等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻配套裝備研究

李耀良李吉勇羅云峰朱德勇龔 妍陳志強

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200433；

2. 上海市地下工程施工泥漿專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺 上海 200433

隨著城市地下空間的快速發(fā)展，基坑朝更深、更大方向發(fā)展已成必然趨勢。在鬧市區(qū)進行深基坑施工時，受到的周圍建筑、道路交通、地下管線等環(huán)境的影響也越來越復雜。目前國內(nèi)基坑的常規(guī)支護工藝受施工場地和施工速度等因素限制，與城市交通及周邊環(huán)境的沖突日趨嚴重。

為滿足目前地下空間發(fā)展需求，等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻得以研發(fā)，相對于傳統(tǒng)地下連續(xù)墻，其應(yīng)用水泥漿替代原地下連續(xù)墻中的混凝土，同時將預(yù)制型鋼作為勁性骨架，較原地下連續(xù)墻中的鋼筋施工占地小、安裝方便、工期短、對周邊環(huán)境影響小，造價相對較低，將大大改善傳統(tǒng)地下連續(xù)墻工法在城市工程建設(shè)中的用地和環(huán)境影響問題[1]。

相對傳統(tǒng)地下連續(xù)墻、鉆孔樁等地下圍護工藝，等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻的主要工藝特點及優(yōu)點為：構(gòu)件預(yù)制裝配率及機械化施工率高；占地小、人工成本低。要實現(xiàn)高裝配率及機械化操作施工，其配套裝備研發(fā)是關(guān)鍵。本文針對等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻施工，研究開發(fā)出一系列適用于型鋼插放、定位導向等工藝的成套配套機具和施工設(shè)備。

1 等厚水泥土連續(xù)鋼墻成墻主機設(shè)備分析

等厚水泥土攪拌墻技術(shù)是從日本引進，經(jīng)國內(nèi)消化吸收，改進后發(fā)展起來的。等厚水泥土攪拌墻成墻主要設(shè)備為鋸鏈式（TRD）設(shè)備和銑削式（CSM）設(shè)備。其中：渠式切割水泥土攪拌墻通過將鋸鏈式切割箱打入設(shè)計深度并橫向移動，使鏈條刀具上下循環(huán)轉(zhuǎn)動，利用刀頭對地基土進行切割成槽，同時在墻體深度方向進行水泥漿液與切割地基土的混合與攪拌，從而形成連續(xù)的等厚水泥土攪拌墻；銑削深攪水泥土攪拌墻在鉆具底端配置電動機驅(qū)動的銑輪，銑輪采用水平軸向旋轉(zhuǎn)攪拌方式，并經(jīng)由特制機架與導桿連接或由鋼絲繩懸掛，銑輪旋轉(zhuǎn)深入地層削掘與破壞土體時，強制性攪拌已松化的土體，結(jié)合注入水泥、水，形成矩形槽段的改良土體。

綜合銑削式、鋸鏈式等厚水泥土地下連續(xù)墻的成墻及設(shè)備特性，從成墻深度、厚度、效果、均勻性、地質(zhì)及環(huán)境適應(yīng)性等方面進行工藝特性分析。

1）在成墻深度方面，目前2種設(shè)備成墻最大深度都可達到80 m，均能滿足超深等厚水泥土地下連續(xù)墻成墻深度方面的需求。

2）在成墻厚度方面，銑削設(shè)備成墻厚度為640～1 200 mm，鋸鏈設(shè)備通常標準模數(shù)為550～850 mm。銑削設(shè)備在成墻厚度方面適用性更強。

3）在成墻效果方面，2種設(shè)備工藝特性成墻的垂直度、水泥土強度控制指標基本相同。

4）在成墻均勻性方面，鋸鏈設(shè)備能實現(xiàn)成墻深度范圍全斷面的切割，銑削設(shè)備主要靠下部銑輪銑削和噴漿循環(huán)，因此鋸鏈設(shè)備效果更為理想。

5）在成墻地質(zhì)條件適用性方面，鋸鏈設(shè)備主要適用土層為黏性土、砂土，直徑小于100 mm的砂礫及礫石層，銑削設(shè)備除了軟土外，最大削銑能力為可削銑剪切強度標準值35 MPa的巖石地層。相對而言，銑削設(shè)備在硬質(zhì)土層環(huán)境也有較大應(yīng)用范圍。

