劉忠池 黃文龍
（上海遠(yuǎn)方基礎(chǔ)工程有限公司，上海閘北區(qū) 200436）
摘 要：地下連續(xù)墻已經(jīng)發(fā)展有60多年歷史，施工實(shí)踐中，地下連續(xù)墻之所以能得到廣泛應(yīng)用，與其專業(yè)施工設(shè)備的不斷發(fā)展是分不開的。本文結(jié)合實(shí)際著重介紹了柱列式與懸壁式地下連續(xù)墻設(shè)備的幾種典型工法及其在施工過程中的技術(shù)要點(diǎn)、柱列式與懸壁式地下連續(xù)墻的比較以及地下連續(xù)墻施工機(jī)械的發(fā)展方向，對當(dāng)今地下連續(xù)墻技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展具有良好的參考價值。
關(guān)鍵詞：深基礎(chǔ)工程；地下連續(xù)墻；SMW工法；TRD工法；技術(shù)設(shè)備
一．引言
地下連續(xù)墻（Pancel trench slurry trench wall contionous diaphragm wall）起源于歐洲的開挖技術(shù)應(yīng)用，在根據(jù)石油和打井鉆井中，使用泥漿和水下澆筑砼的方法，而逐步發(fā)展起來的。上世紀(jì)五十年代在意大利米蘭等地區(qū)，首次采用護(hù)壁泥漿工藝筑成地下連續(xù)墻施工方法。六十年代該施工工藝在前蘇聯(lián)和西方發(fā)達(dá)國家成為地下工程和深基礎(chǔ)施工中有效的技術(shù)工法。而在我國的推廣應(yīng)用也有近三十年。改革開放以后，上海首次引進(jìn)西方和日本的專用地下連續(xù)墻設(shè)備，并廣泛應(yīng)用在深基礎(chǔ)地下施工中。
二．當(dāng)前幾種地下連續(xù)墻設(shè)備在施工過程中的技術(shù)要點(diǎn)
地下連續(xù)墻雖然已經(jīng)發(fā)展有60多年歷史，但在不同深基礎(chǔ)工程中，根據(jù)不同需求領(lǐng)域制定專業(yè)成槽設(shè)備及不斷開發(fā)新的施工機(jī)械上.廣大專業(yè)技術(shù)人員對施工機(jī)械，在不同工況條件下，還是在不斷研究創(chuàng)新開發(fā)之中。在全球基礎(chǔ)施工領(lǐng)域，采用更先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，是為基礎(chǔ)施工企業(yè)創(chuàng)造和開拓市場的首要條件。
在施工過程中，與其配套施工機(jī)械設(shè)備必須不斷改進(jìn)創(chuàng)新和發(fā)展。地下連續(xù)墻之所以能得到廣泛應(yīng)用，與其專業(yè)施工設(shè)備是分不開的，以下介紹各種施工工法專業(yè)設(shè)備的性能和應(yīng)用。地下連續(xù)墻設(shè)備分類如下：
地下連續(xù)墻施工法設(shè)備，從結(jié)構(gòu)形式上可分為柱列式和懸壁式兩大類。前者主要是通過將水和膨潤土攪拌成泥漿，加入添加劑與原位置的土進(jìn)行混合攪拌形成樁或墻，并在橫向上重疊搭接咬合形成連續(xù)墻。后者則有水泥漿在原位置土中，切削挖掘形成連續(xù)槽，并就地灌注水下砼形成連續(xù)墻兩種。柱列式和壁式連續(xù)墻成槽機(jī)在施工中均可插入芯材，前者可根據(jù)樁徑及間隔插入H型鋼，后者可插入鋼筋籠也可以H型鋼等。對于懸壁式挖掘設(shè)備成槽機(jī)來說，除了H型鋼及鋼筋籠外，將鋼制或砼預(yù)制的板樁埋入，可進(jìn)行埋入型地下連續(xù)墻的施工。
1.柱列式地下連續(xù)墻工法(SMW工法)
