防渗墙的成墙机械及其发展

1防渗墙的成墙机械及其发展黄均龙(上海隧道工程股份有限公司技术中心，上海200233)[摘要]本文结合我国长江堤防建设中的防渗墙工程，介绍了我国自主开发的几种薄型防渗墙施工工艺与设备及由日本开发的SMW工法成墙机械，并提出了我国SMW工法成墙机械的发展方向。[关键词]防渗墙、成墙工艺、成墙机械、发展方向一、引言长江堤防工程中的防渗墙施工是长江堤防建设中的一个极为重要的地下隐敝工程。据历年的统计资料显示，洪水期间长江干堤所发生的重大险情，一半以上是由于堤基渗水、管涌原因而造成溃堤事故。为了适应堤防建设的需要，各种薄型防渗墙造墙设备纷纷研制出来，使防渗墙的厚度从过去的60～100cm减小到30cm，适应不同土层，提高了工程质量，加快了施工进度，使防渗墙的造价由传统方法的每平方米600～800元/m2降低到现在的170～250元/m2，取得了良好的社会效益与经济效益。与堤防工程防渗墙施工类似的深基坑支护SMW工法虽然在上海、南京二地得到了推广应用，但在深基坑支护施工中，一般都采用了机械性能较好的日本早期开发的三轴机施工机械与配套的进口履带式打桩架，设备投入与使用台班费较高，使得这种深基坑支护工法在一般中小型施工企业中难以采用，影响了SMW工法在我国其它软土地区的推广应用；且在成墙深度、施工效率等方面与现在日本壁式SMW工法等先进成墙机械相比，还存在着一定的差距。二、薄型防渗墙施工工艺与施工设备江河堤防治理中的防渗墙一般要求墙体厚度小、渗透系数低、柔性强、耐久性好与单位面积造价低。防渗墙施工有多头小直径深层搅拌水泥土、锯槽法、链斗法、薄型抓斗、射水法和振动沉模等成墙工艺。1、多头小直径深层搅拌水泥土成墙工艺与施工设备多头小直径深层搅拌桩机一次多头钻进，把水泥浆喷入土体并搅拌，使土体与水泥浆液混合固结成—组水泥土桩，桩与桩搭接形成水泥土防渗墙。2多头深层搅拌桩机有三头、四头、五头、六头之分，多头桩机成墙效率高，搭接施工能保证墙体的连续性和完整性。为了确保成桩垂直度，桩机设有偏斜自动报警系统；还配备喷浆记录仪，自动记录打印喷浆量，确保水泥浆液按设计要求均匀连续输送。目前，六头深层搅拌桩机的钻头直径为O.3～0.45m，成墙有效厚度0.22～O.3m，一般成墙最大深度18m，水泥土渗透系数：10-6cm/s、抗压强度：0.3MPa。其优点是施工简便、无泥浆污染，造价较低，适用于粘土、砂土、淤泥和砂砾层(含砾直径小于5cm)。该成墙工艺是施工防渗墙的主要工艺，己在长江、淮河、洪湖、松花江等堤防防渗墙工程中得到推广应用。2、锯槽法成墙工艺与施工设备在先导孔中，锯槽机的刀杆以一定的倾角一边作上下往复切割运动，一边以0.8～1.5m/h的速度(根据地层状况)向前移动开槽；被锯割切削下来的土体可由反循环排渣系统或正循环方式排出槽外，并采用泥浆护壁。当成槽长度达6～11m时，使用土工布隔离体将槽隔离为开槽段与混凝土浇筑段，然后进行清孔、浇筑塑性混凝土，形成槽宽为0.2～0.3m的防渗墙体。锯槽机由行走底盘、动力及传动系统、刀杆及支架加压系统、排渣系统、起重设施及电气控制系统组成；传动方式有机械式与液压式两种锯糟机。以不同规格的刀杆进行组合，开槽宽度达到0.2～0.5m、深度达到40m。锯槽法的优点是连续成槽、工效高、成墙连续、质量好，并且成墙深，适应于粘土、砂土和卵石粒径小于100mm的砂砾石地层；还可以采用自凝灰浆、固化灰浆形成不同强度和抗渗指标的防渗墙。3、链斗法成墙工艺与施工设备由链斗式开槽机排柱上的旋转链斗取土，同时将斜放的排柱下放到成墙深度，然后开槽机前进开挖沟槽，并采用泥浆护壁，其浇筑混凝土方法类似锯槽法成墙。在开槽时，也可同步在沟槽内铺设塑料薄膜和回填设计要求的材料。经过填料的湿陷固结，形成以塑料薄膜为主要墙体材料的、厚度达0.3m复合薄壁防渗墙。链斗式开槽机的开槽宽度为16～50cm，深度可达10～15m。适应于粘土、砂土和粒径小于槽厚的、含量小于30%的砂砾石地层。