基于篩分破碎功能的自密式回填土設備設計開發(fā)

夏錢平， 熊光寶， 霍同乾

（中國電建集團 武漢重工裝備有限公司，武漢 430064）

0 引言

目前，隨著城市建設的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進，城市地下空間的開發(fā)進入到高速發(fā)展的階段，大規(guī)模地下工程，如高層建筑地下室、地下商業(yè)、地下交通、地下市政、人防工程等工程項目不斷涌現(xiàn)。隨之而來的基坑工程呈現(xiàn)如下特點：1）規(guī)模越來越大；2）深度越來越深；3）場地越來越緊促；4）周邊環(huán)境越來越復雜。目前所常用的支護結(jié)構(gòu)，通常留有肥槽，如果肥槽過大，就增加了開挖和回填土的方量。如果肥槽過小，由于換撐的需要，回填空間就會十分狹小，無法按照結(jié)構(gòu)要求回填密實土。現(xiàn)在工程上實際回填為雜填土、磚渣、垃圾等，給地下室的防水及抗浮效果都帶來非常不利的影響，已成為行業(yè)痛點、難點[1]。而如果采用混凝土回填，則成本很高，同時也加大了砂石和水泥的用量，造成了資源浪費，經(jīng)濟性較差[2]。

通常，在基坑開挖的過程中，會產(chǎn)生大量的工程棄土，以一個3 萬m2的基坑（兩層地下室）為例，大約會產(chǎn)生30 萬m3的工程棄土，需要找到棄土場，進行堆砌。同時土方的運輸和消納費用很高，而開挖過后的土，沒有了結(jié)構(gòu)強度，無法再次被工程使用，無法滿足環(huán)保節(jié)約型經(jīng)濟發(fā)展的新需要。自密實回填土研究利用以工程棄土為主要原材料，輔以一定的加固材料，制備自密實回填土的成套技術(shù)、裝備和施工應用技術(shù)，達到棄土再利用，解決基坑肥槽回填困難、密實度不易保證、易滲水的問題，實現(xiàn)變廢為寶、節(jié)能環(huán)保的目的，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益[3]。

由于無專業(yè)施工設備，流動化工法技術(shù)在實際工程運用時主要依靠人工操作，存在效率低、勞動強度大、添加劑無法精確計量等問題。根據(jù)項目實際需求，中國電建集團武漢重工裝備有限公司已成功研制出流動化再生建材施工專用設備[4]，成功解決了流動化土回填施工問題。然而，流動化再生建材施工專用設備破碎能力有限[5]，流動化土制備前需對渣土中的石塊進行人工篩選，對大粒徑土塊進行預處理，避免損傷設備，施工效率較低，無法滿足高效大量回填需求，因此需研制一種具備篩分破碎功能的自密式回填土設備。

1 自密式回填土設備工作原理

基于篩分破碎功能的自密式回填土設備主要作用是將挖掘出的渣土經(jīng)過篩分破碎后，添加一定比例的添加劑，制備成流動化土，澆筑回填至待填埋管網(wǎng)基坑中，以解決管網(wǎng)基槽開挖時土方外運難題，實現(xiàn)渣土的資源化利用。

圖1 基于篩分破碎功能的自密式回填土設備工藝流程圖

設備采用泵站式設計，即在待回填區(qū)域附近進行流動化回填土的集中制備，然后通過專用運輸車運輸至待回填的管網(wǎng)基坑中進行澆筑回填和自密實。首先，將挖掘機或人工挖掘出的泥土倒入破碎篩分機，在破碎篩分機內(nèi)，大粒徑石塊等被篩出，土塊被破碎下落至破碎篩分機下方的皮帶輸送機上，皮帶輸送機的進料端與破碎篩分機相連，皮帶輸送機的出料端與攪拌裝置連接，泥土通過皮帶輸送機進入攪拌機內(nèi)。與此同時，通過螺旋輸送機將水泥倉中的水泥送入攪拌裝置中，通過增壓泵將水箱中的水加入攪拌裝置中。立軸行星攪拌機可快速、高效地完成泥土與固化劑、水及其他添加劑的攪拌，制備成流動化土。攪拌機底部設置有卸料開閉裝置，當攪拌機內(nèi)的泥土與添加劑攪拌完成后，開啟卸料開閉裝置，流動化土流出。然后通過專用運輸車輛將流動化回填土運輸至待回填的管網(wǎng)基坑肥槽中進行回填。