該工法設(shè)備利用長螺旋鉆孔機(jī)進(jìn)行就地灌注樁的重疊搭接施工。對于單軸式長螺旋鉆機(jī)，由于其回轉(zhuǎn)軸剛性不足，隨著施工深度的加大，樁與樁之間不能很好的重疊搭接咬合，特別是對于以防水為目的的防滲墻效果就很差。由于這個原因，長螺旋鉆孔機(jī)采用了雙軸或雙重鉆孔的形式，用以提高施工搭接咬合和垂直精度。近年來為了解決上述問題，已經(jīng)開發(fā)出了利用多軸(一般為三軸)螺旋鉆孔機(jī)（SMW工法）進(jìn)行就地灌注樁的重疊搭接施工。該工法屬于機(jī)械強(qiáng)制攪拌式，用多軸長螺旋鉆孔機(jī)在土層中鉆孔，在鉆孔的同時通過鉆桿從鉆頭端部注入水泥漿和高壓空氣，在原位置上建成一段水泥土墻，然后再進(jìn)行第二段墻施工，使相鄰的水泥土墻彼此有重合段，連續(xù)施工形成墻體用于擋土止水。SMW工法的不足之處，在于設(shè)備高度較高，所以重心位置比較高，在施工中必需十分注意機(jī)械的穩(wěn)定性。為了解決此問題，目前已開發(fā)出可在施工中接長鉆桿的低重心機(jī)型。另外，該工法在遇到超深度和硬巖基礎(chǔ)時，會出現(xiàn)重疊搭接咬合消失和無法鉆入孔的情況，因此在施工中，必須采取隨時確認(rèn)樁孔質(zhì)量的位置精度等方法。
日本的三和機(jī)材(株)，在多軸SMW工法施工機(jī)械的開發(fā)及應(yīng)用方面處于領(lǐng)先水平。下圖為日本三和機(jī)材(株)多軸SMW工法施工機(jī)的外觀圖。
如圖 多軸SMW工法施工機(jī)
2.原位置土混合攪拌壁式地下連續(xù)墻施工法(TRD工法)
TRD工法機(jī)原理是利用鋸鏈?zhǔn)角懈钕湄Q直插入地層中，鋸鏈條帶動切割刀具作回轉(zhuǎn)上下運(yùn)動，攪拌原土置換同時注入水泥漿。形成一定厚度的墻體。然后主機(jī)作橫向移動挖槽及注入水泥漿和灌注凝結(jié)劑，以澆筑形成連續(xù)墻體，起到擋土防滲止水作用，如插入工字鋼之類的芯材后，可作為地層挖掘工程中承重墻使用。此外，也用于防液化、加固地基及截斷地下水等。此工法形成的連續(xù)墻與柱列式不同，它所形成的是完全連續(xù)墻體，止水防滲性能特別好。另外，根據(jù)深度的不同，由于鏈鋸式刀具的上下移動能夠?qū)⑼馏w完全攪拌透，從而形成的連續(xù)墻質(zhì)量非常穩(wěn)定，并且機(jī)械切削裝置的整體高度低且整機(jī)穩(wěn)定性好，對于在高度受到限制的施工現(xiàn)場及靠近已建建筑物的施工十分有利。此外亦可進(jìn)行傾斜式連續(xù)墻的施工。
TRD工法機(jī)目前已經(jīng)在日本和國內(nèi)生產(chǎn)開發(fā)成功的產(chǎn)品種類很多，近來在地基基礎(chǔ)施工中，正以很快的速度得到廣泛施工中應(yīng)用（1997年獲得了日本建設(shè)機(jī)械化協(xié)會的技術(shù)審查證明）。國內(nèi)多家共同開發(fā)成功了與TRD工法類似的以打樁機(jī)為底盤的PTR工法施工機(jī)械。
下圖 TRD工法成槽機(jī)的外觀圖。
如圖 TRD工法施工機(jī)
3.就地灌注懸壁式地下連續(xù)墻施工工法
該工法有抓斗式切削挖掘成槽、回轉(zhuǎn)式切削機(jī)及振動沉鋼模板三大類。抓斗式成槽包括懸掛式液壓抓斗和導(dǎo)桿式液壓抓斗兩種，回轉(zhuǎn)式包括垂直多軸型和水平多軸型兩種。
懸掛式液壓抓斗切削挖掘成槽，是用液壓動力使抓斗開閉，并利用抓斗的自重對土層進(jìn)行切削挖掘，然后用懸掛抓斗的履帶起重機(jī)將土砂吊起排出地面。下圖所示：
導(dǎo)桿式液壓抓斗切削挖掘成槽是用液壓動力驅(qū)動安裝在液壓抓斗上部的多節(jié)伸縮桿在履帶起重機(jī)上安裝的導(dǎo)向架中進(jìn)行升降，挖掘成槽反力由導(dǎo)向架承受。下圖所示：