6）在環(huán)境適應(yīng)性方面，懸吊式銑削設(shè)備可滿足8 m極限凈空及任意轉(zhuǎn)角施工要求，鋸鏈設(shè)備高度較高，同時轉(zhuǎn)角處理較為不便。

綜合上述對比，銑削式等厚水泥土地下連續(xù)墻工法具有較大的優(yōu)勢和發(fā)展前景，因為該工法具有施工速度快、適合復雜場地條件下施工（占用施工場地少）、垂直度控制精度高（攪拌垂直度可達1‰）、削銑能力強（可削銑剪切強度標準值在35 MPa以下地層）、成墻質(zhì)量高和環(huán)保效果好等特點，可適用于復雜環(huán)境下的超深基坑止水帷幕及支護樁等工程。銑削式成墻設(shè)備主機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 銑削式成墻主機設(shè)備結(jié)構(gòu)

2 移動式操作導向架機具研發(fā)

2.1移動式操作導向架機具總體設(shè)計

為方便鎖扣型鋼插放施工及垂直度、施工安裝精度控制，設(shè)計研發(fā)一種便捷式可移動的操作導向架。該配套設(shè)備集鎖扣型鋼下放安裝操作平臺及鎖扣型鋼垂直導向控制于一體，主要由下部移動操作平臺車、下部垂直導輪、操作架身、上部垂直導向?qū)л喖?、臨時擱置平臺等部分結(jié)構(gòu)組成。機架總體尺寸約3.2 m×3.2 m×3.5 m。操作架主要由無縫矩形鋼管、型鋼焊接及端部螺栓法蘭連接組成。整體質(zhì)量較輕，現(xiàn)場施工安裝方便。導向架上下層導輪導向高度約3 m，能實現(xiàn)x、y方向4個位置的垂直導向控制，垂直度操作控制便捷。操作導向架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 導向操作架結(jié)構(gòu)示意

2.2移動式操作導向架導輪調(diào)節(jié)設(shè)計

導輪組件固定于導輪框架上，導向裝置主要由滾輪組件、導向座、螺桿調(diào)節(jié)螺母、球頭螺桿、螺母卡板等組成。現(xiàn)場實施時，可通過調(diào)節(jié)球頭螺桿伸縮控制滾輪組件的進退，從而進行型鋼的垂直度控制（圖3）。結(jié)合槽段寬度及保護層預(yù)留厚度，導輪組件調(diào)節(jié)行程設(shè)置為0～120 mm，最大行程大于100 mm（兩側(cè)保護層厚度），可滿足型鋼最大偏位調(diào)節(jié)控制要求。

圖3 導輪框架及導輪組件結(jié)構(gòu)示意

當上部凈空條件極受限時，移動操作平臺車僅布置1層導輪，配合滑動連接導架進行型鋼垂直度的控制。為準確控制型鋼的垂直度，在導墻內(nèi)預(yù)埋好預(yù)埋件后開挖槽段，放置鋼導梁，形成移動操作平臺車，其上安裝導輪。施工過程中，左側(cè)上下2層導輪向型鋼靠攏，通過全站儀將型鋼調(diào)至同一鉛垂面，再將右側(cè)導輪靠緊，用全站儀復測型鋼的垂直度，用導輪調(diào)整到位，控制型鋼插放垂直度。

2.3移動式操作導向架現(xiàn)場實施

移動操作平臺車移動方便，擁有插放3根型鋼組的操作空間，型鋼分組進行插置，根據(jù)插放型鋼組的順序移動到預(yù)定位置，單次前進距離為700 mm。每組階段施工結(jié)束，通過預(yù)置軌道，轉(zhuǎn)移到下組型鋼插置工序位置，翻轉(zhuǎn)使用，從而節(jié)約定位導向底架的用量與轉(zhuǎn)移定位的時間。施工時將夾軌器與鋼軌夾緊，必要時用墊木將行走輪固定，防止施工過程中導向架出現(xiàn)移動現(xiàn)象。操作導向組合機架，集操作平臺、臨時擱置平臺、上下16組導輪于一體，可實現(xiàn)現(xiàn)場安全、快速及高精度的垂直度調(diào)節(jié)控制。通過在上海浦東機場三期配套工程現(xiàn)場進行試驗，鎖扣型鋼下放安裝過程的總垂直度控制精度在1/500內(nèi)。

