施工技术
地下连续墙施工机械及工法
方伟 王瑜
地下连续墙施工法,从结构形式上可分为柱列
式和壁式两大类。前者主要是通过将水泥浆及添加剂与原位置的土进行混合搅拌形成桩,并在横向上重叠搭接形成连续墙。后者则有水泥浆与原位置土搅拌形成连续墙和就地灌注混凝土形成连续墙两种。柱列式和壁式连续墙在施工中均可插入芯材,前者可根据桩径及间隔插入H型钢,后者除了H型钢外也可插入钢筋笼等。对于壁式地下连续墙来说,除了H型钢及钢筋笼外,将钢制或混凝土制的板桩埋入,可进行埋入型地下连续墙的施工。
相应于各种施工法的相关施工机械,按机能分类如下:
原位置土搅拌类柱列式地下连续墙施工机械
就地灌注类(PIP)
原位置土搅拌类(TRD,PTR)
抓斗型悬挂式(MEH,MHL)导杆式(KELLY)垂直多轴式(BW)
壁式就地灌注类回转型水平多轴式振动沉钢模板型(VIM)
埋入类钢制板桩混凝土板桩
电动(EM,EMX)液压(HF,BC)
单轴型(MIP)多轴型(SMW)
低重心机型。另外,该工法在遇到大深度硬岩基础时,可能出现重叠搭接消失的情况,因此在施工中必须同时采取随时确认桩的位置精度的方法。
目前在国际上,日本的三和机材(株)在多轴SMW工法施工机械的开发及应用方面处于领先水平。图1为日本三和机材(株)多轴SMW工法施
工机的外观图。
图1 多轴SMW工法施工机
1 柱列式地下连续墙工法(SMW工法)
该工法利用长螺旋钻孔机进行就地灌注桩的重
叠搭接施工。对于单轴式长螺旋钻机,由于其回转轴刚性不足,随着施工深度的加大,桩与桩之间不能很好的重叠搭接,特别是对于以防水为目的的防渗墙效果就很差。由于这个原因
,长螺旋钻孔机采用了双轴或双重钻孔的形式,用以提高施工的垂直精度。近年来为了解决上述问题,出现了利用多轴(一般为三轴)螺旋钻孔机及SMW工法进行就地灌注桩的重叠搭接施工。该工法属于机械搅拌式,用多轴长螺旋钻孔机在土层中钻孔,在钻孔的同时通过钻杆从钻头端部注入水泥浆和高压空气,在原位置上建成一段水泥墙,然后再进行第二段墙施工,使相邻的水泥墙彼此有重合段,连续施工形成连续墙。SMW工法的不足之处在于机械的重心位置比较高,在施工中必需十分注意机械的稳定性。为了解决此问题,目前已开发出可在施工中接长钻杆的
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2 原位置土混合搅拌壁式地下连续墙施工
法(TRD工法)
该工法是把插入地基中的链锯式刀具跟主机连接并横向移动、挖沟及灌注凝结剂、混合搅拌原来位置上的泥土以浇筑连续墙,插入工字钢之类的芯材后,可作为地层挖掘工程中的挡土防渗或承重墙使用。此外,也用于防液化、加固地基及截断地下水等。此工法形成的连续墙与柱列式不同,它所形成的是完全连续墙,止水防渗性能特别好。另外,根据深度的不同,由于链锯式刀具的上下移动能够将土层完全搅拌,从而形成的连续墙质量非常稳定,并且切削装置的整体高度低,对于在高度受到限制的施工现场及靠近已建建筑物的施工十分有利。此外亦可进行倾斜式连续墙的施工。
TRD工法(Trench2Cutting&Re2mixingDeepWallMethod)是由日本(株)神户制钢所与东绵建机(株)联合开发成功的,近来在地基基础施工中正
建筑机械 2000 (6)
施工技术
以很快的速度得到广泛应用,1997年获得了日本建设机械化协会的技术审查证明。1999年日本日立建机(株)与(株)利根建机共同开发成功了与TRD工法类似的以打桩机为底盘的PTR工法施工机(PowerTrencher)。图2为TRD工法施工机的外观图
。
a—A就位;b—B沉下;、B就位;
c—B沉下;d—A灌注;e—A沉下;f—B灌注;g—B沉下;h—A灌注
图3 双模板施工工序示意图
图2 TRD工法施工机
护壁、浇注一次性直接成墙。该工法在我国对江河、湖泊、平原水库堤坝进行防险加固的工程中发
