同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻施工SCP1000型原理樣機(jī)研制*

王 輝，王開(kāi)強(qiáng)，巴 鑫，周環(huán)宇，鄧 雷，姚 濤

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

地下連續(xù)墻是指利用各種挖槽機(jī)械，在地下挖出窄而深的溝槽，并在其內(nèi)部澆筑填充適當(dāng)?shù)牟牧隙纬傻木哂蟹罎B、擋土、承重等功能的連續(xù)地下墻體。根據(jù)取土比例和填充材料不同，地下連續(xù)墻可分為勁性水泥土地下連續(xù)墻和鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，前者在槽段內(nèi)填充攪拌水泥土并插入型鋼[1-2]，后者采用泥漿護(hù)壁成槽，插入鋼筋籠并澆筑混凝土[3]。

根據(jù)不同的基坑開(kāi)挖深度、擋土和防滲要求，以上2種常規(guī)工藝施工的地下連續(xù)墻能滿足大多數(shù)基礎(chǔ)工程的要求。但在基坑規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、開(kāi)挖深度不斷增加、周邊環(huán)境復(fù)雜敏感、風(fēng)險(xiǎn)難度不斷提升的基坑工程發(fā)展趨勢(shì)下[4]，對(duì)地下連續(xù)墻施工工藝和裝備提出了更高的要求[5]。

受TRD工法[6-7]啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出同步切割澆筑混凝土地下連續(xù)墻技術(shù)，采用連續(xù)不分幅工藝，將地下連續(xù)墻施工的成槽、澆筑和鋼筋籠置入3道工序在同一時(shí)間的不同工作面同步進(jìn)行，能極大地提升地下連續(xù)墻的施工效率、防滲性、擋土性能和垂直精度。

基于該創(chuàng)新工藝，進(jìn)行同步切割澆筑混凝土地下連續(xù)墻施工原理樣機(jī)(SCP1000型)研制，本文主要從其功能、組成及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 SCP1000型原理樣機(jī)組成及原理

根據(jù)同步切割澆筑混凝土地下連續(xù)墻無(wú)泥漿護(hù)壁、干作業(yè)取土、連續(xù)橫移掘進(jìn)、同步澆筑混凝土等一系列工藝要求，施工原理樣機(jī)需具備切削排土、切削機(jī)構(gòu)升降、自行走、掘進(jìn)-澆筑工作面動(dòng)態(tài)隔離、機(jī)械橫移頂推、主動(dòng)垂直度控制、穩(wěn)定槽壁等多種復(fù)雜功能。

此外，干作業(yè)掘進(jìn)和混凝土靜壓推力等創(chuàng)新技術(shù)路線會(huì)對(duì)地下作業(yè)裝置的負(fù)載特性帶來(lái)不確定因素，切削、橫移、升降動(dòng)力要求顯著提高。

以上均會(huì)對(duì)原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。通過(guò)理論分析，并對(duì)比相關(guān)工程機(jī)械參數(shù)，提出SCP1000型原理樣機(jī)(見(jiàn)圖1)及其設(shè)計(jì)參數(shù)(見(jiàn)表1)。SCP1000型原理樣機(jī)采用框架式機(jī)架、軌行式底盤(pán)，主要由調(diào)垂機(jī)架、升降機(jī)構(gòu)、駕駛室、液壓動(dòng)力站、行走及頂推機(jī)構(gòu)、切削排土及隔離機(jī)構(gòu)組成。

圖1 SCP1000型原理樣機(jī)組成

表1 SCP1000型原理樣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

作為核心工作部件的切削排土及隔離機(jī)構(gòu)，其頂部與滑動(dòng)總成固定安裝，滑動(dòng)總成可在機(jī)架內(nèi)升降滑動(dòng)，通過(guò)2套行程4 200mm、推力2 000kN、拉力1 200kN的液壓缸提供4 200mm升降位移、4 000kN提升力及2 400kN下壓力，在成墻起始幅將切削排土裝置打入設(shè)計(jì)成墻深度，并在成墻終止幅克服土壓摩擦阻力將切削排土裝置拔出。

