同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻施工SCP1000型原理樣機研制*

王 輝，王開強，巴 鑫，周環(huán)宇，鄧 雷，姚 濤

(中建三局集團有限公司，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]，后者采用泥漿護壁成槽，插入鋼筋籠并澆筑混凝土[3]。

根據(jù)不同的基坑開挖深度、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)擴大、開挖深度不斷增加、周邊環(huán)境復(fù)雜敏感、風(fēng)險難度不斷提升的基坑工程發(fā)展趨勢下[4]，對地下連續(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道工序在同一時間的不同工作面同步進行，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，進行同步切割澆筑混凝土地下連續(xù)墻施工原理樣機(SCP1000型)研制，本文主要從其功能、組成及關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。

1 SCP1000型原理樣機組成及原理

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

此外，干作業(yè)掘進和混凝土靜壓推力等創(chuàng)新技術(shù)路線會對地下作業(yè)裝置的負載特性帶來不確定因素，切削、橫移、升降動力要求顯著提高。

以上均會對原理樣機的設(shè)計帶來極大挑戰(zhàn)。通過理論分析，并對比相關(guān)工程機械參數(shù)，提出SCP1000型原理樣機(見圖1)及其設(shè)計參數(shù)(見表1)。SCP1000型原理樣機采用框架式機架、軌行式底盤，主要由調(diào)垂機架、升降機構(gòu)、駕駛室、液壓動力站、行走及頂推機構(gòu)、切削排土及隔離機構(gòu)組成。

圖1 SCP1000型原理樣機組成

表1 SCP1000型原理樣機主要設(shè)計參數(shù)

作為核心工作部件的切削排土及隔離機構(gòu)，其頂部與滑動總成固定安裝，滑動總成可在機架內(nèi)升降滑動，通過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型原理樣機工作原理如圖2所示，切削排土機構(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動，切削土體的同時將渣土提升至地面排出，結(jié)合SCP1000型原理樣機主機向前掘進，實現(xiàn)鋸切成槽。

圖2 SCP1000型原理樣機工作原理

隔離裝置安裝于切割箱體背側(cè)，并隨SCP1000型原理樣機主機掘進向前運動。在掘進成槽的同時，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型原理樣機橫移掘進的前進動力主要為澆筑作業(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(見圖2)。以1m槽寬、50m深度估算，混凝土靜壓推力可達29 400kN。但混凝土靜壓推力受流動性和深度影響，人工干預(yù)難度大，不利于主機掘進速度的控制。因此，在SCP1000型原理樣機主機增設(shè)了雙向主動頂推機構(gòu)，可提供±1 000kN的水平推力，用以補償靜壓推力，從而實現(xiàn)對掘進速度的主動控制。

2 SCP1000型原理樣機關(guān)鍵技術(shù)

2.1 后端縮進式雙排切削鏈條同步傳動技術(shù)

為實現(xiàn)切削排土與隔離裝置一體化，提出后端縮進式雙排切削鏈條平面布局(見圖3)。2條鏈刀的轉(zhuǎn)動中軸線在平面內(nèi)呈約6°夾角，實現(xiàn)刀鏈在鋸割面的全寬度分布，同時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排布，內(nèi)收后重疊不碰撞。

切削排土鏈刀切削傳動原理如圖4所示，該機構(gòu)包括可張緊動力單元、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)及從動輪。雙排鏈夾角在剛性支承軌道單元上可通過設(shè)計傾斜軌面實現(xiàn)，但動力單元和從動輪均為運動部件，只能通過異軸傳動實現(xiàn)偏軸角運動。動力單元為切削鏈提供驅(qū)動力，為保證鏈條轉(zhuǎn)動過程中不脫離切割箱體，須對鏈條施加張緊力，利用張緊油缸將動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原理

雙排切削鏈采用2組獨立的動力單元，每組動力單元采用1臺高扭矩液壓馬達作為動力輸入，每臺馬達額定輸出功率可達250kW，并利用齒輪減速箱將驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)速匹配到切削鏈條工作線速度(0.2～1m/s)。為保持2排獨立驅(qū)動的切削鏈條同步運行，在2組動力單元減速箱間配置球籠式萬向聯(lián)軸器，實現(xiàn)機械強制同步，如圖5所示。同步聯(lián)軸器最大可傳遞1/2切削排土負載(允許1臺馬達故障)，允許18°軸偏角及100mm直線伸縮，可實現(xiàn)雙排切削鏈獨立張緊。

圖5 雙鏈同步動力單元

從動輪位于傳動機構(gòu)最底部，無需外部動力輸入，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的摩擦阻力。呈交錯角的雙從動輪機構(gòu)如圖6所示。為阻隔地下深層壓力環(huán)境下固、液污染物進入從動輪軸承潤滑腔體，造成軸承失效，每邊從動輪均設(shè)計了4重密封結(jié)構(gòu)形式，并包含兩級壓力腔體，避免污染物向內(nèi)部滲透。

圖6 呈交錯角的雙從動輪機構(gòu)

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

無泥漿護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，為保障成槽過程中槽壁的穩(wěn)定性，需利用切割箱側(cè)壁支撐槽壁。同時為減小切割箱與槽壁的擠壓和摩擦阻力，切割箱寬度相對切削面寬度收窄，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、平整及橫移掘進土壓摩擦阻力，需通過后期反復(fù)試驗分析取得結(jié)果。設(shè)計可調(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械、流體、測量接口和通道；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，從而實現(xiàn)對側(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，可在試驗階段經(jīng)濟高效地實現(xiàn)對成槽寬度及側(cè)壁間隙的調(diào)整。

