斗提出槽內(nèi)時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿，減少泥漿液面的落差。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)單幅地連墻成槽深度為32m時(shí)的成槽記錄表，對(duì)SG系列SG60成槽機(jī)作業(yè)效能進(jìn)行了分析：第一抓從2018年5月9日上午9點(diǎn)18分開始到23點(diǎn)5分完成，總共耗時(shí)約14h；第二抓從5月11日13點(diǎn)25分開始到5月12日11點(diǎn)46完成（其中2點(diǎn)46分到7點(diǎn)休息），總共耗時(shí)18h；第三抓從5月12日12點(diǎn)15分開始到19點(diǎn)35分完成，總共耗時(shí)約7.5h。整幅地連墻成槽所耗費(fèi)時(shí)間為39.5h，平均成槽速度為0.78m/h。當(dāng)成槽深度達(dá)到6～13.5m、18.6～29m時(shí)遇到較為堅(jiān)硬的火山灰膠結(jié)層，導(dǎo)致成槽速度放緩，其他作業(yè)段成槽機(jī)作業(yè)均滿足高強(qiáng)度施工進(jìn)度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

印尼雅萬(wàn)高鐵1號(hào)隧道進(jìn)出口明挖及豎井段地下連續(xù)墻施工選用具有垂直度糾偏功能的上海金泰公司生產(chǎn)的SG系列SG60成槽機(jī)，在印尼火山灰物質(zhì)形成的以黏土礦物居多且土顆粒之間結(jié)合力較強(qiáng)的地質(zhì)條件下，其成槽施工精度優(yōu)，不僅縮短了工期，也提高了施工效率，從而保證了地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量。