SCP1000型原理樣機(jī)工作原理如圖2所示，切削排土機(jī)構(gòu)基于安裝有刀具和排土斗的閉環(huán)鏈條附著于切割箱體表面，并沿切削掌子面向上運(yùn)動(dòng)，切削土體的同時(shí)將渣土提升至地面排出，結(jié)合SCP1000型原理樣機(jī)主機(jī)向前掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)鋸切成槽。

圖2 SCP1000型原理樣機(jī)工作原理

隔離裝置安裝于切割箱體背側(cè)，并隨SCP1000型原理樣機(jī)主機(jī)掘進(jìn)向前運(yùn)動(dòng)。在掘進(jìn)成槽的同時(shí)，向隔離裝置后方槽段間隔澆筑混凝土并維持混凝土液面標(biāo)高，并在已澆筑混凝土中分階段、按順序插入鋼筋籠。

SCP1000型原理樣機(jī)橫移掘進(jìn)的前進(jìn)動(dòng)力主要為澆筑作業(yè)段全深高流態(tài)超緩凝混凝土作用于隔離裝置所形成的靜壓推力(見(jiàn)圖2)。以1m槽寬、50m深度估算，混凝土靜壓推力可達(dá)29 400kN。但混凝土靜壓推力受流動(dòng)性和深度影響，人工干預(yù)難度大，不利于主機(jī)掘進(jìn)速度的控制。因此，在SCP1000型原理樣機(jī)主機(jī)增設(shè)了雙向主動(dòng)頂推機(jī)構(gòu)，可提供±1 000kN的水平推力，用以補(bǔ)償靜壓推力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)速度的主動(dòng)控制。

2 SCP1000型原理樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 后端縮進(jìn)式雙排切削鏈條同步傳動(dòng)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)切削排土與隔離裝置一體化，提出后端縮進(jìn)式雙排切削鏈條平面布局(見(jiàn)圖3)。2條鏈刀的轉(zhuǎn)動(dòng)中軸線在平面內(nèi)呈約6°夾角，實(shí)現(xiàn)刀鏈在鋸割面的全寬度分布，同時(shí)切削鏈在切割箱后端內(nèi)收，并被隔離裝置完全包覆，避免切削鏈接觸混凝土。雙排鏈上的刀具交錯(cuò)排布，內(nèi)收后重疊不碰撞。

切削排土鏈刀切削傳動(dòng)原理如圖4所示，該機(jī)構(gòu)包括可張緊動(dòng)力單元、剛性支承軌道單元(位于地面的承托節(jié)和地下的切割箱體)及從動(dòng)輪。雙排鏈夾角在剛性支承軌道單元上可通過(guò)設(shè)計(jì)傾斜軌面實(shí)現(xiàn)，但動(dòng)力單元和從動(dòng)輪均為運(yùn)動(dòng)部件，只能通過(guò)異軸傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)偏軸角運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力單元為切削鏈提供驅(qū)動(dòng)力，為保證鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不脫離切割箱體，須對(duì)鏈條施加張緊力，利用張緊油缸將動(dòng)力單元向上提升并維持一定拉力，從而使鏈條保持張緊狀態(tài)。

圖4 切削排土鏈刀切削傳動(dòng)原理

雙排切削鏈采用2組獨(dú)立的動(dòng)力單元，每組動(dòng)力單元采用1臺(tái)高扭矩液壓馬達(dá)作為動(dòng)力輸入，每臺(tái)馬達(dá)額定輸出功率可達(dá)250kW，并利用齒輪減速箱將驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速匹配到切削鏈條工作線速度(0.2～1m/s)。為保持2排獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的切削鏈條同步運(yùn)行，在2組動(dòng)力單元減速箱間配置球籠式萬(wàn)向聯(lián)軸器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)制同步，如圖5所示。同步聯(lián)軸器最大可傳遞1/2切削排土負(fù)載(允許1臺(tái)馬達(dá)故障)，允許18°軸偏角及100mm直線伸縮，可實(shí)現(xiàn)雙排切削鏈獨(dú)立張緊。

