地下連續(xù)墻用方形錘頭的設(shè)計及應(yīng)用

馬章歷，楊東河，王國偉，陳 偉，劉 珂，薛 磊，何繼蘭，王 麗，趙元斌

（1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濟(jì)南 250000；2.山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實驗室，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

地下連續(xù)墻成槽施工時，軟質(zhì)地層往往采用抓斗式成槽機(jī)械，槽孔可以直接成型；在硬質(zhì)地層，可以采用一種工藝一次性成槽，也可以采用2 種或2種以上工藝配合成槽。一次性成槽多選用雙輪銑，該設(shè)備施工效率高，但采購、使用和維護(hù)成本較高，多數(shù)情況下還是多種工藝配合成槽，雖然施工效率低，但施工設(shè)備（多為旋挖鉆機(jī)和沖擊鉆機(jī)配合）使用成本比較低。

方形錘頭是地下連續(xù)墻多種工藝配合成槽最后一道工序的鉆具，用于最后成槽的修孔和掃孔。地下連續(xù)墻施工時，前期槽孔多為旋挖鉆機(jī)或者單繩沖擊鉆機(jī)施工的圓柱形槽孔，按一定尺寸在槽段內(nèi)沿直線分布，槽孔邊緣處并非相交，而是有一定的距離，同時槽孔四周邊角處也存在未施工到的部分，這就需要沖擊鉆機(jī)牽引方形錘頭進(jìn)行沖擊作業(yè)，把上述提到的地方進(jìn)行二次施工（修孔），以便槽孔成為標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)墻槽段孔［1-3］。

1 研究現(xiàn)狀

近幾年，隨著各大城市地鐵、商場類建設(shè)項目的不斷增加，地下連續(xù)墻工法的應(yīng)用越來越廣泛，對施工設(shè)備及輔助類錘頭的需求也日益增加。然而，工程施工中用于硬質(zhì)地層地下連續(xù)墻二次修孔的方形結(jié)構(gòu)錘頭，卻并未有專業(yè)廠家生產(chǎn)［4-5］。目前，施工單位采用的方形結(jié)構(gòu)錘頭，多是在鑄造四爪圓形錘頭基礎(chǔ)上改造而來（見圖1、圖2）。

圖1 改造的方形錘頭上端Fig.1 Upper part of the modified chisel

圖2 改造的方形錘頭底部Fig.2 Bottom part of the modified chisel

其結(jié)構(gòu)一般如下：錘頭底部四爪周邊按尺寸規(guī)格排列矩形板，組成一個矩形框體，矩形板內(nèi)側(cè)與四爪相接，兩者焊接成整體，矩形板底部焊接錘牙；上方則用4 個斜長筋板把矩形板和圓錘頭四爪肋板相連，然后焊接成整體；打撈則是在2 個斜筋板之間焊接鋼筋制成的U 形環(huán)。這種改造的錘頭優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，容易修補(bǔ)；缺點是尺寸和質(zhì)量大小往往受限于圓錘頭，很難達(dá)到理想的要求，而且U 形打撈環(huán)在施工過程中也容易出現(xiàn)被磕碰掉現(xiàn)象，同時下方加裝的矩形板高度過大且不帶有任何傾角，使用過程中卡鉆現(xiàn)象非常普遍。由此可見，這種改造的方形結(jié)構(gòu)錘頭，缺點明顯，在實際使用過程中施工效率并不高。從施工應(yīng)用現(xiàn)狀來看，市場亟需一種為地下連續(xù)墻修孔而生產(chǎn)的專業(yè)方形結(jié)構(gòu)錘頭。

2 方形錘頭設(shè)計

設(shè)計新型方形錘頭，首要問題是要解決錘頭設(shè)計思路問題。通過前期市場調(diào)查，特別是了解了改造方形錘頭應(yīng)用的優(yōu)缺點后，新型方形錘頭需要從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、打撈問題及如何防止卡錘等幾方面進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化［6-10］。