3 下放配套組件設(shè)計

3.1鎖扣芯管組件

間斷施工及首根鎖扣型鋼對接最終合攏側(cè)設(shè)置芯管組件（圖4），芯管組件用于填充900 mm×700 mm的GHR-I型鋼組和900 mm×700 mm的GH-R型鋼組的雌頭圓筒內(nèi)腔。型鋼雌頭內(nèi)徑為106 mm，芯管外徑為83 mm。型鋼起吊前，需在型鋼雌頭內(nèi)放置好芯管，使芯管跟隨型鋼一起下放，防止型鋼插放時雌頭內(nèi)進入硬物，并保護型鋼止口，以免被泥漿灌入硬化固結(jié)導致雌頭失效。

圖4 標準芯管組件構(gòu)造

此外，針對近接成槽施工側(cè)，研發(fā)設(shè)計了1套帶防護板芯管組件（圖5），用于填充已開挖槽段最后一組型鋼組雌頭圓筒內(nèi)腔，防止型鋼止口在銑槽機工作時被銑削破壞。

圖5 帶防護板芯管組件構(gòu)造

在芯管上下對接時，為防止下節(jié)芯管下墜及對接螺紋鎖緊，采用芯管對接臨時擱置板裝置（圖6）進行約束。該裝置為U形槽口并結(jié)合螺桿螺栓進行調(diào)節(jié)鎖定。

圖6 芯管對接臨時擱板示意

3.2懸吊組件

3.2.1 擱置梁

當型鋼節(jié)段下放至上下節(jié)段連接位置時，將擱置梁穿過型鋼上的擱置孔，使型鋼暫時擱在擱置梁上，以方便上下型鋼節(jié)段的螺栓連接（圖7）。連接好上下型鋼節(jié)段后，將型鋼組整體往上吊起一小段，取掉型鋼擱置梁，繼續(xù)下放型鋼組整體到合適高度，再次用擱置梁將型鋼組擱置好。擱置梁采用20a#工字鋼加工而成。

圖7 擱置梁結(jié)構(gòu)示意

3.2.2 吊梁組件

吊梁組件由中間垂直吊具和擱置吊梁組件組成（圖8）。在最后一節(jié)型鋼安裝完成后，采用垂直固定于腹板處的吊具進行吊裝。型鋼下放到位后，由擱置吊梁組懸掛型鋼于兩側(cè)翼板處。

圖8 吊梁組件示意

擱置吊梁組件由吊鉤、擱置可調(diào)螺母、擱置槽鋼、吊板等組成（圖9）。型鋼組插放完畢后，用型鋼固定吊梁將型鋼固定在導梁上。吊梁為126 mm×53 mm槽鋼雙拼，吊鉤直徑36 mm。吊板與型鋼連接，吊鉤鉤住吊板，通過調(diào)節(jié)螺母擱置在吊梁上。通過吊桿上的螺紋副可以對型鋼4點高度進行微調(diào)，進一步調(diào)整型鋼垂直度。待槽段內(nèi)水泥土強度達到后，再拆除吊桿及吊梁。

圖9 擱置吊梁組件示意

4 首根鎖扣型鋼斜撐調(diào)整固定裝置

在地下連續(xù)鋼墻的鎖扣型鋼插放過程中，首根型鋼的插置定位與垂直精度會影響整個工程的施工質(zhì)量與進度，因此對其位置與垂直精度的控制十分重要。

在首根型鋼下放到位后，由于槽段水泥漿還未來得及初凝固定，如何使插入調(diào)垂好后的型鋼保持良好的垂直度狀態(tài)十分重要，同時首根鎖扣型鋼的固定約束及狀態(tài)保持對于后續(xù)鎖扣型鋼的插入垂直度質(zhì)量控制也有著關(guān)鍵影響。因此，研發(fā)設(shè)計一種地下連續(xù)鋼墻工藝插放型鋼時，首根鎖扣型鋼的調(diào)整斜撐固定裝置，保證在地下連續(xù)鋼墻插放鎖扣型鋼施工過程中首根型鋼的插置垂直精度與牢靠固定。

