地震多发带半胶结粉质黏土地质条件下地下连续墙成槽设备选型研究

扶奋勇

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

地下连续墙的墙体具有刚度大、强度高，承重性能、挡土性能、截水性能、抗渗性能及耐久性能好等优点，可用于密集建筑群中建筑深基础。地下连续墙对周围地基无扰动，对相邻建筑物、地下设施影响较小，可在狭窄场地条件下施工。其施工过程机械化程度高、劳动强度低、挖掘工效高、施工振动小、噪声低，有利于保护城市环境。

雅万高铁1号隧道进出口明挖及竖井段采用地下连续墙形式的围护结构，明挖基坑开挖深度大，且距离高速公路和在建轻轨较近，设计基坑安全等级为一级，基坑变形控制等级为一级的要求。

1 地下连续墙的成槽设备

根据地下连续墙的挖掘成槽方式，可以分成抓斗型成槽和粉碎型成槽两大类。抓斗型成槽机械主要包括液压导板抓斗、导杆式抓斗、混合式抓斗。粉碎型成槽机械主要包括垂直多轴回转型和水平多轴回转型全液压卧铣式成槽设备。在砂卵石层、黏土层中，抓斗型成槽工效相当于15～20台冲击钻机，在护壁泥浆消耗量方面，抓斗成槽施工比冲击钻施工泥浆消耗要少很多，因此冲击钻机不再列入地下连续墙的主要挖掘成槽方式。

1.1 抓斗型成槽设备

抓斗成槽机是用履带式起重机悬挂抓斗，抓斗通常是蚌式的，根据抓斗的结构特点又分为液压导板抓斗、导杆式抓斗、混合式抓斗。

（1）液压导板抓斗是用高压胶管把液压传送到几十米深处的抓斗斗体以完成抓斗的开启和关闭，用导板为抓斗导向以防偏斜，它是用钢丝绳悬吊在履带起重机或其他机架上的，如德国宝峨（BAUER）GB系列，日本真砂（MASGO）MHL系列，意大利土力公司（SOILMEC）BH系列，法国地基建筑公司BAYA系列，意大利卡沙哥兰地集团（CASAGRANDE）KRC系列。其特点是液压导板抓斗的闭斗力大，挖槽能力强，多设有纠偏装置，因此可以保证高效率、高质量地挖槽。

（2）导杆式抓斗分为全导杆式和伸缩导杆式两种。全导杆式抓斗最早是由英国国际基础公司生产的BSP型，不过目前已不再生产。伸缩式导杆抓斗有法国的KELLY、意大利的KRC和日本的CON系列。其特点是导杆式抓斗一般采用伸缩式方杆传递动力，开挖时噪声和振动很小，对周围地层和环境影响及扰动很小，它是松散砂层、软黏土或开挖时需严格控制剪切作用的灵敏性土中进行开挖的理想设备。这类抓斗多装有测斜和纠偏装置，成槽精度较高。

（3）混合式液压抓斗是把钢丝绳和导杆式液压抓斗结合起来而推出的一种新型抓斗，是一种钢丝绳悬吊的导杆抓斗，如意大利土力（SOILMEC）公司的BH-7/12和MAIT公司HR160抓斗，上海金泰公司生产的SG系列。其特点是吸收了钢丝绳抓斗和导杆式抓斗的优点，结构简单、操作方便，抓斗可快速地入槽和出槽，具有较高的垂直精度，可以穿过坚硬的砂卵石地层，可以旋转斗体改变斗体两边斗齿个数、使抓斗平衡抓土防止偏斜，抓斗上专门配置了冲击齿，当遇到非常坚硬的黏土层或粉细砂（铁板砂）层时，可装上冲击齿进行作业，可在狭小场地施工，抓斗内部装有强制刮板，能加快卸土速度。

1.2 粉碎型成槽设备

全液压卧铣式成槽机可分为垂直多轴回转和水平多轴回转型。

（1）垂直多轴回转是利用两个或多个潜水电机，通过传动装置带动几个钻头旋转，切削土层，用泵吸反循环的方式排渣，主要机型有日本的BW系列、我国的SF-6080和ZLQ等。其特点是施工时无振动、无噪声，可连续进行挖槽和排渣，施工效率高，但是这种钻机只能掘削不太坚硬的细颗粒地层。

（2）水平多轴回转又称为双轮铣槽机，根据动力源的不同，可以分成电动和液压两种机型。液压式有宝峨（BAUER）公司的BC型、卡沙特兰地（Casagrande）公司的K3型、日本的TBW型等，电动式有日本利根公司的EMX型等。其特点是对地层适应性强，淤泥、砂、砾石、卵石、砂岩、石灰岩均可掘削，能直接切割混凝土，在一、二序槽的连接中不需专门的连接件，也不需采取特殊封堵措施就能形成良好的墙体接头，成槽精度高达1‰～2‰，成槽深度大，一般可达60m，特制型号可达150m，挖掘效率高。