4、薄型抓斗成墙工艺与施工设备采用斗宽为0.3m的薄型抓斗进行挖土开槽，泥浆护壁，浇筑塑性混凝土或采用自凝灰浆，形成薄壁防渗墙，最大成墙深度可达40ｍ。适用于粘土、砂土及卵石与砂砾含量与粒径在一定范围内的土层，5、射水法成墙工艺与施工设备射水法成墙机设备主要由造孔机、混凝土搅拌机和浇筑机组成。利用造孔机成型器内喷嘴，射出高速水流来切割土层，成型器上下运动切割修整孔壁，采用泥浆护壁，正循环或反循环出渣。槽孔形成后，浇筑水下混凝土或塑性混凝土形成薄壁防渗墙。施工相邻墙体的槽孔时，用成型器的侧向喷嘴冲洗巳成墙体的槽孔侧壁进行连接，墙体间的接缝质量好。造孔机一次成槽长为1.5～2m，成墙厚度为0.22～0.45m，深度可达30m，成墙垂直精度可达1/300，适应于粘土、砂土和粒径小于100mm的砂砾石地层。3三、SMW工法成墙机械1、发展过程最早的水泥土桩搅拌机械是美国在二次大战后研制成功，它是一种带有齿状切土器和搅拌叶片的特殊螺旋钻，其钻杆是空心的，钻入地层后，随着它不断旋转，其底端能不断喷出水泥浆液，经叶片与周围土体强行搅拌而制成水泥土桩，桩径0.3～0.4m，长度10～12m。该技术当时在美国命名为就地搅拌法，简称MIP工法。1954年日本从美国引入MIP工法，1967年日本港湾技术研究所开始研制石灰搅拌施工机械。随着日本的经济腾飞和大型软土地基加固工程及大量地下防渗墙工程的需要,又开发出一种双轴水泥土深层搅拌机（见图1）。日本从1971年开始用单轴或双轴水泥土深层搅拌机施工连续搭接排列的水泥土搅拌桩防渗墙，并在墙中插入钢管或H型钢，形成早期SMW工法的MIP柱列式地下连续墙，但存在着桩与桩的搭接质量难以保证、施工效率低的缺点。1976年日本成幸工业株式会社与日本竹中土木株式会社分别研制出3轴与4轴水泥土深层搅拌机（见图2），成桩直径一般在0.45～0.65m，并用于SMW工法，提高了SMW工法的一次成墙面积、施工效率、墙身垂直度与止水性，使SMW工法在日本得到了迅速、广泛的普及与应用，还开发出5～6轴的SMW工法成墙施工机械（见图3、图4）。1992年北辰工业株式会社研制试验成功链锯式成墙机械（称TRD工法），于1993年由大成建设公司用于SMW工法施工（见图5）。在1993年，研制成功低重心SMW工法三轴式成墙施工机械，借助先行单轴成孔，使SMW工法的成墙深度达到65m。当年还研制成功伸缩式钻杆的低高度SMW工法（STS）三轴式成墙施工机械，成墙深度达到29.9m。图1双轴深层搅拌机图35轴深层搅拌机图23轴与4轴深层搅拌机图46轴深层搅拌机图5链锯式成墙机械试验机型4从1994年开始，开发应用了两种三轴式矩形断面成墙施工机械（称TMW工法与RMW工法）。在2000年,又开发应用成功低高度、矩形断面、能连续成墙的横行回转式成墙机械（称PTR工法），由利根公司用于SMW工法施工（见图6）。据有关资料显示，日本SMW工法的成墙机械正向着低高度、大深度或连续成墙施工方向发展。2、各成墙机械的特点（1）多轴式SMW工法成墙机械钻杆驱动动力在钻杆的上方，整机的重心比较高；采用电机驱动、特殊小尺寸大扭矩的行星齿轮减速器与一个特殊齿轮传动箱减速；采用钻杆输浆，进浆回转接头在特殊齿轮传动箱的钻杆上方；钻杆与钻杆、钻杆与钻头的连接采用六角柱接头加上横向剪力销，前者传递工作转矩，后者传递拉力，具有承载力大、拆装较快的优点，接头间设密封垫以保证密封；在钻头或钻杆上安装连接系板以保证钻头或钻杆间的距离，防止钻杆歪斜造成搅拌叶相互干涉而影响正常施工；多轴式SMW工法成墙机械由3～6轴水泥土深层搅拌机悬挂在三支点履带式打桩架上，才能进行成墙施工。日本3轴SMW工法深层搅拌机的动力装置可分为二类：一类是3个动力装置各自驱动一根搅拌轴，然而组合成3～6轴SMW工法成墙机械；另一类是二个动力装置通过分动减速箱同时驱动三根搅拌轴。