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國內主要成槽工法介紹

成槽工藝是地下連續牆施工中最重要的工序, 常常要占到槽段施工工期一半以上, 因此做好挖槽工作是提高地下連續牆施工效率及保證工程品質的關鍵。 隨著對施工效率要求的不斷提高, 新設備不斷出現, 新的工法也在不斷發展。 目前國內外廣泛採用的先進高效的地下連續牆成槽(孔)機械主要有抓鬥式成槽機、液壓銑槽機、多頭鑽(亦稱為垂直多軸回轉式成槽機)和旋挖式樁孔鑽機等, 其中, 應用最廣的要屬液壓抓鬥式成槽機。

常用的成槽機械設備按其工作機理主要分為抓鬥式、衝擊式和回轉式三大類,

相應來說基本成槽工法也主要有三類:⑴抓鬥式成槽工法;⑵衝擊式鑽進成槽工法;⑶回轉式鑽進成槽工法。

1. 抓鬥式成槽工法

抓鬥式成槽機已成為目前國內地下連續牆成槽的主力設備, 已擁有百多台(多數為進口設備)。 抓鬥挖槽機以履帶式起重機來懸掛抓鬥, 抓鬥通常是蚌(蛤)式的, 根據抓鬥的機械結構特點分為鋼絲繩抓鬥、液壓導板抓鬥、導杆式抓鬥和混合式抓鬥。 抓鬥以其鬥齒切削土體, 切削下的土體收容在鬥體內, 從槽段內提出後開鬥卸土, 如此循環往復進行挖土成槽。

該成槽工法在建築、地鐵等行業中應用極廣, 北京、上海、天津、廣州等大城市的地下連續牆多採用這種工藝。 如北京國家大劇院、上海金茂大廈、天津鴻吉大廈、南京新街口地鐵車站、上海環球金融中心等工程的地下連續牆均採用的是抓鬥法施工工藝。

使用抓鬥成槽, 可以單抓成槽, 也可以多抓成槽, 槽段幅長一般為 3.8~7.2m。 單抓成槽, 即一次抓取一個槽幅;多抓成槽, 每個槽幅由三抓或多抓形成。 通常單序抓的長度等於抓鬥的最大開度(2.4m 左右), 雙序抓的長度小於抓鬥最大開度。

適用環境:地層適應性廣, 如 N<40 的粘性土、砂性土及礫卵石土等。 除大塊的漂卵石、基岩外, 一般的覆蓋層均可。

優點:低噪音低振動;抓鬥挖槽能力強, 施工高效;除早期的蚌式抓鬥索式導板抓鬥外多設有測斜及糾偏裝置(如糾偏液壓推板)隨時調控成槽垂直度, 成槽精度較高(1/300 或更小)。

缺點:掘進深度及遇硬層時受限, 降低成槽工效。 需配合其它方法一道使用。

設備:鋼絲繩抓鬥—如義大利的土力(SOILMEC)和卡沙特蘭地(Casagrande)公司、德國的寶峨(BAUER)、LEFFER 和 WIRTH 公司、日本真砂(MASAGO)公司均生產各型的鋼絲繩抓鬥;液壓導板抓鬥—如德國寶峨(BAUER)公司生產的 DHG 和 GB 兩種類型, 日本真砂(MASAGO)公司生產的 MHL 和 MEH(為超大型, 最大閉鬥力高達 1725kN, 可在砂卵石地基開挖深達 150m 和厚大 3.0m 的地下牆)型, 利伯海爾公司生產的 HSWG 抓鬥;導杆式抓鬥—如法國的 KELLY、義大利的 KRC 和日本的 CON 系列;混合式液壓抓鬥—如義大利土力(SOILMEC)公司的 BH-7/12 等和 MAIT 公司的 HR160 抓鬥。

2. 衝擊式鑽進成槽工法

世界上最早出現的地下連續牆是用衝擊鑽進工法(如義大利的依克斯(ICOS)法—衝擊鑽進、正迴圈出渣)建成的, 我國也是這樣。 隨著施工技術水準的不斷提高, 衝擊鑽進工法不再占主導地位。 不過如將其與現代施工技術和設備相結合, 衝擊鑽進工法仍然有不可忽視的優點。