垂直多軸型回轉(zhuǎn)切削機(jī)（日本利根公司發(fā)明）是由5個電動的垂直牙輪鉆頭與側(cè)切削刃組成，切削裝置通過專用支撐架或履帶起重機(jī)用鋼絲繩懸吊，切削的土砂通過沙漿泵以反循環(huán)的方式，將泥漿(穩(wěn)定液)在地面上排出。
水平多軸回轉(zhuǎn)式切削機(jī)是通過兩對雙輪銑刀的水平軸回轉(zhuǎn)進(jìn)行土砂的切削，用機(jī)體內(nèi)裝備的潛水砂漿泵以反循環(huán)方式將泥水(穩(wěn)定液)在地面上排出。下圖所示：
地下連續(xù)墻施工中，對于地基基礎(chǔ)中有較大石塊或卵石的情況，大多采用可將石塊抓起的抓斗式切削成槽機(jī)。對于硬土軟巖的地基基礎(chǔ)，大多采用回轉(zhuǎn)式雙輪銑切削成槽。
目前，地下連續(xù)墻的施工規(guī)模變得越來越大，抓斗式切削成槽機(jī)最大可進(jìn)行直徑為1m的石塊的施工，回轉(zhuǎn)式切削機(jī)可形成壁厚2～2.4m、施工深度達(dá)120m的連續(xù)墻。
德國的Bauer公司在懸壁式地下連續(xù)墻施工機(jī)械和液壓抓斗切削機(jī)的開發(fā)生產(chǎn)上處于世界領(lǐng)先的地位，該公司生產(chǎn)的水平軸雙輪銑回轉(zhuǎn)切削機(jī)，懸掛式液壓抓斗切削成槽機(jī)，廣泛應(yīng)用在世界各地深基礎(chǔ)行業(yè)中。
三.柱列式與懸壁式地下連續(xù)墻的比較
柱列式與懸壁式地下連續(xù)墻相比，柱列式雖然施工費(fèi)用比較低，但施工精度較難保證，特別是作為防滲墻使用時，柱列間易產(chǎn)生不連續(xù)的問題。在柱列式連續(xù)墻施工中，若遇到大的障礙物，切削速度緩慢并且慎重地進(jìn)行施工，則其垂直精度可以得到保證，但施工時間和費(fèi)用將增加，其施工速度與施工精度完全取決于機(jī)械操作者的技術(shù)水平。目前，國外在柱列式地下連續(xù)墻施工中，正廣泛使用的多軸SMW工法施工機(jī)械也存在著上述問題，該機(jī)在解決柱與柱之間重疊咬合搭接方面深度淺時，會取得了很好的效果，但如施工速度過快超深度施工，則三個軸會發(fā)生部分彎曲無法保證垂直度。為了解決此問題，國外研制可隨時對垂直精度進(jìn)行檢測的裝置，一旦發(fā)現(xiàn)垂直精度出現(xiàn)偏差，則立即將鉆桿向上適當(dāng)提升進(jìn)行糾正垂直精度。
懸壁式地下連續(xù)墻在施工精度與連續(xù)性方面比柱列式有較大的提高，另外由于連續(xù)墻自身的強(qiáng)度增大，使其可以成為建筑物的一部分而作為承重墻使用，但其最大的不足之處是施工費(fèi)用高，墻體連接之間滲漏問題難解決，遇到硬地層無法挖掘等。
四.地下連續(xù)墻施工機(jī)械的發(fā)展方向
1.大型化
地下連續(xù)墻施工所使用的機(jī)械因施工工法不同而不同，總的來說，正在向多樣化和大深度化方向發(fā)展，特別是在相當(dāng)堅硬的基礎(chǔ)中施工時，為了達(dá)到所要求的埋設(shè)深度，相繼開發(fā)了多種大型機(jī)械。對堅硬巖層需采用破巖專業(yè)設(shè)備?，F(xiàn)在施工現(xiàn)場既有寬闊的平整場地，也常有非常狹窄空間的地方。因此，高性能一機(jī)多用的施工機(jī)械，及相應(yīng)的施工方法要與施工現(xiàn)場的寬闊程度相適應(yīng)。對于地下連續(xù)墻施工機(jī)械，除了要求高性能外，對大型機(jī)械還要求能夠?qū)ζ溥M(jìn)行分解，并且容易在施工現(xiàn)場組裝。
2.小型化