前一类搅拌机可根据施工现场供电情况及施工单位配套桩架的能力灵活组合，轴间距也可变化，施工适应性广，而且每根搅拌头的转速与工作转矩都相同，可使各轴的水泥土桩搅拌均匀。后一类搅拌机三根搅拌头的转速与工作转矩有三种关系：一种是三根轴的转速与工作转矩都相同；另一种是左右二根轴的转速相同但小于中间轴的转速，而它们的工作转矩大于中间轴的转矩；再一种是左右二根轴的转速相同但大于中间轴的转速，而它们的工作转矩却小于中间轴的工作转矩。钻头与钻杆的结构形式根据土质不同而有区别，一般粘性土施工时，钻头或钻杆上有三层或三层以上搅拌叶与少量螺旋叶片；在砂性土施工时，钻头或钻杆上的螺旋叶片数量大于搅拌叶片。（2）链锯式SMW工法成墙机械链锯式成墙机械一般由履带式移动底盘、链锯式切削主机与主机横向移动工作门架三部分组成（见图7）。其工作原理是插入槽孔中的链锯式切削主机作横向移动时，机内有几个出浆口喷出水泥浆，通过驱动装置使切削链条排转动来切削、混合、搅拌土体，形成水泥土，再在搅拌好的水泥土中插入H型钢，形成无接缝的SMW工法壁式地下连续墙体（见图8）。链锯式成墙机械的成墙厚度与深度由不同的机械型号而定，成墙厚度尺寸为450～850mm，最大成墙深度已达47.5m，门型式机型的高度只有7.55m高。图7门型链锯式成墙机械图6横行回转式成墙机械5链锯式成墙机械的特点是：成墙深度大，整机高度低，稳定性好；能横行连续施工成墙，墙体防渗性好，施工效率高；墙体垂直精度较高，墙壁平整无凹凸；由于墙体成矩形断面，H型钢的间距可以自由设置；适用于粘性土、砂质土与砾质土。（3）低重心三轴式SMW工法成墙机械低重心SMW工法成墙机械有下列3种机型：第一种是三轴深层搅拌机与三支点履带式打桩架组合而成。一般整机高度17.9～21m，当采用2节钻杆施工时，其最大成墙施工深度为25.3～28m。施工时，一组3根钻杆与三轴动力头装置和钻头连接，另一组3根钻杆固定在打桩架立柱侧向的机械手上。当第一组钻杆钻到一定深度时，先固定钻杆，使动力头装置与钻杆分离，将另一组钻杆转动到安装位置进行连接，然后继续钻进施工。特殊的接杆装置与钻杆供给装置使接杆简便、快速。第二种是特殊的三轴深层搅拌机与轨行式或履带式机架组合而成。整机高度9.8m或5m。钻杆供给与连接装置同上（见图10）。第三种是伸缩式钻杆三轴深层搅拌机与三支点履带式打桩架组合而成。整机高度一般为19.3m，采用3节伸缩式钻杆施工时，其最大成墙施工深度达到29.9m。钻杆伸缩固定用销定位，工作时间约10分钟。钻杆收缩时长14m，伸长时长30.4m，三轴机动力头装置的驱动总功率90kW（见图11）。（4）三轴式SMW工法矩形断面成墙机械三轴式SMW工法矩形断面成墙机械有2种机型：第一种机型是特殊的三轴深层搅拌机与三支点履带式打桩架组合而成。其特征是钻头上除了有水平向的搅拌叶外，在钻头的上部联接了—个侧向搅拌器，即在钻杆轴线的两侧（与成墙面平行）各有一个搅拌叶（见图12）。这种机型有450P与600P二种型号，成墙厚度尺寸为500～800mm。图8链锯式成墙机械施工示意图9低重心SMW工法成墙机械图10低重心轨行式SMW工法成墙机械图11低重心SMW工法成墙机械6第二种机型的特征是：在钻头上部联接侧向搅拌器，其侧向搅拌叶在两钻杆轴线的中间两侧（与成墙面平行,见图13）。这种机型有三种型号，成墙厚度尺寸为450～900mm。这两种机型的特点是能形成矩形断面的水泥土墙体，与原来同样搅拌直径的三轴式SMW工法成墙机械相比，其施工的墙体有效厚度大，H型钢能任意设置。（5）横行回转式SMW工法成墙机械日本最近几年才开发应用的低高度、矩形断面、能连续成墙的横行回转式SMW工法成墙机械，由履带式移动底盘或三支点履带式打桩架、回转式切削主机与主机横向移动工作门架三部分组成（见图6），其优点同链锯式成墙机械。其工作原理是：当回转式切削主机作横向移动时，机内有几个出浆口喷出水泥浆，通过驱动装置使主机两侧的4根搅拌轴转动来切削、混合、搅拌土体，形成水泥土，再在搅拌好的水泥土中插入H型钢，形成无接缝的SM