國內衝擊鑽進成槽工法主要有衝擊鑽進式(鑽劈法)和衝擊反迴圈式(鑽吸法)。 衝擊鑽進法採用的是衝擊破碎和抽筒掏渣(即泥漿不迴圈)的工法,

即衝擊鑽機利用鋼絲繩懸吊衝擊鑽頭進行往復提升和下落運動, 依靠其自身的重量反復衝擊破碎岩石, 然後用一隻帶有活底的收渣筒將破碎下來的土渣石屑取出而成孔。 一般先鑽進主孔, 後劈打副孔, 主副孔相連成為一個槽孔。

衝擊反迴圈式是以衝擊反迴圈鑽機替代衝擊鑽機, 在空心套筒式鑽頭中心設置排渣管(或用反迴圈砂石泵)抽吸含鑽渣的泥漿, 經淨化後回至槽孔, 使得排渣效率大大提高, 泥漿中鑽渣減少後, 鑽頭衝擊破碎的效率也大為提高, 槽孔建造既可以用平打法, 也可分主副孔施工。 這種衝擊反迴圈鑽機的鑽吸法工效大大高於老式衝擊鑽機的鑽劈法。

適用環境:在各種土、砂層、礫石、卵石、漂石、軟岩、硬岩中都能使用,特別適用于深厚漂石、孤石等複雜地層施工,在此類地層中其施工成本要遠低於抓鬥式成槽機和液壓銑槽機。是國內水利部門在防滲牆施工中仍在使用的一種方法。

優點:施工機械簡單,操作簡便,成本低,不失為一種經濟適用型工藝。

缺點:成槽效率低,成槽品質較差。

主要機型:衝擊鑽機主要有 YKC 型、CZ-22 和 CZ-30 型,衝擊反迴圈鑽機主要有 CZF系列、CJF 系列、CIS-58 等。

在我國,衝擊式鑽機用於地下連續牆施工已有五十多年的歷史了,衝擊反迴圈鑽機成牆深度最大達 101m(四川冶勒水電站),在長江三峽和潤揚長江大橋等嵌岩地下連續牆工程中也發揮了重要作用。

3. 回轉式成槽工法

回轉式成槽機根據回轉軸的方向分垂直回轉式與水準回轉式。

(1) 垂直回轉式

垂直式分垂直單軸回轉鑽機(也稱單頭鑽)和垂直多軸回轉鑽機(也稱多頭鑽)。單頭鑽主要用來鑽導孔,多頭鑽多用來挖槽。

a. 單頭鑽

單頭鑽機多採用反迴圈鑽進工藝,在細顆粒地層也可採用正迴圈出渣。由於鑽進中會遇到從軟土到基岩的各種地層,一般均配備多種鑽頭以適應鑽進的需要。單軸回轉鑽機主要有:

法國的 CIS-60、CIS-61、德國的 BG 和我國的 GJD、GPS、GQ 等。

還有一種是泥漿不迴圈的旋挖鑽進工法,其工作原理是機器施加強大的動力(扭矩)使鑽頭、振動沉管、搖管、全套管等在回轉過程中切削破碎岩(土)體,再用旋挖鬥、螺旋鑽、沖抓鬥等設備直接挖土至孔外。主要機型有:法國索列旦斯公司的 CIS-71 型、義大利的 KCC型和 MR-2 型、日本的 KPC-1200 和我國的 GJD-1500 等。

旋挖鑽進工法中比較先進的是一種全回轉式全套管鑽進工法,其特點是可以在非常堅硬的地質條件下(即使是抗壓強度大於 250MPa 的岩石)進行連續套管切割並確保鑽進速度。

主要機型有德國的 RDM 型和日本的 RT 型(上海基礎公司 2006 年引進 RT-200AⅢ型全回轉全套管鑽機,用於外灘十六鋪地區綜合改造工程中施工穿越江邊深厚拋石層的地下連續牆的清障處理,效果較好),其在地下連續牆領域的應用有待進一步挖掘潛力。

b. 多頭鑽

垂直多頭回轉鑽是利用兩個或多個潛水電機,通過傳動裝置帶動鑽機下的多個鑽頭旋轉,等鑽速對稱切削土層,用泵吸反迴圈的方式排渣進入振動篩,較大砂石、塊狀泥團由振動篩排出,較細顆粒隨泥漿流入沉澱池,通過旋流器多次分離處理排除,清潔泥漿再供迴圈使用。多頭鑽一次下鑽挖成的幅段稱為掘削段,幾個掘削段構成一個單元槽段。