2.1 材料選擇

目前施工單位采用的改造方形錘頭，多是在鑄造四爪圓錘頭基礎(chǔ)上改造而成。鑄造圓錘頭材料一般采用ZG310-570，屈服強(qiáng)度為310 MPa，抗拉強(qiáng)度為570 MPa。改造附加的矩形鋼板材料一般為Q235B，屈服強(qiáng)度235 MPa，抗拉強(qiáng)度370～500 MPa。從兩種材料的力學(xué)性能對比來看，力學(xué)性能差距大，進(jìn)而導(dǎo)致兩者焊接性能差，使用過程中容易出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象。鑒于此情況，決定新型方形錘頭統(tǒng)一材料規(guī)格，成型方式全部采用焊接而成。綜合考慮，新型方形錘頭采用了Q345B 作為錘頭框架主體材料。之所以選擇Q345B 作為框架主體材料，一方面是因為Q345B 是一種低碳合金鋼，具有較好的力學(xué)性能，且與目前市場中常用的鑄造錘頭材料ZG310-570 力學(xué)性能相近；另一方面是因為作為低碳合金鋼，其焊接性能好，可有效避免焊縫開裂現(xiàn)象，而且制造成本也相對較低。ZG310-570 和Q345B 兩種材料的力學(xué)性能對比見表1。

表1 材料力學(xué)性能對比Table 1 Comparison of mechanical properties

從表1 中可以看出，ZG310-570 和Q345B 兩種材料的力學(xué)性能接近，甚至Q345B 力學(xué)性能略好。選擇Q345B 作為新型方形錘頭框架主體材料，不僅保證了新型錘頭母體整體框架強(qiáng)度，同時又解決了因兩種不同材料存在性能差異過大引起的焊縫應(yīng)力集中開裂現(xiàn)象。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

錘頭結(jié)構(gòu)合理與否，是影響錘頭施工效率的最重要因素，通過多次的施工現(xiàn)場考察總結(jié)，結(jié)合我們多年的錘頭生產(chǎn)經(jīng)驗，一個好的錘頭應(yīng)當(dāng)具備以下3 個因素：良好的導(dǎo)向性、單位面積沖擊力高以及過水面積大。因此，制造新型方形錘頭，決定從這3 個方面著手設(shè)計其結(jié)構(gòu)。

2.2.1錘頭導(dǎo)向性

錘頭導(dǎo)向性越好，錘頭上提和沖擊時就越順暢，就越能避免卡錘和埋錘現(xiàn)象產(chǎn)生，降低發(fā)生事故的概率，也就相應(yīng)提高了有效工作時間和施工效率。目前，施工單位采用的改造方形錘頭，在錘頭導(dǎo)向性方面存在著2 方面的不足，一是改造方形錘頭是在鑄造圓錘頭基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，因此，其牽引方式承襲了鑄造圓錘頭的牽引方式，錘頭頂部由一根鋼絲繩牽引。這種牽引方式，錘頭破碎沖擊時，垂直穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生擺動，特別是遇到硬質(zhì)巖層，擺動幅度更大，錘頭來回擺動，極易導(dǎo)致錘頭卡錘現(xiàn)象。為避免此種現(xiàn)象，設(shè)計新型方形錘頭時，我們將牽引方式由單繩牽引改為了雙繩牽引，與之匹配的鉆機(jī)可以采用山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)。雙繩牽引，垂直穩(wěn)定性高，擺動幅度小，能有效降低卡錘概率。二是，為了盡可能增重，改造方形錘頭底部加裝的矩形板，高度較大，且四邊未帶傾角，沖擊時，與地下連續(xù)墻墻壁接觸面積較大，無形中也增加了卡錘概率。鑒于此，新型方形錘頭一方面4個圍板高度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，另一方面，圍板側(cè)面都設(shè)計有5°～10°的傾角，減小與墻面的接觸面積，便于錘頭提拉沖擊順暢。

2.2.2單位面積沖擊力

錘頭作為施工鉆具，施工時沖擊破碎巖石的力，主要來自自身自由落體產(chǎn)生的沖擊動能。理論上講，錘頭越重，錘頭面積一定的情況下，單位面積沖擊力越高，施工效果也就越好。但錘頭質(zhì)量不能無限增加，其質(zhì)量往往受限于與之匹配的鉆機(jī)提升能力。目前，市場上應(yīng)用的改造方形錘頭，限制于單繩鉆機(jī)提升力以及改造結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量最多在5～6 t；而新型方形錘頭，若采用山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)牽引，根據(jù)鉆機(jī)主油缸提升能力，錘頭質(zhì)量可以設(shè)定為8 t。假若2 種錘頭同時施工墻厚1 m 的地下連續(xù)墻，根據(jù)目前一幅連續(xù)墻6 m 的設(shè)定，錘頭長度一般設(shè)計為2 m 左右，其底部面積大約為1.6 m2，改造錘頭最大單位面積的沖擊力37.5 kN/m2，新型方形錘頭單位面積的沖擊力則為50 kN/m2，與改造方形錘頭相比，單位面積沖擊力最少能提升30%。