挥了很好的效果。图3为振动沉钢模板工法顺序图。 地下连续墙施工中,对于地基基础中有较大石块或卵石的情况,大多采用可将石块抓起的抓斗式切削机。对于硬土软岩的地基基础,大多采用回转式切削机。
目前,地下连续墙的施工规模变得越来越大,抓斗式切削机最大可进行直径为1m的石块的施工,回转式切削机可形成壁厚2～214m、施工深度达120m的连续墙。
目前,德国的Bauer公司在壁式地下连续墙施工机械和液压抓斗切削机的开发生产上处于世界领先的地位,图4为该公司生产的水平轴双轮铣回转切削机,图5为悬挂式液压抓斗切削机。
3 就地灌注壁式地下连续墙施工法
该工法有抓斗式切削机、回转式切削机及振动沉钢模板三大类。抓斗式包括悬挂式液压抓斗和导杆式液压抓斗两种,回转式包括垂直多轴型和水平多轴型两种。
悬挂式液压抓斗切削机是用液压动力使抓斗开闭,并利用抓斗的自重对土砂进行切削,然后用悬挂抓斗的履带起重机将土砂吊起排出。
导杆式液压抓斗切削机是用液压动力驱动安装在液压抓斗上部的多节伸缩钻杆在履带起重机上安装的导向架中进行升降,切削反力由导向架承受。
垂直多轴型回转切削机是由5个电动的垂直牙轮钻头与侧切削刃组成,切削装置通过专用支撑架或履带起重机用钢丝绳悬吊,切削的土砂通过沙浆泵以逆循环的方式,将泥水(稳定液)在地面上排出。
水平多轴回转式切削机是通过两对双轮铣刀的水平轴回转进行土砂的切削,用机体内装备的潜水砂浆泵以逆循环方式将泥水(稳定液)在地面上排出。
振动沉钢模板技术是我国自行开发的主要用于防渗的壁式地下连续墙施工方法。该工法是利用振动锤等振动机械的强大激振力将空腹钢模板振入地下,形成槽孔,起到浇筑模板和导管的作用,灌入水泥浆和添加剂后将模板拔出地面,浆液便在地下形成致密的连续防渗墙体。在此过程中,空腹模板起到了护壁作用,减少了泥浆护壁的工序,成槽
、 建筑机械 2000 (6)
4 柱列式与壁式地下连续墙的比较
柱列式与壁式地下连续墙相比,虽然施工费用
比较低,但施工精度较难保证,特别是作为防渗墙使用时,柱列间易产生不连续的问题。在柱列式连续墙施工中,若没有大的障碍物,切削速度缓慢并且慎重地进行施工,则其垂直精度可以得到保证,但施工时间和费用将增加,其施工速度与施工精度完全取决于机械操作者的技术水平。目前,国外在柱列式地下连续墙施工中正广泛使用的多轴SMW工法施工机也存在着上述问题,该机在解决柱与柱之间重叠搭接方面取得了很好的效果,但如施工速度过快,则三个轴会发生全部弯曲。为了解决此问
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施工技术
其回转动力机构位于回转轴(钻杆)的最上端,如果在施工中不采用接钻杆的方式,就很难达到降低高度及重心的目的。
另外,即使是切削机本身可降低重心,但插入芯材的长度及悬吊芯材的起重机也必须降低高度和实现低重心化,一旦芯材采取接长的方式则施工效率将大大降低。另一方面,对于采取反循环方式进行施工的切削机,若采用履带起重机作为底盘,由于起重机本身的高度是已定的,若想降低其高度十分困难。513 底盘的稳定性
4
水平轴双轮铣成槽机
图5 悬挂式液压抓斗
题,国外正在研制可随时对垂直精度进行检测的装
置,一旦发现垂直精度出现偏差,则立即将钻杆向上适当提升进行纠正。
壁式地下连续墙在施工精度与连续性方面比柱列式有较大的提高,另外由于连续墙自身的强度增大,使其可以成为建筑物的一部分而作为承重墙使用,但其最大的不足之处是施工费用高。