適用環境:N<30 的粘性土、砂性土等不太堅硬的細顆粒地層。深度可達 40m 左右。

優點:施工時無振動無噪音,可連續進行挖槽和排渣,不需要反復提鑽,施工效率高,施工品質較好,垂直度可控制在 1/200~1/300 之間。在上世紀 80 年代前期應用較多,是一種較受歡迎的施工方法。

缺點:在礫石卵石層中及遇障礙物時成槽適應性欠佳。

設備:主要機型有日本的 BW 系列(目前國外僅此一家生產,BWN 型最深挖深已達130m,牆厚達1.5m)、我國的SF型(上海基礎公司上世紀70年代後期研製成功,SF-60/SF-80)和 ZLQ 等。多頭鑽近年來已受到挑戰,逐漸為抓鬥及水準多軸回轉鑽機(銑槽機)所替代,但對於土砂等細顆粒地層仍有其市場。

c. 水準回轉式—銑槽機

水準多軸回轉鑽機,實際上只有兩個軸(輪),也稱為雙輪銑成槽機。根據動力源的不同,可分為電動和液壓兩種機型。銑槽機是目前國內外最先進的地下連續牆成槽機械,最大成槽深度可達 150m,一次成槽厚度在 800mm~2800mm 之間。

優點:

(a) 對地層適應性強,淤泥、砂、礫石、卵石、中等硬度岩石等均可掘削,配上特製的滾輪銑刀還可鑽進抗壓強度為 200MPa 左右的堅硬岩石;

(b) 施工效率高,掘進速度快,一般沉積層可達 20~40m3/h(較之抓鬥法高 2~3 倍),中等硬度的岩石也能達 1~2m3/h。

(c) 成槽精度高,利用電子測斜裝置和導向調節系統、可調角度的鼓輪旋銑器,可使垂直度高達 1‰~2‰。

(d) 成槽深度大,一般可達 60m,特製型號可達 150m;

(e) 能直接切割混凝土,在一、二序槽的連接中不需專門的連接件,也不需採取特殊封堵措施就能形成良好的牆體接頭;

(f) 設備自動化程度高,運轉靈活,操作方便。以電子指示儀監控全施工過程,自動記錄和保存測斜資料,在施工完畢後還可全部列印出來作工程資料;

(g) 低噪音、低振動,可以貼近建築物施工。

局限性:

(a) 設備價格昂貴、維護成本高;

(b) 不適用於存在孤石、較大卵石等地層,需配合使用衝擊鑽進工法或爆破。

(c) 對地層中的鐵器掉落或原有地層中存在的鋼筋等比較敏感。

銑槽機性能優越,在發達國家已普遍採用,受施工成本、設備數量限制(我國自從 1997年長江三峽工程引進首台後,至今社會保有量約 10 台不到),目前還未在國內全面推廣。

日本利用銑槽機完成了大量超深基礎工程,最深已達 150 m,厚度達 2.8~3.2 m,試驗開挖深度已達 170 m。國內利用銑槽機已成功施工了三峽工程、深圳地鐵車站(嵌微風化岩地牆)、南京紫峰大廈、上海 500kV 世博變電站等多個工程。

設備:液壓式有德國寶峨(BAUER)公司的 BC 型(在我國市場佔有量較大)、法國的 HF 型、義大利卡沙特蘭地(Casagrande)公司的 K3 和 HM 型、日本的 TBW 型等;電動式有日本利根公司的 EM、EMX 型等。