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

2.3 一體化掘進橫移頂推技術(shù)

SCP1000型原理樣機掘進橫移的大部分推力來源于隔離裝置后側(cè)的混凝土靜壓推力，而履帶和步履底盤并不具備長時間被動行走的能力，輪胎的承載能力和剛度遠不能達到裝備要求，采用起重機級別的軌行式底盤，并將切削橫移動作與底盤行走動作一體化，以提高施工功效。綜合考慮主機自重及各種負載工況下輪組的支反力，選用16套直徑600mm重型起重機車輪(單輪許用輪壓350kN)，以二級平衡梁結(jié)構(gòu)安裝于底盤下部的4個鉸接點，保障每個輪組獨立受力；并在其中的8套車輪上配置減速電機，為主機提供長距離快速行走所需動力，額定行走速度為16m/min。一體化掘進橫移頂推機構(gòu)如圖8所示。每4個車輪編組上設(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，主機可完成步履式頂推前進或后退。

圖8 一體化掘進橫移頂推機構(gòu)

2.4 智能化分布式電液控制技術(shù)

SCP1000型原理樣機主機裝機功率 >800kW，設(shè)計質(zhì)量220t，主機高17.4m，長13.3m，寬6.4m，由于體積、質(zhì)量龐大，須拆解才能實現(xiàn)公路運輸。

為了拆解和運輸便利，對主機機械結(jié)構(gòu)和電液控制系統(tǒng)進行單元化設(shè)計。其中，機械結(jié)構(gòu)部分可拆解為機架單元、滑動總成單元、底盤單元及輪組軌道單元4個運輸組件。然而，SCP1000型原理樣機由于機械運動功能實現(xiàn)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測需要，集成了大量電氣液壓驅(qū)動和傳感元器件，包含電機泵組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各處，通過線纜、管路聯(lián)接，增加了設(shè)備反復(fù)拆裝運輸過程中的復(fù)雜性和元器件防護難度。

為此，提出基于以太網(wǎng)的智能化分布式電液控制技術(shù)，通過單元化設(shè)計將同類控制功能的電液元器件集成并封裝，對外提供簡單、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，實現(xiàn)便捷拆裝。根據(jù)驅(qū)動對象將液壓動力站分為液壓動力主站和液壓動力輔站，其中主站提供切削回轉(zhuǎn)動力，輔站提供直線運動機械動力；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，再通過以太網(wǎng)絡(luò)集中到駕駛室CPU進行數(shù)據(jù)運算和處理。以此將龐大且復(fù)雜的電液控制系統(tǒng)的設(shè)計、制造和安裝封閉在各整體單元內(nèi)。同時，由于采用了以太網(wǎng)通信，主機全部電液控制參數(shù)均可通過無線互聯(lián)網(wǎng)遠程讀取和調(diào)控，實現(xiàn)主機遠程維保和控制。

圖9 基于以太網(wǎng)的分布式I/O系統(tǒng)

SCP1000型原理樣機駕駛室人機操作界面如圖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)容進行功能分區(qū)。對油缸升降、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行適應(yīng)人員操作的分區(qū)位置優(yōu)化。

圖10 駕駛室人機操作界面

在切割箱組裝及拆卸過程中，由于駕駛室視野受限，無法直接觀察作業(yè)面。為此，增加遙控操作功能(見圖11)，通過操作臺進行操作權(quán)限切換后，主機操作人員可接近作業(yè)面利用遙控器直觀進行主機行走、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 試驗驗證

裝備研制總共歷時16個月，經(jīng)歷了從方案設(shè)計、調(diào)研選型、專家論證到圖紙深化、招標(biāo)采購、生產(chǎn)制造及組裝調(diào)試等過程。共提出對比方案20余種，調(diào)研廠商30余家，開展內(nèi)外部咨詢論證10余次，收集意見100余條，完成機電液圖紙深化1 000余張，總制造質(zhì)量超260t。樣機于2019年11月完成主機組裝調(diào)試和空載試驗，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。SCP1000型原理樣機空載試驗結(jié)果如表2所示。

表2 SCP1000型原理樣機空載試驗結(jié)果

為驗證各項創(chuàng)新工藝原理，對SCP1000型原理樣機開展原位成槽驗證，已完成17m深度成槽試驗，主機功能滿足工藝試驗要求，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

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

通過對后端縮進式雙排切削鏈條同步傳動技術(shù)、可調(diào)節(jié)模塊化剛性護壁及側(cè)壁減阻技術(shù)、一體化掘進橫移頂推技術(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型原理樣機上的功能實現(xiàn)。

通過空載出廠試驗以及原位成槽試驗驗證了SCP1000型原理樣機功能和負載能力，目前已實現(xiàn)17m深度成槽試驗，現(xiàn)階段主機功率滿足創(chuàng)新工藝要求，未來將通過切割箱加節(jié)進一步增加成槽試驗深度，以探索在既定設(shè)備能力及不同地層和工藝實施條件下，同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工藝所能達到的極限深度，從而滿足不同場景應(yīng)用需求。