大部分地下连续墙施工机械是将其主要部分———切削机构安装在底盘上,目前主要是从已生产的起重机或打桩机中选择能够与切削装置相匹配的底盘。但是,履带起重机的底盘大部分是作为起重机械而开发的,在与地下连续墙施工机相匹配进行基础施工时,需考虑与切削装置的主要部分之间的平衡问题,特别是在施工现场内进行小范围移动时,施工机本身不拆卸,因此机械总体的重心位置很高。对于多轴SMW工法施工机,由于回转动力装置位于回转轴(钻杆)的最上方,重心高的问题更为突出,在进行地下连续墙等基础施工时,屡屡发生整套施工机械倾覆的重大事故。其中故然有安全管理方面的问题,但从根本上说还是施工机切削装置与底盘之间不匹配所产生的整体稳定平衡问题。
在地下连续墙施工中,施工现场情况的变化很大,施工机械常常处于非常恶劣的工况,这就需要底盘能够对切削工作装置给予充分的支撑,为了抵抗切削反力,底盘需要有足够的重量和稳定性以及耐久性。特别是对于地下连续墙的施工,既要求支撑切削部分的重量,又要具有使其以超低速下降的机构。
综上所述,对于地下连续墙施工机械这类基础施工机械的开发,将切削装置与底盘作为一体进行设计和充分论证是十分必要的。
方伟、王瑜,建设部北京建筑机械综合研究所,100007 北京安定门内方家胡同21号 收稿日期:2000202228
5 地下连续墙施工机械的发展方向与问题
511 大型化
地下连续墙施工所使用的机械因施工工法不同
而不同,总的来说,正在向多样化和大深度化方向发展,特别是在相当坚硬的基础中施工时,为了达到所要求的埋设深度,相继开发了多种大型机械。但是,施工现场既有宽阔的平整场地,也常有非常狭窄的地方。因此,高能力的施工机械及相应的施工方法要与施工现场的宽阔程度相适应。512 小型化
对于地下连续墙施工机械,除了要求高能力外,对大型机械还要求能够对其进行分解,并且容易在施工现场组装。为了在狭窄及高度受到限制的场地进行施工,现已出现了小型化低重心的施工机械。这类机械并不是简单地从机械构造上进行改进,如进行柱列式连续墙施工的长螺旋钻机,回转轴(钻杆)的长度必须满足施工深度的要求,由于
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建筑机械 2000 (6)
施工技术
地下连续墙施工机械及工法
方伟 王瑜
地下连续墙施工法,从结构形式上可分为柱列
式和壁式两大类。前者主要是通过将水泥浆及添加剂与原位置的土进行混合搅拌形成桩,并在横向上重叠搭接形成连续墙。后者则有水泥浆与原位置土搅拌形成连续墙和就地灌注混凝土形成连续墙两种。柱列式和壁式连续墙在施工中均可插入芯材,前者可根据桩径及间隔插入H型钢,后者除了H型钢外也可插入钢筋笼等。对于壁式地下连续墙来说,除了H型钢及钢筋笼外,将钢制或混凝土制的板桩埋入,可进行埋入型地下连续墙的施工。
相应于各种施工法的相关施工机械,按机能分类如下:
原位置土搅拌类柱列式地下连续墙施工机械
就地灌注类(PIP)
原位置土搅拌类(TRD,PTR)
抓斗型悬挂式(MEH,MHL)导杆式(KELLY)垂直多轴式(BW)
壁式就地灌注类回转型水平多轴式振动沉钢模板型(VIM)
埋入类钢制板桩混凝土板桩
电动(EM,EMX)液压(HF,BC)
单轴型(MIP)多轴型(SMW)
低重心机型。另外,该工法在遇到大深度硬岩基础时,可能出现重叠搭接消失的情况,因此在施工中必须同时采取随时确认桩的位置精度的方法。
目前在国际上,日本的三和机材(株)在多轴SMW工法施工机械的开发及应用方面处于领先水平。图1为日本三和机材(株)多轴SMW工法施
工机的外观图。
图1 多轴SMW工法施工机
1 柱列式地下连续墙工法(SMW工法)
该工法利用长螺旋钻孔机进行就地灌注桩的重
叠搭接施工。对于单轴式长螺旋钻机,由于其回转轴刚性不足,随着施工深度的加大,桩与桩之间不能很好的重叠搭接,特别是对于以防水为目的的防渗墙效果就很差。由于这个原因