(1)銑槽機工作原理

設備主要由三部分組成:起重設備(履帶吊)、銑槽機(銑刀架,12m 高)、泥漿製備及篩分系統等。

其工作原理是:以動力驅使安裝在機架上的兩個鼓輪(也稱銑輪)向相互反向旋轉來削掘岩(土)並破碎成小塊,利用機架自身配置的泵吸反循環系統將鑽掘出的土岩渣與泥漿混合物通過銑輪中間的吸砂口抽吸出排到地面專用除砂設備進行集中處理,將泥土和岩石碎塊從泥漿中分離,淨化後的泥漿重新抽回槽中迴圈使用,如此往復,直至終孔成槽。圖 11-17所示為液壓雙輪銑工作原理圖。

銑輪刀可根據不同地層相應選配,其形式主要有三類:標準炭化鎢刀齒(平齒)、合金鑲鎢鋼頭的錐形刀齒(錐齒)和配滾動式鑽頭的輪狀削掘齒(滾齒),分別適用於最大抗壓強度為 60MPa、140MPa 及 250MPa 的岩石挖掘。

(2)單元槽段劃分原則與刀法設計

根據銑槽機的成槽特點,以 BC 型為例,兩個銑輪張開最大時(稱 1 個滿刀)銑削頭長度為 2.8m,閉合刀的範圍在 0.8~1.6m 間。當開挖土(岩)體為以下兩種情況時為銑槽機的適宜工作環境:

a、預開挖土體兩側均未開挖,此時預開挖土(岩)體尺寸 B=2.8m(1 個滿刀);

b、預開挖土(岩)體兩側均已開挖,此時銑銷機預開挖土(岩)體尺寸 B 須在 800~1600(一個閉合刀)之間,且成槽施工時應儘量使銑輪中心與土(岩)體中心吻合,避免由於偏心而使成槽施工時銑輪產生水準偏移,從而保證銑削效果。

由於銑槽機對預開挖土體的特殊要求,相應對單元槽段尺寸劃分提出了一定要求,由下標準刀法大樣圖可看出,考慮適當的預挖區搭接長度,單元槽段劃分長度在 2.8~5.6m 比較合適。通常一序槽(先施工槽段)以三刀成槽,槽段劃分長度較長,二序槽(後施工槽段)以一刀成槽,槽段劃分長度較短,有時一序槽也可以一刀成槽。

(3)銑接頭

銑槽機成槽槽段之間的連接有一種比較有特色的方法,稱為“銑接法”,如圖 11-21 所示。即在進行一序槽段開挖時,超出槽段接縫中心線 10cm~25cm,二序槽段開挖時,在兩個一序槽段中間下入銑槽機,銑掉一序槽段超出部分的混凝土以形成鋸齒形搭接,形成新鮮的混凝土接觸面,然後澆築二序槽混凝土。

由於有銑刀齒的打毛作用,使得二序槽混凝土可以很好地與一序槽混凝土相結合,密水性能好,形成了一種較為理想的連續牆接頭形式,稱為“銑接頭”(或套銑接頭)。銑槽機切削形成的一期混凝土表面如圖 11-22 所示。

銑接頭施工工藝簡單,方法成熟,出現事故的幾率很低。在國內外大型地下連續牆項目中得到了廣泛的採用。銑接法還有一個顯著的特點就是省去了接頭管(箱)吊放及頂拔環節,避免了接頭管拔斷或埋管的風險。對於超深地下連續牆的施工可以說是一個利好因素。

國內利用銑槽機施工的槽段接頭形式還有工字鋼(H 型鋼)剛性接頭,如深圳地鐵老街站及上海世博 500kV 變電站工程等。目前在建的上海第一高樓—上海中心工程中的地牆接頭就採用了型鋼接頭和套銑接頭兩種形式,其中銑接頭是該地區的首次應用。

總之,銑槽機作為一種先進的地下連續牆成槽設備,其突出優點是在硬層中的施工速度遠遠快于傳統施工工藝並且施工精度高。相信隨著不斷的市場拓展和國產化深化預期,必將成為地下工程施工設備中的中堅力量。

