液压铣削深搅建造地下连续墙关键技术 (HCSCMW关键技术)

2015-07-30 605 0

  为消除我国江、河、湖、库等堤、坝出现的管涌、流土、沸沙、窨潮渗水等险工患段,减少水的流失,堵截地下污水,保护水资源,满足各种地下构筑物的大深度开挖对支护和防渗的高要求。在剖析了目前国内采用的如钢板桩、钢管桩、钢桩、钻孔灌注桩、高喷桩、砼地下连续墙、垂铺塑膜、水泥土搅拌桩(工民建用于改良地基)和多头小直径水泥土防渗墙等工法的优缺点,以及掌握大量国外有关地基处理方面资料的基础上,于2009年6月,向水利部“948”办公室申报了“液压铣削深搅地连墙机的研究与应用”[简称HCSCMW技术]项目,2009年7月28日以水利部司局文件(2009)科推引字第46号“关于“液压铣削深搅地连墙机的研究与应用”项目可行性研究报告的批复”批准下达,明确了项目的要求和补助经费,并签定了项目实施任务书。通过对国外关键设备和关键技术的引进、消化、吸收,并同国内知名地下施工设备制造企业上海金泰工程机械有限公司合作,由液压双轮铣槽机和传统深层搅拌技术特点相结合起来的新型施工设备和工艺—液压铣削深搅地连墙机(即SH36W-C60铣削搅拌钻机)及其施工工艺HCSCMW(Hydraulic Cutter Soil Cement Mixing Wall)。于2010年7月在上海金泰工程机械有限公司成功试制国内首台SH36W-C60铣削搅拌钻机并进行了中试试验。,2010年8月联合上海金泰工程机械有限公司相关技术和中试的力量在兴隆水利枢纽泄水闸基础处理工程中进行了产品中试,并经湖北南水北调建设管理局批准进行现场应用。通过实际工况的施工应用解决了诸如水下浮动密封问题、复杂地层刀型问题、智能喷浆控制等一系列世界性的设备和施工工艺方面的技术难题,应用表明,研发的机械及其配套的施工工艺完全达到任务书中既定的要求。
  1.工艺原理 由液压双轮铣槽机和传统深层搅拌的技术特点相结合起来,在掘进注浆、供气、铣、削和搅拌的过程中,两个铣轮相对相向旋转,铣削地层;同时通过凯利方形导杆施加向下的推进力或由悬索挂吊HCSCMW机而依靠自重,向下掘进切削。在此过程中,通过供气、注浆系统同时向槽内分别注入高压气体、固化剂和添加剂(一般为水泥和膨润 土),其注浆量为总注浆量的70~80%,直至要求的设计深度。此后,两个铣轮作相反方向相向旋转,通过凯利方形导杆或悬索向上慢慢提起铣轮,并通过供气、注浆管路系统再向槽内分别注入气体和固化液,其注浆量为总注浆量 的20~30%,并与槽内的基土相混合,从而形成由基土、固化剂、水、添加剂等形成的混合物(见图1-1、图1-2、图1-3)。

1-1

1-2掘进搅拌


 图1-3提升搅拌
  2.技术路线
  目前,用于地下防渗处理的技术有二大类型,一种类型是单纯用于地下 防渗的施工技术,如薄壁塑性混凝土、水泥土、塑膜及高喷注浆处理技术;另一种是与承载结合于一体的施工技术,如地下连续墙,即:钢筋砼、水泥土内插芯材(SMW工法、TMW工法)。
   应用于地基垂直防渗处理施工主要采用薄壁液压抓斗成墙、多头小直径深层搅拌桩地连墙、掘槽垂直铺膜、高压喷射(定喷、摆喷、旋喷)形成防渗体等施工技术。薄壁液压抓斗成槽机成墙是在拟建地下连续墙的地面上,先构筑导墙,液压抓斗沿导墙壁挖土,并以倾斜仪测定抓斗的垂直度.然后通过操作纠偏液压推板调整液压抓斗的垂直状况,以控制成槽精度。在挖槽同时用泥浆护壁,防止壁面土体坍落。在成槽结束后,进行塑性水泥混凝土浇筑。但在入岩处理时施工效率低,如遇较大石层时则无法施工,需配合冲击钻机才能顺利施工;并且价格昂贵;多头小直径深搅桩而言,虽然施工费用比较低,但在复杂环境地层中施工质量很难保证,遇基岩时,设备无能力施工,并且施工深度受限,随着深度的增大,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,目前最大的成墙深度也只能达到30米;对于掘槽技术施工,则工效较低,成墙速度较慢,造价比较高,墙体容易出现分叉现象。掘槽垂铺塑膜技术深度最大只能达到15米,并且不能适应砂、卵、砾石含量较高、粒径较大的地层。高压喷射技术应用比较广泛,但浪费水泥的现象较为严重、环境污染大、造价高,不能入岩。
  防渗与承载结合于一体的施工技术开槽置换基土为钢筋砼墙体;SMW工法、TMW工法的水泥土内置芯材(型钢)墙体。置换式成墙机国内主要是抓斗成槽、很少为从外国进口的双轮铣成槽。抓斗式成槽技术如前所述,双轮铣成槽因其成本昂贵、配件难以及时配给,难以普及推广。SMW工法、TMW工法属水泥土搅拌范畴,其施工机理同上所述。
  “十一五”、“十二五”期间,我国进一步加大治理重要堤防、病险库坝的险工患段和整治水环境的力度。截流防渗又是水利治理工程中的重要内容。而截流防渗中对复杂地层—特别穿过较大直径的砂卵石层和入岩或坚硬的地层(如岩层),必须根据地层情况采用多种手段加以处理解决--工序复杂、工效低、能耗高、成本大。同时,随着国民经济突飞猛进的发展,大型地下构造物的建设对大深度支护又提出了迫切的需求。
  地下连续墙技术是利用特殊的成墙施工设备在地下构筑连续墙体的一种基础工程新技术,常用于挡土、截水、防渗和承重等,地下连续墙既可以作为施工过程中的支护设施,也可以作为结构的基础。由于其刚性大,整体性、防渗性和耐久性好,施工不需放坡等优点,该项技术在近50年来得到了迅速发展,并且逐渐成为地下深基坑支护、挡土及防渗墙安全有效的施工方法的主力军。
  通过引进而研发一种可运用在上述地层和工况中,由液压双轮铣槽机和传统深层搅拌的技术特点相结合起来的新型施工设备和工艺—SH36W-C60铣削搅拌钻机及其施工工艺[简称HCSCMW(HydraulicCutterSoilCementMixingWall),以期满足目前市场的需求、降低施工成本、减小与国外先进施工方法的差别已机不可失。
  一是确立大前题:深度55米内造价低廉
  二是将液压双轮铣槽机和传统深层搅拌技术特点相结合
  三是传动方式:采用中空大扭矩低转速液压马达直接驱动


