城市棄土再生建材施工專用設備研發設計及應用

薛信愷 霍同乾 杜君 徐浩

（作者單位：薛信愷、徐浩，中電建生態環境集團有限公司；霍同乾、杜君，中國電建集團武漢重工裝備有限公司）

一、研究背景與意義

傳統的各類工程基槽回填施工過程中通常會遇到基坑開挖后基槽回填空間狹窄、回填深度較大、鋼板樁拔除后產生縫隙、回填土需分層夯實并且夯實質量不穩定、回填用石粉渣采購成本高以及現場渣土的外運處理問題等。

針對管網基槽開挖后的這一系列問題，中電建生態環境集團有限公司自2016年來開展了超軟弱地層管網基槽加固及流動化土填筑技術研究，提出了采用流動化處理工法對基坑及縫隙進行回填。所謂的流動化處理工法就是對基坑開挖后原有的基土通過添加一定比例的固化材料、調整含水率，攪拌形成具有一定流動性的回填材料從而進行回填施工。流動化土處理工法成本低、施工工藝簡單、回填效果較好，適用范圍廣泛。相關課題經過多個階段的實驗室試驗和現場施工試驗，流動化土承載性能得到了驗證，流動化土填筑技術逐漸被充分掌握。然而受限于無專業施工設備，該技術工程運用時存在效率低、勞動力強度大等問題，因此流動化土填筑施工專用設備的研發迫在眉睫。

二、城市棄土再生建材施工專用設備設計

根據流動化處理工法現場施工時的實際情況，相關施工設備必須具備土方破碎、泥土攪拌以及流動化土澆筑功能。根據實際需求，相關方組織開展了流動化土填筑技術工程運用設備專項研究，研發設計出第一代城市棄土再生建材施工專用設備，如圖1所示。

圖1 城市棄土再生建材施工專用設備結構圖

1.工作原理

挖掘機挖掘出的泥土經過初步篩選，篩選掉泥土中所含的垃圾（如樹枝、塑料布等）和大石塊；然后將泥土倒入臥式雙軸土方破碎裝置中破碎，破碎后的泥土下落至破碎裝置下方的皮帶輸送機上，然后輸送進入立軸行星攪拌機內。立軸行星攪拌機可快速、高效地完成泥土與早強劑、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，攪拌完成后，開啟卸料開閉裝置，流動化土通過攪拌機下方的出料澆筑裝置回填至管網基坑中，從而完成流動化土的澆筑、回填。立軸行星攪拌機安裝在牽引式行走機構上，可前行、后退、轉向，進而實現連續式澆筑回填工作。

2.具體結構設計

城市棄土再生建材施工專用設備是一種集土方破碎與輸送、流動化土制備與澆筑為一體的流動化土回填施工專用設備。該設備主要結構包括土方破碎裝置、輸送進料系統、攪拌系統、牽引式行走系統、出料澆筑系統等。

（1）土方破碎裝置

目前常見的破碎機主要有顎式破碎機、反擊式破碎機、錘式破碎機、輥式破碎機、圓錐破碎機等，此類破碎機主要用于石塊等堅硬干燥物料的破碎，用于泥土破碎容易在破碎機內附著，并堵塞出料口。因此本設備的土方破碎裝置采用臥式雙軸土方破碎機，該破碎機主要是通過飛速旋轉的破碎刀片的切削力實現土方的破碎。其最大破碎硬度為0.75MPa，平均破碎能力可達80m3/h。

（2）輸送進料系統

經土方破碎裝置破碎后得到的碎土需要通過合適的輸送進料系統運送到攪拌設備中。目前常見的輸送進料方式有皮帶輸送機、螺旋輸送機、刮板輸送機、鏈斗提升機等，通過綜合考慮設備成本、輸送效率以及輸送物料的特性等因素，該設備采用B650-7.7型皮帶輸送機進行輸送進料。帶式輸送機具有構造簡單、工作可靠、自重較輕、操作方便等優點。B650-7.7型皮帶機帶寬為1米，輸送能力為100m3/h。

（3）攪拌系統

流動化土制備過程中需要將土、水、少量的水泥以及添加劑進行混合攪拌。由于制備好的流動化土具有一定粘度容易在攪拌釜內附著，并且在此成分配比的情況下，粘土在常規攪拌過程中會粘結成團，影響流動化土的勻質性。因此本設備采用的是一種包含有高速攪拌裝置的立軸行星式攪拌機，可對泥團進行高速切削，能有效避免粘結成團，保證均勻性。