為了在狹窄及高度受到限制的場地進(jìn)行施工，現(xiàn)已出現(xiàn)了小型化低重心的施工機(jī)械。這類機(jī)械并不是簡單地從機(jī)械構(gòu)造上進(jìn)行改進(jìn)，如進(jìn)行柱列式連續(xù)墻施工的長螺旋鉆機(jī)，回轉(zhuǎn)軸(鉆桿)的長度必須滿足施工深度的要求，由于其驅(qū)動動力機(jī)構(gòu)位于回轉(zhuǎn)軸(鉆桿)的最上端，如果在施工中不采用接鉆桿的方式，就很難達(dá)到降低高度及重心的目的。
另外，即使是成槽機(jī)本身可降低重心，但插入芯材的長度及懸吊芯材的起重機(jī)也必須降低高度和實(shí)現(xiàn)低重心化，一旦芯材采取接長的方式則施工效率將大大降低。另一方面，對于采取反循環(huán)方式進(jìn)行施工的成槽機(jī)，若采用履帶起重機(jī)作為底盤，由于起重機(jī)本身的高度是已定的，若想降低其高度十分困難。
3.底盤的穩(wěn)定性
大部分地下連續(xù)墻施工機(jī)械是將其主要部分——驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在底盤上，目前主要是從已生產(chǎn)的起重機(jī)或打樁機(jī)中選擇能夠與驅(qū)動裝置相匹配的底盤。但是，履帶起重機(jī)的底盤大部分是作為起重機(jī)械而開發(fā)的，在與地下連續(xù)墻施工機(jī)械相匹配進(jìn)行基礎(chǔ)施工時，需考慮與各驅(qū)動裝置布置主要部分之間的平衡問題，特別是在施工現(xiàn)場內(nèi)進(jìn)行小范圍移動時，施工機(jī)械本身不拆卸，因此機(jī)械總體的重心位置很高。對于多軸SMW工法施工機(jī)，由于回轉(zhuǎn)動力裝置位于回轉(zhuǎn)軸(鉆桿)的最上方，重心高的問題更為突出，在進(jìn)行地下連續(xù)墻等基礎(chǔ)施工時，屢屢發(fā)生整套施工機(jī)械傾覆的重大事故。其中故然有安全管理方面的問題，但從根本上說還是施工機(jī)械驅(qū)動裝置與底盤之間不匹配所產(chǎn)生的整體穩(wěn)定平衡問題。
在地下連續(xù)墻施工中，施工現(xiàn)場情況的變化很大，施工機(jī)械常常處于非常惡劣的工況，這就需要底盤能夠?qū)ぷ餮b置給予充分的支撐，為了抵抗切削挖掘反力，底盤需要有足夠的重量和穩(wěn)定性以及耐久性。特別是對于地下連續(xù)墻的施工，既要求支撐切削挖掘部分的重量，又要具有使其以自由速降的機(jī)構(gòu)。來滿足高效率的切削挖掘作用。
綜上所述，對于地下連續(xù)墻施工機(jī)械這類基礎(chǔ)施工機(jī)械的開發(fā)，將驅(qū)動裝置與底盤作為一體進(jìn)行設(shè)計和充分論證是十分必要的。
4.專用施工機(jī)械發(fā)展
開發(fā)新型的專用履帶和步履結(jié)構(gòu)底盤，整機(jī)接地比壓小，驅(qū)動機(jī)構(gòu)速度快，配液壓抓斗和動力站組成一套專用成槽機(jī)。這種施工機(jī)械可以大大降低動力能源成本（柴油）。動力采用電動機(jī)驅(qū)動液壓傳動各工作機(jī)構(gòu)，既節(jié)省能源又提高效率。液壓抓斗起降采用快速雙滾筒卷揚(yáng)機(jī)為動力驅(qū)動等。在發(fā)展與其配套的施工機(jī)械中，也隨著施工要求和難點(diǎn)在不斷完善改進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展。全球深基礎(chǔ)行業(yè)是不斷地總結(jié)新的工法和工藝，來滿足基礎(chǔ)施工需要的專用機(jī)械設(shè)備。
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