2 基于篩分破碎功能的自密式回填土設備的主要結(jié)構(gòu)

如圖2所示，自密式回填土設備主要由破碎篩分機、皮帶輸送機、攪拌系統(tǒng)、水泥上料系統(tǒng)、進水系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。

圖2 基于篩分破碎功能的自密式回填土設備結(jié)構(gòu)圖

1）破碎篩分機。本設備所采用的是一種新型的破碎篩分機，集破碎和篩分功能于一體，可針對大粒徑土塊進行破碎，并將石塊等較堅硬雜物篩分出去。破碎篩分機在滾軸篩的基礎(chǔ)上加入了截齒設計，可以有效剔除“土包石”上的土，提高土的利用率。破碎篩分機角度可調(diào)，根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)松軟程度的不同，合理調(diào)節(jié)破碎篩分機的傾斜角度，充分破碎土塊的同時也要兼顧土方的處理效率，做到棄土利用率和通過率的平衡。

2）皮帶輸送機。自密式回填土設備采用皮帶輸送機進行輸送進料，篩分破碎后的泥土通過皮帶機輸送至攪拌裝置內(nèi)。帶式輸送機是輸送機中使用最為普遍的型式，它具有構(gòu)造簡單、工作可靠、自重較輕、操作方便等優(yōu)點。其工作原理是：由上下托輥支承的作為承載構(gòu)件和牽引構(gòu)件的輸送帶繞過頭、尾滾筒，形成閉合環(huán)路的輸送機械，它借助于驅(qū)動滾筒與輸送帶之間的摩擦來傳遞動力，實現(xiàn)物料輸送，主要由機架、輸送皮帶、皮帶輥筒、張緊裝置、傳動裝置等組成。皮帶機總長約為17 m，傾角為16°，帶寬為800 mm，帶速為1 m/s，平均輸送量不小于100 m3/h。

3）攪拌系統(tǒng)。攪拌系統(tǒng)為該設備的核心裝置，主要適用于泥土等黏度較大的混合物的攪拌，為立式多軌跡攪拌，可防止泥土結(jié)團，且攪拌均勻、能耗低。目前常用的臥式和立式攪拌裝置攪拌時容易附著在壁體上，黏結(jié)成團，出料困難；隨著攪拌時間的增加，泥團會逐漸增大，造成攪拌不均勻。自密式回填土設備設置有快速攪拌棒，通過快速攪拌棒高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的切削力將已有的泥團切削打散，同時避免新黏結(jié)的泥團的產(chǎn)生。電動機轉(zhuǎn)動經(jīng)行星減速機減速后帶動底刮板和側(cè)刮板轉(zhuǎn)動，防止泥土在攪拌筒壁附著。行星減速機的兩組行星輪上引出兩組攪拌結(jié)構(gòu)，攪拌結(jié)構(gòu)均是既能繞著設備軸線進行公轉(zhuǎn)，也能繞著自身軸線自轉(zhuǎn)，因此攪拌效率較高，能夠比現(xiàn)有常規(guī)攪拌設備更快地完成攪拌任務，攪拌更均勻，攪拌效果更好。攪拌裝置能耗低，比同能力拌合器能耗低30%～50%；攪拌勻質(zhì)性高，可達97%～99%；攪拌時間短，通常為0.5～3 min；出料流動性好，凝固時間短，無需分層夯實處理。

4）水泥上料系統(tǒng)。水泥上料系統(tǒng)包括水泥倉、螺旋輸送機等。水泥倉用于儲存散裝水泥，螺旋輸送機用于將水泥倉中的水泥輸送至攪拌裝置中。螺旋輸送機結(jié)構(gòu)簡單、密封性好、操作方便、維修容易、便于運輸。本設備螺旋輸送機具有以下優(yōu)點：密閉性好，避免了水泥上料過程中的揚塵污染；機器代替人工，無需登高加水泥，勞動強度大幅減小。