2.2.3過水面積比例

此處所講的過水面積比例是指錘頭底部空檔面積與錘頭底部總面積之比。眾所周知，地下連續(xù)墻成槽施工時，槽內(nèi)一般都是充滿泥漿，這些泥漿一方面起到護(hù)壁作用，另一方面把錘頭沖擊下來的渣石帶到地面上。由于泥漿的存在，錘頭在沖擊下落過程中，泥漿會對錘頭產(chǎn)生一定的浮力，若是錘頭過水面積比例過小，泥漿不能及時從錘頭空檔處排出，錘頭的沖擊動能則會大打折扣，尤其是深孔沖擊時，這種現(xiàn)象更為明顯。綜合考慮錘頭底部尺寸以及錘牙分布情況，將過水面積比例設(shè)定在60%左右，這樣既能保證泥漿的及時排出，又能保證錘牙的合理分布，有效破碎巖石。

2.3 打撈結(jié)構(gòu)

在地下連續(xù)墻成槽施工過程中，由于地層復(fù)雜多變，難免會出現(xiàn)錘頭掉落到槽孔內(nèi)的現(xiàn)象。一旦發(fā)生錘頭掉落到槽內(nèi)，就需要打撈錘頭，此時，錘頭打撈處設(shè)計是否合理，將直接影響到打撈效率。目前市場上應(yīng)用的改造方形錘頭多是在鑄造圓錘頭斜肋板上焊接2 個U 型環(huán)（參照圖1），這種結(jié)構(gòu)簡單，但是打撈面積有限，而且在施工過程中易與槽壁發(fā)生磕碰，被磕掉的概率很高，需要頻繁焊接，降低了打撈效率。新型方形錘頭則是采用了鋼絲繩打撈方案，在錘頭上部分中間主板上左右兩側(cè)對稱開孔，沿孔布置一圈鋼絲繩，卡子卡緊。鋼絲繩圍成的內(nèi)截面小于錘頭底部面積，這樣不僅增大了打撈面積，也降低了與連續(xù)墻墻壁磕碰的概率。

2.4 新型方型錘頭結(jié)構(gòu)

綜合考慮上述結(jié)構(gòu)設(shè)計及打撈問題，設(shè)計的地下連續(xù)墻用新型方形錘頭結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 新型方形錘頭結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the new square chisel

3 有限元力學(xué)分析

新型方形錘頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計出來后，通過模擬其在地下連續(xù)墻內(nèi)施工工況，對其進(jìn)行了有限元力學(xué)分析，以確定錘頭整體結(jié)構(gòu)是否能承受預(yù)期載荷，而錘頭框架不變形。

3.1 幾何建模

根據(jù)單位軟件應(yīng)用情況，錘頭的有限元力學(xué)分析，是基于Autodesk Inventor Professional 進(jìn)行的［11］。建模過程中，由于整個錘頭是采用焊接而成，因此把整個錘頭作為一個零件來進(jìn)行分析。錘頭建模模型見圖4。

圖4 錘頭建模模型Fig.4 Model of the chisel

3.2 應(yīng)力分析過程

第一步，設(shè)定錘頭材料。因為把錘頭整體看作了一個零件，所以材料選擇為Q345B。第二步，設(shè)定載荷。雖然錘頭質(zhì)量只有8 t，但在地下連續(xù)墻深槽內(nèi)，各種力交叉疊加，設(shè)定作用力為500 kN。第三步，施加約束。錘頭沖擊時，因為巖石反作用力會反饋到錘頭底部，所以把約束設(shè)定在錘頭底部各處。第四步，設(shè)定網(wǎng)格。網(wǎng)格越小，其分析精度越高，此處設(shè)置為自動網(wǎng)格。第五步，分析求解。

3.3 分析結(jié)果

Inventor 的有限元應(yīng)力分析結(jié)果，會以報告的形式在軟件的左側(cè)顯示，其分析結(jié)果包括：等效應(yīng)力、最大應(yīng)力、變形位移、安全系數(shù)等，其等效應(yīng)力和變形位移見圖5、圖6。