圖5 雙鏈同步動(dòng)力單元

從動(dòng)輪位于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最底部，無(wú)需外部動(dòng)力輸入，受張緊狀態(tài)鏈條摩擦力的作用產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，主要功能是減小鏈條變向時(shí)的摩擦阻力。呈交錯(cuò)角的雙從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)如圖6所示。為阻隔地下深層壓力環(huán)境下固、液污染物進(jìn)入從動(dòng)輪軸承潤(rùn)滑腔體，造成軸承失效，每邊從動(dòng)輪均設(shè)計(jì)了4重密封結(jié)構(gòu)形式，并包含兩級(jí)壓力腔體，避免污染物向內(nèi)部滲透。

圖6 呈交錯(cuò)角的雙從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)

2.2 可調(diào)節(jié)模塊化剛性護(hù)壁及側(cè)壁減阻技術(shù)

無(wú)泥漿護(hù)壁是同步切割澆筑混凝土地下連續(xù)墻技術(shù)的關(guān)鍵創(chuàng)新之一，為保障成槽過(guò)程中槽壁的穩(wěn)定性，需利用切割箱側(cè)壁支撐槽壁。同時(shí)為減小切割箱與槽壁的擠壓和摩擦阻力，切割箱寬度相對(duì)切削面寬度收窄，在切割箱側(cè)壁與槽壁間形成一定側(cè)壁間隙(見(jiàn)圖3)。

側(cè)壁間隙的合理取值關(guān)系到槽壁的穩(wěn)定、平整及橫移掘進(jìn)土壓摩擦阻力，需通過(guò)后期反復(fù)試驗(yàn)分析取得結(jié)果。設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)模塊化切割箱，如圖7所示，切割箱由核心模塊，前、后側(cè)軌道模塊及側(cè)壁模塊構(gòu)成。核心模塊結(jié)構(gòu)尺寸固定，具備切割箱裝配所需的全部機(jī)械、流體、測(cè)量接口和通道；前、后側(cè)軌道模塊可更換調(diào)節(jié)軌道間距、角度，從而滿足不同切削鏈布局需要；側(cè)壁模塊可更換調(diào)節(jié)厚度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)壁間隙的調(diào)整。

圖7 可調(diào)節(jié)模塊化切割箱

基于可調(diào)節(jié)模塊化切割箱，可在試驗(yàn)階段經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)成槽寬度及側(cè)壁間隙的調(diào)整。

無(wú)泥漿干作業(yè)條件下，切割箱在地下橫移掘進(jìn)過(guò)程中不可避免會(huì)遇到較大的側(cè)摩擦阻力，當(dāng)混凝土靜壓推力和主機(jī)推力不足以克服掘進(jìn)阻力時(shí)，需采取措施對(duì)側(cè)壁阻力進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)。參考頂管施工技術(shù)，在切割箱側(cè)壁模塊設(shè)置潤(rùn)滑流體噴嘴，并通過(guò)縱向貫穿切割箱的流體管路向不同標(biāo)高的噴嘴供應(yīng)潤(rùn)滑液，達(dá)到減阻目的。

2.3 一體化掘進(jìn)橫移頂推技術(shù)