5）稱重系統(tǒng)。自密式回填土設備設置有稱量系統(tǒng)，可以精確地控制各物料的配比。水泥倉底部設有稱重傳感器，可以控制水泥的質(zhì)量；裝在攪拌罐進水口處的流量計則可以實現(xiàn)水的定量加注；在攪拌機底部的稱重裝置則可以實時監(jiān)測流動化土的總重，從而間接控制土的質(zhì)量，達到各組份的精確定量控制。

6）進水系統(tǒng)。進水系統(tǒng)主要由水箱、增壓泵、水管、流量計等構(gòu)成，可以定量進水。

基于篩分破碎功能的自密式回填土設備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 自密式回填土設備主要技術(shù)參數(shù)

3 經(jīng)濟效益評價

相對于傳統(tǒng)的石粉渣回填工藝及人工進行流動化土回填，基于篩分破碎功能的自密式回填土設備的使用具有十分明顯的優(yōu)勢：1）節(jié)約采購和處理成本。傳統(tǒng)石粉渣回填需要采購石粉渣，目前石粉渣的市場價格一般在130元/m3左右，而采用該設備的回填模式不需要采購石粉渣；石粉渣回填工藝中，現(xiàn)場開挖出來的渣土需要外運處理，目前處理費約為120 元/t，而采用該設備施工后現(xiàn)場80%的渣土可再生利用，大大節(jié)約了渣土處理費用。2）節(jié)約施工成本。據(jù)了解，目前流動化土回填施工主要靠人力，大約需要10～15人，而采用本設備后，施工現(xiàn)場最多只需5人，可減少5～10人的工作量。按人均每天300 元計算，可節(jié)省人力成本1500～3000 元。因此，采用本設備可代替人工，降低人工勞動強度，減少現(xiàn)場施工人員數(shù)量。3）實現(xiàn)渣土的資源化利用，減少土地占用和污染，符合“資源利用”、“可持續(xù)發(fā)展”的政策要求；減少開挖棄土運輸量，防止渣土運輸中粉塵、噪聲污染，利于環(huán)保施工。4）提高工作效率，縮短施工周期，減小占道施工對居民生活造成的不利影響。5）提高施工質(zhì)量，回填土的流動性好可以將狹窄空間和異形結(jié)構(gòu)空間的所有空隙填實。施工時不采用夯實和碾壓設備，回填土攪拌均勻、質(zhì)量穩(wěn)定，現(xiàn)場澆筑受現(xiàn)場條件及施工人員因素影響較小。自密實回填土施工效果如圖3所示。

圖3 自密實回填土施工效果圖

4 結(jié)語

基于篩分破碎功能的自密式回填土設備已應用于武漢光谷中心城中軸線區(qū)域地下公共交通走廊及配套工程項目的項目基坑肥槽回填施工，項目位于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)，主要包含地下公共交通走廊和配套工程兩部分，地下公共交通走廊主要包含地下公共走廊、地鐵和綜合管廊；配套工程主要為道路工程。項目前期采用二八灰土進行肥槽回填時，由于肥槽狹窄，人工夯實操作空間不足，回填密實度得不到保證。而采用基于篩分破碎功能的自密式回填土設備回填后，成功地解決了肥槽回填過程中的質(zhì)量難以保證、施工效率低等難題，回填效果良好。該施工工藝及核心設備獲得了湖北省巖土學會地下空間委員會等專業(yè)機構(gòu)的一致好評和認可。

相對于傳統(tǒng)的石粉渣回填及人工流動化土回填，基于篩分破碎功能的自密式回填土設備可節(jié)約人工成本、渣土外運成本、回填材料采購及運輸成本，具有良好的經(jīng)濟效益。與此同時，基于篩分破碎功能的自密式回填土設備可以實現(xiàn)渣土的資源化利用，減少土地占用和污染，符合國家提出的“資源利用”、“可持續(xù)發(fā)展”的政策要求，是一種環(huán)保的施工設備，具有明顯的社會效益。