四、成槽工法組合

隨著城市地下空間開發利用朝著大深度發展的態勢,地下連續牆作為一種重要的深基礎形式與深基坑圍護結構,也有了越做越深、越做越厚的趨勢,相應穿越地層也越來越複雜。

在複雜地層中的成槽施工,也由單一的純抓、純沖、純鑽、純銑工法等發展到採用多種成槽工法的組合工藝,後者相比前者往往能起到事半功倍的作用—效率高、成本低、品質優。

主要的工法組合有抓鬥還可以和衝擊鑽或鑽機配合使用形成“抓沖法”或“鑽抓法”(如兩鑽一抓、三鑽兩抓或四鑽三抓等)。“抓沖法”以衝擊鑽鑽鑿主孔,抓鬥抓取副孔,這種方法可以充分發揮兩種機械的優勢,衝擊鑽可以鑽進軟硬不同的地層,而抓鬥取土效率高,抓鬥在副孔施工遇到堅硬地層時隨時可換上衝擊鑽或重鑿(“抓鑿法”)克服。此法可比單用衝擊鑽成槽顯著提高工效 1~3 倍,地層適應性也廣。“鑽抓法”是以鑽機(如潛水電鑽)在抓鬥幅寬兩側先鑽兩個導孔,再以抓鬥抓取兩孔間土體,效果較好。早期的蚌式抓鬥索式導板抓鬥由於沒有糾偏裝置,多是利用鑽抓法來進行成槽的,以導孔的垂直度來直接控制成槽的垂直度。

隨著銑槽機的應用,出現了“抓銑結合”、“鑽銑結合”、“銑抓鑽結合”等新工法組合。如上海 500kV 世博變電站地下連續牆施工中(牆深 57.5m/牆厚 1.2m)採用了“抓銑結合”工法組合,該工藝即是—對於上部軟弱土層採用抓鬥成槽機成槽,進入硬土層(或軟岩層)後採用銑槽機銑削成槽,大幅度提高了成槽掘進效率,並在銑槽機下槽的過程中對上部已完成的槽壁進行修整,確保整個槽壁垂直度達到要求。三峽二期上游圍堰防滲牆深達73.5m 的槽段,採用的就是“銑抓鑽結合”工法組合,即上部風化砂用液壓銑銑削,中部砂卵石用抓鬥抓取,下部塊球體及基岩用衝擊反迴圈鑽進,三種工法揚長避短,確保了成槽品質和進度。

在硬岩、孤石等堅硬地層地層中,發展的組合工法有“鑽鑿法”和“鑿銑法”等。“鑽鑿法是用 8~12t 的重鑿沖鑿並與衝擊反迴圈鑽機相配合的一種工藝,如在潤揚長江大橋北錨碇地牆工程中(牆深 56m/牆厚 1.2m),這種工法取得了在硬岩中施工效率較高,成本低的效果,宜很有推廣價值。而“鑿銑法”是用重鑿沖鑿與液壓銑槽機配合的一種工藝,其優點是成槽品質好,噪音低,適合城市施工作業。

適用環境:在各種土、砂層、礫石、卵石、漂石、軟岩、硬岩中都能使用,特別適用于深厚漂石、孤石等複雜地層施工,在此類地層中其施工成本要遠低於抓鬥式成槽機和液壓銑槽機。是國內水利部門在防滲牆施工中仍在使用的一種方法。

優點:施工機械簡單,操作簡便,成本低,不失為一種經濟適用型工藝。

缺點:成槽效率低,成槽品質較差。

主要機型:衝擊鑽機主要有 YKC 型、CZ-22 和 CZ-30 型,衝擊反迴圈鑽機主要有 CZF系列、CJF 系列、CIS-58 等。

在我國,衝擊式鑽機用於地下連續牆施工已有五十多年的歷史了,衝擊反迴圈鑽機成牆深度最大達 101m(四川冶勒水電站),在長江三峽和潤揚長江大橋等嵌岩地下連續牆工程中也發揮了重要作用。

3. 回轉式成槽工法

回轉式成槽機根據回轉軸的方向分垂直回轉式與水準回轉式。

(1) 垂直回轉式

垂直式分垂直單軸回轉鑽機(也稱單頭鑽)和垂直多軸回轉鑽機(也稱多頭鑽)。單頭鑽主要用來鑽導孔,多頭鑽多用來挖槽。

a. 單頭鑽

單頭鑽機多採用反迴圈鑽進工藝,在細顆粒地層也可採用正迴圈出渣。由於鑽進中會遇到從軟土到基岩的各種地層,一般均配備多種鑽頭以適應鑽進的需要。單軸回轉鑽機主要有:

法國的 CIS-60、CIS-61、德國的 BG 和我國的 GJD、GPS、GQ 等。

還有一種是泥漿不迴圈的旋挖鑽進工法,其工作原理是機器施加強大的動力(扭矩)使鑽頭、振動沉管、搖管、全套管等在回轉過程中切削破碎岩(土)體,再用旋挖鬥、螺旋鑽、沖抓鬥等設備直接挖土至孔外。主要機型有:法國索列旦斯公司的 CIS-71 型、義大利的 KCC型和 MR-2 型、日本的 KPC-1200 和我國的 GJD-1500 等。

旋挖鑽進工法中比較先進的是一種全回轉式全套管鑽進工法,其特點是可以在非常堅硬的地質條件下(即使是抗壓強度大於 250MPa 的岩石)進行連續套管切割並確保鑽進速度。

主要機型有德國的 RDM 型和日本的 RT 型(上海基礎公司 2006 年引進 RT-200AⅢ型全回轉全套管鑽機,用於外灘十六鋪地區綜合改造工程中施工穿越江邊深厚拋石層的地下連續牆的清障處理,效果較好),其在地下連續牆領域的應用有待進一步挖掘潛力。

b. 多頭鑽

垂直多頭回轉鑽是利用兩個或多個潛水電機,通過傳動裝置帶動鑽機下的多個鑽頭旋轉,等鑽速對稱切削土層,用泵吸反迴圈的方式排渣進入振動篩,較大砂石、塊狀泥團由振動篩排出,較細顆粒隨泥漿流入沉澱池,通過旋流器多次分離處理排除,清潔泥漿再供迴圈使用。多頭鑽一次下鑽挖成的幅段稱為掘削段,幾個掘削段構成一個單元槽段。

適用環境:N<30 的粘性土、砂性土等不太堅硬的細顆粒地層。深度可達 40m 左右。

優點:施工時無振動無噪音,可連續進行挖槽和排渣,不需要反復提鑽,施工效率高,施工品質較好,垂直度可控制在 1/200~1/300 之間。在上世紀 80 年代前期應用較多,是一種較受歡迎的施工方法。

缺點:在礫石卵石層中及遇障礙物時成槽適應性欠佳。

設備:主要機型有日本的 BW 系列(目前國外僅此一家生產,BWN 型最深挖深已達130m,牆厚達1.5m)、我國的SF型(上海基礎公司上世紀70年代後期研製成功,SF-60/SF-80)和 ZLQ 等。多頭鑽近年來已受到挑戰,逐漸為抓鬥及水準多軸回轉鑽機(銑槽機)所替代,但對於土砂等細顆粒地層仍有其市場。

c. 水準回轉式—銑槽機

水準多軸回轉鑽機,實際上只有兩個軸(輪),也稱為雙輪銑成槽機。根據動力源的不同,可分為電動和液壓兩種機型。銑槽機是目前國內外最先進的地下連續牆成槽機械,最大成槽深度可達 150m,一次成槽厚度在 800mm~2800mm 之間。

優點:

(a) 對地層適應性強,淤泥、砂、礫石、卵石、中等硬度岩石等均可掘削,配上特製的滾輪銑刀還可鑽進抗壓強度為 200MPa 左右的堅硬岩石;

(b) 施工效率高,掘進速度快,一般沉積層可達 20~40m3/h(較之抓鬥法高 2~3 倍),中等硬度的岩石也能達 1~2m3/h。

(c) 成槽精度高,利用電子測斜裝置和導向調節系統、可調角度的鼓輪旋銑器,可使垂直度高達 1‰~2‰。

(d) 成槽深度大,一般可達 60m,特製型號可達 150m;

(e) 能直接切割混凝土,在一、二序槽的連接中不需專門的連接件,也不需採取特殊封堵措施就能形成良好的牆體接頭;

(f) 設備自動化程度高,運轉靈活,操作方便。以電子指示儀監控全施工過程,自動記錄和保存測斜資料,在施工完畢後還可全部列印出來作工程資料;