圖5 等效應(yīng)力圖Fig.5 Equivalent stress diagram

圖6 變形位移圖Fig.6 Deformation displacement diagram

從分析結(jié)果可以看出，在500 kN 作用力下，錘頭變形等效應(yīng)力只有13 MPa 左右，相對于材料Q345B 屈服強(qiáng)度（345 MPa），變形較?。诲N頭變形位移只有0.02 mm 變形量，整體框架結(jié)構(gòu)保持完整。通過應(yīng)力分析結(jié)果，可以得出新型方形錘頭結(jié)構(gòu)合理，整體強(qiáng)度高，能滿足工程使用要求。

4 方形錘頭應(yīng)用

4.1 施工工藝原理及流程

新型方形錘頭研制成功后，可配合山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)，采用氣舉反循環(huán)工藝進(jìn)行地下連續(xù)墻施工［12-16］。

氣舉反循環(huán)工藝原理：空壓機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，空氣通過氣管輸送到排渣管內(nèi)，在排渣管內(nèi)形成氣漿混合物，由于氣漿混合物密度小，會在底部泥漿和進(jìn)氣口之間形成一個負(fù)壓，在負(fù)壓作用下，氣漿混合物不斷上升，形成流速、流量大的反循環(huán)。這樣被方形錘頭切割下來的巖屑等，被送到地面沉淀池或振動篩內(nèi)，減少了巖屑的二次破碎及錘頭的磨損。

施工工藝流程：

（1）空壓機(jī)出氣口安裝氣管至排渣管焊接氣管接頭處，安裝牢固，用鐵絲固定氣管。上節(jié)排渣管彎頭連接膠管始端，膠管末端連接振動篩進(jìn)口連接處。

（2）錘頭剛開始進(jìn)入導(dǎo)墻時，用短沖程沖擊。當(dāng)?shù)竭_(dá)巖石層時采用氣舉反循環(huán)工藝錘進(jìn)，排渣管下放時氣管同步跟進(jìn)。送風(fēng)量由小到大，風(fēng)壓稍大于錘頭底部壓力，結(jié)合出漿速度、地下連續(xù)墻深度等調(diào)節(jié)風(fēng)壓，當(dāng)錘渣較厚、塊較大時可適當(dāng)增大送風(fēng)量。

（3）錘進(jìn)時，鉆機(jī)副卷揚(yáng)垂直提升排渣管，保證排渣管底端在錘頭心部，排渣管與錘頭應(yīng)同步跟進(jìn)，盡量使排渣管最底端比錘頭底端高出300～500 mm。在連接排渣管時用鉆機(jī)工具卷揚(yáng)吊裝排渣管。

（4）在錘進(jìn)過程中，當(dāng)上節(jié)排渣管彎頭處離泥漿水平面1～1.5 m 時，增加1 根排渣管，卡鍵安裝時，沖洗鍵槽處泥沙以便于安裝。

（5）在連續(xù)錘進(jìn)硬巖時，錘牙容易磨損嚴(yán)重，需要及時修復(fù)錘牙或者更換，以防卡錘頭。

4.2 施工案例

配合山東省地質(zhì)探礦廠生產(chǎn)的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)，采用氣舉反循環(huán)工法，新型方形錘頭先后在廈門地鐵3 號線、深圳地鐵14 號線等多個工地應(yīng)用施工，施工厚度為1 m 的地下連續(xù)墻。其施工現(xiàn)場見圖7、圖8。

圖7 廈門施工現(xiàn)場Fig.7 Construction site in Xiamen

圖8 深圳施工現(xiàn)場Fig.8 Construction site in Shenzhen

根據(jù)2 個工地施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在硬度100 MPa以下的巖石地層中，新型方形錘頭的施工效率較好，可以達(dá)到0.5～0.6 m/h，而用改造方形錘頭在同地層的施工效率僅有0.2～0.3 m/h，效率提高1 倍。在硬度150 MPa 以上，新型方形錘頭的施工效率降低明顯，僅有0.2 m/h 左右，這與錘頭質(zhì)量大小和錘牙材料有較大關(guān)系，也是下一步需要改進(jìn)研究的地方。選擇類似Q390 系列等焊接性能更好、強(qiáng)度更高的低碳鋼作為框架主體，進(jìn)行科學(xué)對比，是我們下一步研究改進(jìn)的重要方向。

5 結(jié)語

多個工地實際應(yīng)用證明，新型方形錘頭結(jié)構(gòu)合理，施工效率較以往的改造錘頭有較大提高，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，有較好的應(yīng)用推廣前景。在硬度較高地層中如何選擇錘牙材料，提高施工效率，有待進(jìn)一步研究。