連續(xù)鋼墻首根鎖扣型鋼的調(diào)整固定裝置（圖10），包括轉(zhuǎn)軸固定底座、轉(zhuǎn)軸、斜撐桿、首根型鋼專用頂節(jié)段。首根鎖扣型鋼專用頂節(jié)段通過連接板及螺栓固定連接在首根型鋼的頂端，高于地面之上。首根鎖扣型鋼專用頂節(jié)段的上面固定連接轉(zhuǎn)軸的固定底座及轉(zhuǎn)軸；首根鎖扣型鋼專用頂節(jié)段與導墻之間連接有斜撐桿，通過首根鎖扣型鋼專用頂節(jié)段對首根型鋼的垂直度進行調(diào)整，并予以固定。

圖10 首根型鋼斜撐調(diào)整固定裝置

首根鎖扣型鋼專用頂節(jié)段裝有高度可調(diào)的臨時擱置棒座和專用擋輪，方便第2根型鋼的插置。同時，斜撐桿通過配置左右倒順絲牙的螺桿副調(diào)節(jié)長度，底部安裝1副轉(zhuǎn)軸座，一端與撐桿焊接，另一端用植筋螺桿固定在導墻上，用銷軸相連，頂部通過橫梁用螺栓與首根鎖扣型鋼專用頂節(jié)段的頂端相連。

當型鋼插到位后，斜撐桿與轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸固定底座配合使用，對型鋼進行調(diào)直，以此保證首根型鋼的垂直度。

轉(zhuǎn)軸安裝在首根鎖扣型鋼專用頂節(jié)段的鎖扣型鋼翼緣板下部預(yù)留的安裝孔內(nèi)，并與型鋼固定，轉(zhuǎn)軸固定底座通過銷軸套裝在轉(zhuǎn)軸兩端的銷孔位置處。

當首根型鋼插放到首根鎖扣型鋼專用頂節(jié)段時，安裝型鋼連接板后，將轉(zhuǎn)軸固定底座上穿轉(zhuǎn)軸，隨后繼續(xù)下插型鋼至轉(zhuǎn)軸固定底座的底板接觸到導墻為止，用植筋螺栓將轉(zhuǎn)軸固定底座的底板固定。

轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)軸固定底座與斜撐桿配合使用，對型鋼進行姿態(tài)調(diào)整，待型鋼調(diào)直后在導墻上固定。

本斜撐固定裝置的有益效果是：在地下連續(xù)鋼墻鎖扣型鋼的插放過程中，首根鎖扣型鋼的插置定位與垂直精度控制影響整個工程的施工質(zhì)量與進度。對首根型鋼精準調(diào)直并固定，可為后續(xù)施工提供可靠基準，提高施工效率。

5 實施效果

結(jié)合水泥土地下連續(xù)鋼墻配套機具，在上海浦東機場三期配套工程浦東機場站先后進行了3次現(xiàn)場成墻及鎖扣型鋼連續(xù)插放工藝試驗。在成墻好后的槽段插入4節(jié)共48 m的鎖扣型鋼。通過配套機具的輔助導向及臨時擱置，實現(xiàn)了鎖扣型鋼的快速下放及垂直度導向控制，每根型鋼在1.5 h內(nèi)安裝及下放到位。較傳統(tǒng)地下連續(xù)墻施工，大大減少了鋼筋籠制作（1 d）及吊裝（2 h）工序時間，提高了現(xiàn)場施工效率。經(jīng)現(xiàn)場實時測量，鎖扣型鋼插放垂直度控制在1/500之內(nèi)，確保了鎖扣型鋼連續(xù)插放的質(zhì)量。

6 結(jié)語

1）針對水泥土地下連續(xù)鋼墻施工，研究開發(fā)出一系列適應(yīng)于地下水泥土連續(xù)鋼墻的型鋼插放、定位導向、固定吊梁、內(nèi)插芯管、斜撐鎖定等配套機具及設(shè)備，大大提高了水泥土地下連續(xù)鋼墻的鎖扣型鋼現(xiàn)場裝配式施工效率、安裝精度及下放的垂直度。

2）本文研發(fā)的配套機具，主要應(yīng)用在吊車吊裝好后的型鋼下放階段，對于在凈空受限環(huán)境下，不能使用吊機吊裝型鋼時，若能研制出低凈空下集型鋼吊裝、安裝及下放于一體的矮架機具，將會進一步提升水泥土連續(xù)鋼墻的適用范圍。后續(xù)也將對適用于低凈空受限環(huán)境的配套機具進行進一步研發(fā)。