(g) 低噪音、低振動,可以貼近建築物施工。

局限性:

(a) 設備價格昂貴、維護成本高;

(b) 不適用於存在孤石、較大卵石等地層,需配合使用衝擊鑽進工法或爆破。

(c) 對地層中的鐵器掉落或原有地層中存在的鋼筋等比較敏感。

銑槽機性能優越,在發達國家已普遍採用,受施工成本、設備數量限制(我國自從 1997年長江三峽工程引進首台後,至今社會保有量約 10 台不到),目前還未在國內全面推廣。

日本利用銑槽機完成了大量超深基礎工程,最深已達 150 m,厚度達 2.8~3.2 m,試驗開挖深度已達 170 m。國內利用銑槽機已成功施工了三峽工程、深圳地鐵車站(嵌微風化岩地牆)、南京紫峰大廈、上海 500kV 世博變電站等多個工程。

設備:液壓式有德國寶峨(BAUER)公司的 BC 型(在我國市場佔有量較大)、法國的 HF 型、義大利卡沙特蘭地(Casagrande)公司的 K3 和 HM 型、日本的 TBW 型等;電動式有日本利根公司的 EM、EMX 型等。

(1)銑槽機工作原理

設備主要由三部分組成:起重設備(履帶吊)、銑槽機(銑刀架,12m 高)、泥漿製備及篩分系統等。

其工作原理是:以動力驅使安裝在機架上的兩個鼓輪(也稱銑輪)向相互反向旋轉來削掘岩(土)並破碎成小塊,利用機架自身配置的泵吸反循環系統將鑽掘出的土岩渣與泥漿混合物通過銑輪中間的吸砂口抽吸出排到地面專用除砂設備進行集中處理,將泥土和岩石碎塊從泥漿中分離,淨化後的泥漿重新抽回槽中迴圈使用,如此往復,直至終孔成槽。圖 11-17所示為液壓雙輪銑工作原理圖。

銑輪刀可根據不同地層相應選配,其形式主要有三類:標準炭化鎢刀齒(平齒)、合金鑲鎢鋼頭的錐形刀齒(錐齒)和配滾動式鑽頭的輪狀削掘齒(滾齒),分別適用於最大抗壓強度為 60MPa、140MPa 及 250MPa 的岩石挖掘。

(2)單元槽段劃分原則與刀法設計

根據銑槽機的成槽特點,以 BC 型為例,兩個銑輪張開最大時(稱 1 個滿刀)銑削頭長度為 2.8m,閉合刀的範圍在 0.8~1.6m 間。當開挖土(岩)體為以下兩種情況時為銑槽機的適宜工作環境:

a、預開挖土體兩側均未開挖,此時預開挖土(岩)體尺寸 B=2.8m(1 個滿刀);

b、預開挖土(岩)體兩側均已開挖,此時銑銷機預開挖土(岩)體尺寸 B 須在 800~1600(一個閉合刀)之間,且成槽施工時應儘量使銑輪中心與土(岩)體中心吻合,避免由於偏心而使成槽施工時銑輪產生水準偏移,從而保證銑削效果。

由於銑槽機對預開挖土體的特殊要求,相應對單元槽段尺寸劃分提出了一定要求,由下標準刀法大樣圖可看出,考慮適當的預挖區搭接長度,單元槽段劃分長度在 2.8~5.6m 比較合適。通常一序槽(先施工槽段)以三刀成槽,槽段劃分長度較長,二序槽(後施工槽段)以一刀成槽,槽段劃分長度較短,有時一序槽也可以一刀成槽。

(3)銑接頭

銑槽機成槽槽段之間的連接有一種比較有特色的方法,稱為“銑接法”,如圖 11-21 所示。即在進行一序槽段開挖時,超出槽段接縫中心線 10cm~25cm,二序槽段開挖時,在兩個一序槽段中間下入銑槽機,銑掉一序槽段超出部分的混凝土以形成鋸齒形搭接,形成新鮮的混凝土接觸面,然後澆築二序槽混凝土。

由於有銑刀齒的打毛作用,使得二序槽混凝土可以很好地與一序槽混凝土相結合,密水性能好,形成了一種較為理想的連續牆接頭形式,稱為“銑接頭”(或套銑接頭)。銑槽機切削形成的一期混凝土表面如圖 11-22 所示。