SCP1000型原理樣機(jī)掘進(jìn)橫移的大部分推力來(lái)源于隔離裝置后側(cè)的混凝土靜壓推力，而履帶和步履底盤(pán)并不具備長(zhǎng)時(shí)間被動(dòng)行走的能力，輪胎的承載能力和剛度遠(yuǎn)不能達(dá)到裝備要求，采用起重機(jī)級(jí)別的軌行式底盤(pán)，并將切削橫移動(dòng)作與底盤(pán)行走動(dòng)作一體化，以提高施工功效。綜合考慮主機(jī)自重及各種負(fù)載工況下輪組的支反力，選用16套直徑600mm重型起重機(jī)車輪(單輪許用輪壓350kN)，以二級(jí)平衡梁結(jié)構(gòu)安裝于底盤(pán)下部的4個(gè)鉸接點(diǎn)，保障每個(gè)輪組獨(dú)立受力；并在其中的8套車輪上配置減速電機(jī)，為主機(jī)提供長(zhǎng)距離快速行走所需動(dòng)力，額定行走速度為16m/min。一體化掘進(jìn)橫移頂推機(jī)構(gòu)如圖8所示。每4個(gè)車輪編組上設(shè)置2套橫移頂推油缸及自翻轉(zhuǎn)掛爪，共8套，前、后車輪編組的橫移頂推油缸方向相反，可提供雙向推力。配合具有均布反力筋板的行走-頂推一體化軌道，主機(jī)可完成步履式頂推前進(jìn)或后退。

圖8 一體化掘進(jìn)橫移頂推機(jī)構(gòu)

2.4 智能化分布式電液控制技術(shù)

SCP1000型原理樣機(jī)主機(jī)裝機(jī)功率 >800kW，設(shè)計(jì)質(zhì)量220t，主機(jī)高17.4m，長(zhǎng)13.3m，寬6.4m，由于體積、質(zhì)量龐大，須拆解才能實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)輸。

為了拆解和運(yùn)輸便利，對(duì)主機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電液控制系統(tǒng)進(jìn)行單元化設(shè)計(jì)。其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可拆解為機(jī)架單元、滑動(dòng)總成單元、底盤(pán)單元及輪組軌道單元4個(gè)運(yùn)輸組件。然而，SCP1000型原理樣機(jī)由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)需要，集成了大量電氣液壓驅(qū)動(dòng)和傳感元器件，包含電機(jī)泵組9套、壓力傳感器40余套、位移傳感器12套、轉(zhuǎn)速編碼器2套、液壓馬達(dá)2組、雙作用液壓缸及電液方向控制閥18組。這些電液元器件分散布置于主機(jī)各處，通過(guò)線纜、管路聯(lián)接，增加了設(shè)備反復(fù)拆裝運(yùn)輸過(guò)程中的復(fù)雜性和元器件防護(hù)難度。

為此，提出基于以太網(wǎng)的智能化分布式電液控制技術(shù)，通過(guò)單元化設(shè)計(jì)將同類控制功能的電液元器件集成并封裝，對(duì)外提供簡(jiǎn)單、便捷且標(biāo)準(zhǔn)化的管路、電源和通信接口，從而降低站外分散的電液元器件數(shù)量和管線復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)便捷拆裝。根據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)象將液壓動(dòng)力站分為液壓動(dòng)力主站和液壓動(dòng)力輔站，其中主站提供切削回轉(zhuǎn)動(dòng)力，輔站提供直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力；主站、輔站和駕駛室采用基于以太網(wǎng)通信的分布式I/O系統(tǒng)(見(jiàn)圖9)，將駕駛室、主站、輔站數(shù)據(jù)就近采集并發(fā)出執(zhí)行命令，再通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)集中到駕駛室CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。以此將龐大且復(fù)雜的電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和安裝封閉在各整體單元內(nèi)。同時(shí)，由于采用了以太網(wǎng)通信，主機(jī)全部電液控制參數(shù)均可通過(guò)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程讀取和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)主機(jī)遠(yuǎn)程維保和控制。

圖9 基于以太網(wǎng)的分布式I/O系統(tǒng)