,长螺旋钻孔机采用了双轴或双重钻孔的形式,用以提高施工的垂直精度。近年来为了解决上述问题,出现了利用多轴(一般为三轴)螺旋钻孔机及SMW工法进行就地灌注桩的重叠搭接施工。该工法属于机械搅拌式,用多轴长螺旋钻孔机在土层中钻孔,在钻孔的同时通过钻杆从钻头端部注入水泥浆和高压空气,在原位置上建成一段水泥墙,然后再进行第二段墙施工,使相邻的水泥墙彼此有重合段,连续施工形成连续墙。SMW工法的不足之处在于机械的重心位置比较高,在施工中必需十分注意机械的稳定性。为了解决此问题,目前已开发出可在施工中接长钻杆的
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2 原位置土混合搅拌壁式地下连续墙施工
法(TRD工法)
该工法是把插入地基中的链锯式刀具跟主机连接并横向移动、挖沟及灌注凝结剂、混合搅拌原来位置上的泥土以浇筑连续墙,插入工字钢之类的芯材后,可作为地层挖掘工程中的挡土防渗或承重墙使用。此外,也用于防液化、加固地基及截断地下水等。此工法形成的连续墙与柱列式不同,它所形成的是完全连续墙,止水防渗性能特别好。另外,根据深度的不同,由于链锯式刀具的上下移动能够将土层完全搅拌,从而形成的连续墙质量非常稳定,并且切削装置的整体高度低,对于在高度受到限制的施工现场及靠近已建建筑物的施工十分有利。此外亦可进行倾斜式连续墙的施工。
TRD工法(Trench2Cutting&Re2mixingDeepWallMethod)是由日本(株)神户制钢所与东绵建机(株)联合开发成功的,近来在地基基础施工中正
建筑机械 2000 (6)
施工技术
以很快的速度得到广泛应用,1997年获得了日本建设机械化协会的技术审查证明。1999年日本日立建机(株)与(株)利根建机共同开发成功了与TRD工法类似的以打桩机为底盘的PTR工法施工机(PowerTrencher)。图2为TRD工法施工机的外观图
。
a—A就位;b—B沉下;、B就位;
c—B沉下;d—A灌注;e—A沉下;f—B灌注;g—B沉下;h—A灌注
图3 双模板施工工序示意图
图2 TRD工法施工机
护壁、浇注一次性直接成墙。该工法在我国对江河、湖泊、平原水库堤坝进行防险加固的工程中发
挥了很好的效果。图3为振动沉钢模板工法顺序图。 地下连续墙施工中,对于地基基础中有较大石块或卵石的情况,大多采用可将石块抓起的抓斗式切削机。对于硬土软岩的地基基础,大多采用回转式切削机。
目前,地下连续墙的施工规模变得越来越大,抓斗式切削机最大可进行直径为1m的石块的施工,回转式切削机可形成壁厚2～214m、施工深度达120m的连续墙。
目前,德国的Bauer公司在壁式地下连续墙施工机械和液压抓斗切削机的开发生产上处于世界领先的地位,图4为该公司生产的水平轴双轮铣回转切削机,图5为悬挂式液压抓斗切削机。
3 就地灌注壁式地下连续墙施工法
该工法有抓斗式切削机、回转式切削机及振动沉钢模板三大类。抓斗式包括悬挂式液压抓斗和导杆式液压抓斗两种,回转式包括垂直多轴型和水平多轴型两种。
悬挂式液压抓斗切削机是用液压动力使抓斗开闭,并利用抓斗的自重对土砂进行切削,然后用悬挂抓斗的履带起重机将土砂吊起排出。
导杆式液压抓斗切削机是用液压动力驱动安装在液压抓斗上部的多节伸缩钻杆在履带起重机上安装的导向架中进行升降,切削反力由导向架承受。
垂直多轴型回转切削机是由5个电动的垂直牙轮钻头与侧切削刃组成,切削装置通过专用支撑架或履带起重机用钢丝绳悬吊,切削的土砂通过沙浆泵以逆循环的方式,将泥水(稳定液)在地面上排出。
水平多轴回转式切削机是通过两对双轮铣刀的水平轴回转进行土砂的切削,用机体内装备的潜水砂浆泵以逆循环方式将泥水(稳定液)在地面上排出。
振动沉钢模板技术是我国自行开发的主要用于防渗的壁式地下连续墙施工方法。该工法是利用振动锤等振动机械的强大激振力将空腹钢模板振入地下,形成槽孔,起到浇筑模板和导管的作用,灌入水泥浆和添加剂后将模板拔出地面,浆液便在地下形成致密的连续防渗墙体。在此过程中,空腹模板起到了护壁作用,减少了泥浆护壁的工序,成槽
、 建筑机械 2000 (6)