銑接頭施工工藝簡單,方法成熟,出現事故的幾率很低。在國內外大型地下連續牆項目中得到了廣泛的採用。銑接法還有一個顯著的特點就是省去了接頭管(箱)吊放及頂拔環節,避免了接頭管拔斷或埋管的風險。對於超深地下連續牆的施工可以說是一個利好因素。

國內利用銑槽機施工的槽段接頭形式還有工字鋼(H 型鋼)剛性接頭,如深圳地鐵老街站及上海世博 500kV 變電站工程等。目前在建的上海第一高樓—上海中心工程中的地牆接頭就採用了型鋼接頭和套銑接頭兩種形式,其中銑接頭是該地區的首次應用。

總之,銑槽機作為一種先進的地下連續牆成槽設備,其突出優點是在硬層中的施工速度遠遠快于傳統施工工藝並且施工精度高。相信隨著不斷的市場拓展和國產化深化預期,必將成為地下工程施工設備中的中堅力量。

四、成槽工法組合

隨著城市地下空間開發利用朝著大深度發展的態勢,地下連續牆作為一種重要的深基礎形式與深基坑圍護結構,也有了越做越深、越做越厚的趨勢,相應穿越地層也越來越複雜。

在複雜地層中的成槽施工,也由單一的純抓、純沖、純鑽、純銑工法等發展到採用多種成槽工法的組合工藝,後者相比前者往往能起到事半功倍的作用—效率高、成本低、品質優。

主要的工法組合有抓鬥還可以和衝擊鑽或鑽機配合使用形成“抓沖法”或“鑽抓法”(如兩鑽一抓、三鑽兩抓或四鑽三抓等)。“抓沖法”以衝擊鑽鑽鑿主孔,抓鬥抓取副孔,這種方法可以充分發揮兩種機械的優勢,衝擊鑽可以鑽進軟硬不同的地層,而抓鬥取土效率高,抓鬥在副孔施工遇到堅硬地層時隨時可換上衝擊鑽或重鑿(“抓鑿法”)克服。此法可比單用衝擊鑽成槽顯著提高工效 1~3 倍,地層適應性也廣。“鑽抓法”是以鑽機(如潛水電鑽)在抓鬥幅寬兩側先鑽兩個導孔,再以抓鬥抓取兩孔間土體,效果較好。早期的蚌式抓鬥索式導板抓鬥由於沒有糾偏裝置,多是利用鑽抓法來進行成槽的,以導孔的垂直度來直接控制成槽的垂直度。

隨著銑槽機的應用,出現了“抓銑結合”、“鑽銑結合”、“銑抓鑽結合”等新工法組合。如上海 500kV 世博變電站地下連續牆施工中(牆深 57.5m/牆厚 1.2m)採用了“抓銑結合”工法組合,該工藝即是—對於上部軟弱土層採用抓鬥成槽機成槽,進入硬土層(或軟岩層)後採用銑槽機銑削成槽,大幅度提高了成槽掘進效率,並在銑槽機下槽的過程中對上部已完成的槽壁進行修整,確保整個槽壁垂直度達到要求。三峽二期上游圍堰防滲牆深達73.5m 的槽段,採用的就是“銑抓鑽結合”工法組合,即上部風化砂用液壓銑銑削,中部砂卵石用抓鬥抓取,下部塊球體及基岩用衝擊反迴圈鑽進,三種工法揚長避短,確保了成槽品質和進度。

在硬岩、孤石等堅硬地層地層中,發展的組合工法有“鑽鑿法”和“鑿銑法”等。“鑽鑿法是用 8~12t 的重鑿沖鑿並與衝擊反迴圈鑽機相配合的一種工藝,如在潤揚長江大橋北錨碇地牆工程中(牆深 56m/牆厚 1.2m),這種工法取得了在硬岩中施工效率較高,成本低的效果,宜很有推廣價值。而“鑿銑法”是用重鑿沖鑿與液壓銑槽機配合的一種工藝,其優點是成槽品質好,噪音低,適合城市施工作業。

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