SCP1000型原理樣機(jī)駕駛室人機(jī)操作界面如圖10所示，包括圖形參數(shù)顯示和控制操作功能，根據(jù)不同的顯示、操作內(nèi)容進(jìn)行功能分區(qū)。對(duì)油缸升降、橫移頂推等高頻率操作功能和需快速精準(zhǔn)操作的緊急停止功能進(jìn)行適應(yīng)人員操作的分區(qū)位置優(yōu)化。

圖10 駕駛室人機(jī)操作界面

在切割箱組裝及拆卸過(guò)程中，由于駕駛室視野受限，無(wú)法直接觀察作業(yè)面。為此，增加遙控操作功能(見(jiàn)圖11)，通過(guò)操作臺(tái)進(jìn)行操作權(quán)限切換后，主機(jī)操作人員可接近作業(yè)面利用遙控器直觀進(jìn)行主機(jī)行走、切割箱升降等操作，提高了作業(yè)安全性和便捷性。

圖11 遙控器操作界面

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

裝備研制總共歷時(shí)16個(gè)月，經(jīng)歷了從方案設(shè)計(jì)、調(diào)研選型、專家論證到圖紙深化、招標(biāo)采購(gòu)、生產(chǎn)制造及組裝調(diào)試等過(guò)程。共提出對(duì)比方案20余種，調(diào)研廠商30余家，開(kāi)展內(nèi)外部咨詢論證10余次，收集意見(jiàn)100余條，完成機(jī)電液圖紙深化1 000余張，總制造質(zhì)量超260t。樣機(jī)于2019年11月完成主機(jī)組裝調(diào)試和空載試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。SCP1000型原理樣機(jī)空載試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 SCP1000型原理樣機(jī)空載試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證各項(xiàng)創(chuàng)新工藝原理，對(duì)SCP1000型原理樣機(jī)開(kāi)展原位成槽驗(yàn)證，已完成17m深度成槽試驗(yàn)，主機(jī)功能滿足工藝試驗(yàn)要求，可靠性良好，操作便利。采用干作業(yè)成槽工藝施工的槽壁垂直度和平整度均較好(見(jiàn)圖12)，與創(chuàng)新工藝預(yù)期相符。

圖12 干作業(yè)成槽效果

4 結(jié)語(yǔ)

SCP1000型原理樣機(jī)施工所成墻體具有較傳統(tǒng)地下連續(xù)墻更優(yōu)的擋土、防滲、承載性能和垂直精度，應(yīng)用前景廣闊。

SCP1000型原理樣機(jī)需具備切削排土、切削機(jī)構(gòu)升降、自行走、掘進(jìn)-澆筑工作面動(dòng)態(tài)隔離、機(jī)械橫移頂推、主動(dòng)垂直度控制、穩(wěn)定槽壁等多種復(fù)雜功能。其主要由調(diào)垂機(jī)架、升降機(jī)構(gòu)、駕駛室、液壓動(dòng)力站、行走及頂推機(jī)構(gòu)、切削排土及隔離機(jī)構(gòu)6大部分組成。

通過(guò)對(duì)后端縮進(jìn)式雙排切削鏈條同步傳動(dòng)技術(shù)、可調(diào)節(jié)模塊化剛性護(hù)壁及側(cè)壁減阻技術(shù)、一體化掘進(jìn)橫移頂推技術(shù)以及智能化分布式電液控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的攻克，基本完成了SCP1000型原理樣機(jī)上的功能實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)空載出廠試驗(yàn)以及原位成槽試驗(yàn)驗(yàn)證了SCP1000型原理樣機(jī)功能和負(fù)載能力，目前已實(shí)現(xiàn)17m深度成槽試驗(yàn)，現(xiàn)階段主機(jī)功率滿足創(chuàng)新工藝要求，未來(lái)將通過(guò)切割箱加節(jié)進(jìn)一步增加成槽試驗(yàn)深度，以探索在既定設(shè)備能力及不同地層和工藝實(shí)施條件下，同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工藝所能達(dá)到的極限深度，從而滿足不同場(chǎng)景應(yīng)用需求。