4 柱列式与壁式地下连续墙的比较
柱列式与壁式地下连续墙相比,虽然施工费用
比较低,但施工精度较难保证,特别是作为防渗墙使用时,柱列间易产生不连续的问题。在柱列式连续墙施工中,若没有大的障碍物,切削速度缓慢并且慎重地进行施工,则其垂直精度可以得到保证,但施工时间和费用将增加,其施工速度与施工精度完全取决于机械操作者的技术水平。目前,国外在柱列式地下连续墙施工中正广泛使用的多轴SMW工法施工机也存在着上述问题,该机在解决柱与柱之间重叠搭接方面取得了很好的效果,但如施工速度过快,则三个轴会发生全部弯曲。为了解决此问
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施工技术
其回转动力机构位于回转轴(钻杆)的最上端,如果在施工中不采用接钻杆的方式,就很难达到降低高度及重心的目的。
另外,即使是切削机本身可降低重心,但插入芯材的长度及悬吊芯材的起重机也必须降低高度和实现低重心化,一旦芯材采取接长的方式则施工效率将大大降低。另一方面,对于采取反循环方式进行施工的切削机,若采用履带起重机作为底盘,由于起重机本身的高度是已定的,若想降低其高度十分困难。513 底盘的稳定性
4
水平轴双轮铣成槽机
图5 悬挂式液压抓斗
题,国外正在研制可随时对垂直精度进行检测的装
置,一旦发现垂直精度出现偏差,则立即将钻杆向上适当提升进行纠正。
壁式地下连续墙在施工精度与连续性方面比柱列式有较大的提高,另外由于连续墙自身的强度增大,使其可以成为建筑物的一部分而作为承重墙使用,但其最大的不足之处是施工费用高。
大部分地下连续墙施工机械是将其主要部分———切削机构安装在底盘上,目前主要是从已生产的起重机或打桩机中选择能够与切削装置相匹配的底盘。但是,履带起重机的底盘大部分是作为起重机械而开发的,在与地下连续墙施工机相匹配进行基础施工时,需考虑与切削装置的主要部分之间的平衡问题,特别是在施工现场内进行小范围移动时,施工机本身不拆卸,因此机械总体的重心位置很高。对于多轴SMW工法施工机,由于回转动力装置位于回转轴(钻杆)的最上方,重心高的问题更为突出,在进行地下连续墙等基础施工时,屡屡发生整套施工机械倾覆的重大事故。其中故然有安全管理方面的问题,但从根本上说还是施工机切削装置与底盘之间不匹配所产生的整体稳定平衡问题。
在地下连续墙施工中,施工现场情况的变化很大,施工机械常常处于非常恶劣的工况,这就需要底盘能够对切削工作装置给予充分的支撑,为了抵抗切削反力,底盘需要有足够的重量和稳定性以及耐久性。特别是对于地下连续墙的施工,既要求支撑切削部分的重量,又要具有使其以超低速下降的机构。
综上所述,对于地下连续墙施工机械这类基础施工机械的开发,将切削装置与底盘作为一体进行设计和充分论证是十分必要的。
方伟、王瑜,建设部北京建筑机械综合研究所,100007 北京安定门内方家胡同21号 收稿日期:2000202228
5 地下连续墙施工机械的发展方向与问题
511 大型化
地下连续墙施工所使用的机械因施工工法不同
而不同,总的来说,正在向多样化和大深度化方向发展,特别是在相当坚硬的基础中施工时,为了达到所要求的埋设深度,相继开发了多种大型机械。但是,施工现场既有宽阔的平整场地,也常有非常狭窄的地方。因此,高能力的施工机械及相应的施工方法要与施工现场的宽阔程度相适应。512 小型化
对于地下连续墙施工机械,除了要求高能力外,对大型机械还要求能够对其进行分解,并且容易在施工现场组装。为了在狭窄及高度受到限制的场地进行施工,现已出现了小型化低重心的施工机械。这类机械并不是简单地从机械构造上进行改进,如进行柱列式连续墙施工的长螺旋钻机,回转轴(钻杆)的长度必须满足施工深度的要求,由于
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建筑机械 2000 (6)