  四是做成薄壁、等厚:使其厚度控制在60cm以内,并研制出多形式配套设备,以满足不同深度等级需要
  五是提供一种结构简单、可切削土层和岩层、同时适用大在深度、高效率、低造价的地下连续墙施工设备
  六是开发产品国产化:研究具有国际水准的制造工艺
  七是制定工法:研究和制定适合国情的施工技术和工艺
  综上所述,使我们认识到该设备作为一种先进的地下连续墙成槽设备,不仅适应性强、在硬岩地层中施工进度远远大于传统施工工艺,且施工精度高,随着市场的不断拓展和国产化深入,必将成为地下工程中的中坚力量。


   3.适用范围和条件
   液压铣削深搅地连墙机的研发及其技术的研究和应用(HCSCMW)的研发成功可广泛应用于工业与民用建筑领域。此关键技术适用于在淤泥、砂、砾石、卵石及中硬强度的岩石、混凝土中开挖。既可用于挡土和支护结构—防止边坡坍塌、坑底隆起;地基加固或改良—防止地层变形、减少构筑物沉降、提高地基承载 力;又可用于盾构掘进工作井、煤矿竖井、城区排水和污水管道、路基填土及填海造陆的基础等多项工程;还可用于防渗帷幕—截流防渗、江、河、湖、海等堤坝除险、污水深化处理池和建造地下水库;对多弯道、小半径的堤坝有较好的适应性。

防渗墙、挡土墙
  4.工艺的先进性
  4.1工艺先进 该施工设备采用掘进、提升、注浆、供气、铣、削、搅拌一次成墙技术,无需设置施工导墙,基土不出槽并和注入的固化剂(一般为水泥)混合,共同构成地下连续墙墙体;
  4.2切削能力强,成墙单幅宽且深度大 SH36W-C60铣削搅拌钻机的主要工作部分是位于下部的铣轮和与其相连的导杆(架),由液压马达直接驱动,可以同时正反向相向旋转,无级调速。由于HCSCMW地连墙机可以装备多种不同辅助支撑机上(如吊车、抓斗、旋挖钻机),一次成墙的长度可达到2800mm,当采用钢索吊挂系统形式最大深度可达到55m;。采用凯利方形导杆式最大深度为36 m;
  4.3跟踪纠偏,槽形规则,成墙垂直精度高 SH36W-C60铣削搅拌钻机的铣头部分安装了用于采集各类数据的传感器,操作人员可以在控制室通过触摸屏,很直观地观察到液压铣削深搅机的工作状态(铣头的偏直状况、铣削的深度、铣头受到的阻力),并进行相应的操作。操作员可以针对不同土层设定铣头的下降速度。对于凯利杆系统的垂直度由支撑凯利杆的三支点辅机的垂直度来控制:
   凯利杆式保证成墙垂直度的机理:在自动校正垂直度的立柱挺杆上安装有二级控制垂直度的装置。它们分别是底部止摆器(限制凯利杆的摆动);凯利杆顶部提升和限位器。见图4.3-1。在铣削搅拌掘进初始阶段,由止摆器限制和上部限位器的共同作用,使得凯利杆与立柱挺杆保持一致的垂直度,从而保证了铣削搅拌头的定位精度;当铣削搅拌头全部入土后时,由安装在铣削搅拌头上的监控装置提供铣削搅拌头的偏斜情况,从而经三支点桩架调整挺杆二级控制垂直度的装置和凯利杆来保证铣削搅拌头始终处于垂直状态,来确保墙体的垂直精度小于1‰。