該攪拌機通過安裝在專門設計的傳動盤上的攪拌工具和刮料工具，實現攪拌桶內零死角攪拌。攪拌機整機傳動平穩，攪拌效率高，攪拌勻質性高、密封好不漏料、耐用性強、檢修空間大。該攪拌機的額定單次處理量為1.5立方，單次攪拌時間僅需30秒。

（4）牽引式行走系統

城市棄土再生建材施工專用設備采用輪式行走結構，自身不具備動力，通過外部動力牽引行走，其具有更好的操作靈活性，轉向結構簡單，易滿足施工現場環境要求。

（5）出料澆筑裝置

攪拌機下方設置出料澆筑系統，當攪拌機底部的閘閥開啟后，攪拌機內的流動化土通過溜槽流入基坑，防止直接落下損壞管涵，并且出料澆筑系統的長度和角度可調，可適應深坑和淺坑等不同工作環境。

3.技術特點

城市棄土再生建材專用施工設備的主要技術特點如下：

（1）工作效率高，本設備每小時填筑量≥30立方米。

（2）整體性攪拌回填設備集解土、輸送、攪拌和回填澆筑于一體。

（3）設備安裝在牽引式行走機構上，可實現連續移動式攪拌、回填和澆筑。

（4）具備土塊分解功能，提升攪拌性能、物料流動性和回填密實度。

（5）攪拌機采用立軸行星多軌跡攪拌方式，攪拌勻質性高、攪拌效率高。

4.效益分析

相對于傳統的石粉渣回填工藝以及人工進行流動化土回填，城市棄土再生建材施工專用設備的使用具有十分明顯的優勢。

（1）采用本設備可節約采購和處理成本：傳統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/立方左右，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，現場開挖出來的渣土需要外運處理，目前處理費約為120元/噸，而采用該設備施工則現場80%的渣土可再生利用，大大地節約了渣土處理費用。

（2）采用本設備可節約施工成本：據了解，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，可節省人力成本1500～3000元。

（3）采用城市棄土再生建材施工專用設備可明顯提高工作效率，本設備每小時可制備并澆筑流動化土30立方以上。

三、現場應用

圖2 城市棄土再生建材施工專用設備現場施工圖

城市棄土再生建材施工專用設備經過多次廠內試驗后，性能相對穩定，基本具備生產現場施工的能力。為了現場驗證該設備的實際使用性能，尋找該設備的不足與改進方案，探索與城市棄土再生建材施工專用設備配套的相關施工工藝，設備于2019年7月在東莞市塘廈鎮城市管網改造現場進行了52批次的流動化土回填施工試驗，完成了四段共計43m的管網基槽的流動化土回填施工，回填質量優良，回填效率達到了設計要求。

1.試驗過程

在第一代城市棄土再生建材施工專用設備正式進行流動化土回填試驗前需進行一系列前期的施工準備。首先是施工巷道的開挖與支護，取土的同時防止塌方；其次按相關要求完成管道及豎井的安裝施工；最后是管道的固定。

在試驗過程中，對于每個批次的流動化回填土都取樣進行了坍落度的現場檢測，同時每個批次都留樣用于后期的承載能力測試。由于本項目中采用的是橡膠管道，流動化回填土為流體并且基坑中滲水嚴重，在澆筑過程中出現了浮管的問題。經現場討論得出永久性填充物、箍體固定以及二次澆筑三種解決方案，處理后管道均未出現明顯上浮。

2.試驗結果

圖3 施工前后對比圖

本次現場試驗整體效果較好，試驗過程及結果達到了設計要求，得到了現場各方面的一致肯定。通過現場試驗發現城市棄土再生建材施工專用設備單批次的最大處理量為2.5立方；單批次所需時間約為5分鐘，其中主要制約因素為進水速度，整機效率接近基本達到設計要求，后期通過改進進水方式可以明顯提升生產效率。經后期檢測發現流動化土回填施工的CBR值為16.69%，大于設計要求的8%，滿足承載要求。

四、總結與展望

根據流動化土回填施工的實際要求，設計出用于流動化土施工的城市棄土再生建材施工專用設備，該設備集土方破碎、流動化土制備和澆筑為一體，極大地減少了人工勞動強度，提高了流動化土施工效率，節約了施工成本，完成了相關設計目標，成功地解決了現場實際問題。

雖然城市棄土再生建材施工專用設備達到預期目標，但通過現場試驗發現該設備依舊存在一些局限與不足。首先，設備自身沒有動力源，無法自行走，需要外部動力牽引；其次，水泥上料時的人工勞動強度較大，可進一步改進；再次，現場土中常常含有較多石塊，而設備破碎能力有限，適應性較差；最后，第一代設備的智能化程度較低。這些不足之處均為第二代城市棄土再生建材施工專用設備的研發提供了方向。