  悬索式保证成墙垂直度的机理:对于钢索吊挂系统则通过安装在沿高度方向的左右两侧导向板和前后两侧纠偏板进行纠偏控制。操作员通过触摸屏,控制液压千斤顶系统伸出或缩回导向板、纠偏板,调整铣头的姿态,并调慢铣头下降速度,从而有效地控制了槽孔的垂直度在1‰以内(如图4.3-2);

图4.3-2钢索垂直机理
  4.4墙体均质、壁面平整、整体性强、防渗性能好 由铣、削、搅、气、浆的共同作用,造成的墙体均匀密实;幅间连接为完全铣削结合,接合面无冷缝且间距大,接头少整体性强,防渗性能好;(见图4.4-1)

图4.4-1液压铣削深搅成墙效果图
  均匀密实性机理:在钻进铣削深搅进程中,水、气、浆与地层中被掘削下来的细颗粒混掺,形成夹气的混合液,沿掘削的沟槽和孔壁向上冒出。由于高压气流在浆液中分散的气泡与地面大气的压差作用,使冒出浆液成沸腾状,增加了升扬挟带能力,从而使掘削掺搅范围内的细颗粒成分更容易被带出地面,有效地改变了地层的组织结构和成分。能使墙体上下成分趋于均匀一致。在连续灌注和搅拌浆液结束后,而形成底部浆液浓稠,上部浆液细稀,对墙体及两侧土体的挤压和渗透作用的“浆液静压”现象仍在进行,这样既可防止浆液凝结出现“凹陷”,也使得墙体、墙体和两侧土体的结合更加密实(见图4.4-2)。

 图4.4-2均匀密实混合物
  4.5保槽技术简单,运行成本低 SH36W-C60铣削搅拌钻机在施工过程中,在掘进成槽中通常通过注浆系统注入泥浆(膨润土或粘土,如果地层中粘粒含量高,可不用或少用膨润土),泥浆主要起到护壁,防止槽壁坍塌的作用;

  4.6稳定性好,安全度高 SH36W-C60铣削搅拌钻机的铣削搅拌头位于凯利方形杆或悬索系统的下端,整机重心低,安全度高;

  4.7运转灵活,操作方便 支撑SH36W-C60铣削搅拌钻机的履带式辅机可自由行走,不需要轨道,在控制室可方便安全操作;

  4.8适用范围广,工效高 采用铣削搅三位一体实现一种机型既可穿过复杂地层(如砾石、卵石)施工,也可使墙体入岩,特别是入岩成墙和穿砾、卵石层成墙;做到一机一序(成墙)一步到位。更换不同类型的刀具辅以高压气体的升扬置换作用,减小机具在掘进过程中的摩阻力,便于在淤泥、粘土、砂、砾石、卵石及中硬强度的岩石中开挖。钻进效率高,在松散地层中钻进效率20m3/h~40m3/h,在中硬岩石中钻进效率1m3/h~2m3/h;
  针对不同地层匹配各种不同形式的铣刀盘以达到最理想的工作状态,目前有以下几种针对性较强的铣刀盘:

图4.8-1硬地层深层搅拌

图4.8-2软土层深层搅拌

图4.8-3砂土层深层搅拌
4.9避让地下管线 采用HCSCMW关键技术,它可以在地下管线宽度不超过2m的范围内,使地下管线的下部能连续成墙;
   4.10环境影响小 低噪音、低振动,可以贴近建筑物施工。直接将基土作为墙体的组成部分,弃土和弃浆少,节能环保。

图4.10穿地下管线
  5.关键技术的技术成熟程度
   2009年编写的“液压铣削深搅施工工法”被批准为2008年度江苏省建筑业省级工法。
   6.取得的科技成果
  在与水利部“948”项目管理办公室签订项目任务书后,我们在推广应用的同时特别注重科技成果和自主知识产权的申报工作。  
  2009年我们通过江苏省南京苏科专利代理有限公司申报了“液压铣削深搅地连墙机”的实用新型专利,于2009年得到了受理(受理号为200920042982.5),于2010年03月得到了国家知识产权局的授权。(专利号为ZL200920042982.5)。
   同年申报了“一种液压铣削深搅地连墙机”的发明专利,于2009年得到受理(受理号为200910032673.4),2010年12月得到国家知识产权局的授权。(专利号为ZL200910032673.4)。
  2010年在《基础工程》杂志上发表了名为《液压铣削深搅成槽机的研发及其施工工艺的研究与应用》学术论文。
  从承担水利部“948”项目以来,我们通过调查、研究,对几种不同技术方案的对比,试验,吸收国外先进的关键技术,已成功研制出了国产的铣削深搅头部件,取代了昂贵的进口部件,加快了设备国产化的进程。

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