2 成槽设备选型

由于地基的工程地质和水文地质条件、建筑物的功能、施工机械技术性能的不同，地下连续墙的成槽机械设备应用也是各不相同的。在选择雅万高铁1号隧道地下连续墙的成槽设备时需要考虑以下几个因素：（1）印尼火山岛屿的地质特性；（2）设计要求的成槽开挖深度和墙体厚度；（3）成槽机械设备适应特性及经济性。

2.1 工程地质特性

（1）印尼雅万高铁1号隧道范围内地层地质主要为第四系全新统人工堆积层（Qml），第四系更新统冲洪积层（Qav）。

（2）印尼雅万高铁1号隧道范围内综合围岩分级均为Ⅵ级，Ⅵ级综合围岩是以当地火山灰物质形成的，以高岭石、英石、伊利石等黏土矿物为主，其中黏土矿物含量在地层中占比达76%，具有天然密度低和超高含水率、超大孔隙比、高液塑限、高压缩性、低渗透性、高灵敏度、不易失水的工程地质特征。其综合物理力学指标和钻探岩芯表明该半胶结状粉质黏土矿物具有一定的结构强度，为结构性黏土。

2.2 设计成槽要求

（1）地连墙设计成槽深度和厚度包括25m深和1m厚度、27m深和1m厚度、29m深和1m厚度、32m深和1m厚度、47m深和1m厚度，共5种墙体类型。

（2）开挖成槽尺寸控制标准要求：垂直度不大于3‰，槽深允许偏差范围为-200～+100mm，槽长允许偏差±50mm、槽厚允许偏差±10mm。

2.3 成槽机选型分析

抓斗式成槽机对地层的适应性很强，从软黏土到含有大漂石的冲击层均可进行挖槽。在风化岩石中施工，一般选用铣槽机。抓斗式成槽机在60m以上较为经济，特殊设计可达120m；粉碎型成槽机中垂直多头钻可达120m，卧式双轮铣最大深度可达170m。在壁厚方面，抓斗式成槽机一般为0.4～1.5m；粉碎型成槽机垂直多头钻为0.55～1.2m，卧式双轮铣为0.62～3.2m。如有要求薄壁或超厚壁，各种类型均可特殊设计来满足施工要求，但混合式液压抓斗适用性更广，成槽宽度为600～1500mm，满足绝大部分工程施工要求。同时，混合式液压抓斗采用加强型结构，科学的配重使重心更低、工作更稳定，入硬层能力及垂直导向能力更强，成槽精度更高。混合式液压抓斗可靠性强，关键部位采用高强度结构钢焊接，抗冲击和抗磨损能力强。轴、套等易损件采用特殊材料经过热处理，不易损坏，使用寿命更长。在挖掘的深度和宽度对设备的要求没有明确的限制下，根据设计深度和宽度合理地选择混合式液压抓斗式成槽机可以提高作业效率和经济性。因此，1号隧道进出口明挖及竖井段地下连续墙成槽施工采用上海金泰公司生产的SG系列中SG60混合式液压抓斗式成槽机。

3 SG60混合式液压抓斗式成槽机施工优势

上海金泰公司生产的SG系列连续墙液压抓斗成槽机主要性能参数和实际施工能力均处于国内领先水平，具有先进的双卷扬同步技术，保证了抓斗在施工过程中的姿态稳定，提高了施工精度；采用国际先进的抓斗纠偏控制系统，测偏精度达百分之一度。抓斗施工姿态、施工曲线实时显示，极大地提高了纠偏操作的及时性和可视性，使抓斗的成槽垂直度完全达到甚至超越施工要求。其主要技术性能如下。

（1）高灵敏度倾角传感器。装备有倾角传感器的灵敏度可达0.01°，可以精确捕捉抓斗在槽内出现的轻微倾斜。

（2）双卷扬同步技术。抓斗姿态实时显示系统采用液压双卷扬同步技术，保证了抓斗在提升和下放过程中的姿态稳定，提高了成槽垂直度。

（3）抓斗姿态实时显示系统。抓斗的施工姿态、施工曲线可以在显示屏上实时进行显示，极大地提高了纠偏操作的及时性和可视性，使抓斗的成槽垂直度完全达到甚至超越施工要求。

（4）高稳定性的抓斗结构。独特的长导向、低重心抓斗结构设计保证了抓斗施工的状态稳定。

（5）整体式桅杆。桅杆采用钢板焊接框型整体式，强度高、刚性大，在保证整机重心后置的同时，可以有效吸收抓斗施工时的震动，提高了施工的稳定性；采用油缸变幅，变幅范围大，通过液压操作变幅精度高、调整方便，并且施工安全性高；最大施工半径可达5.6m，可有效避免设备对槽壁压力过大造成塌孔事故。

（6）专用耐磨钢丝绳。采用成槽机专用抗旋转、耐磨卷扬钢丝绳，使用寿命提高30%以上。

4 成槽机实际应用及分析

雅万高铁1号隧道进出口明挖及竖井段地下连续墙槽段开挖采用“一槽三抓”挖槽法，施工顺序为先两边后中间。成槽前，利用车载水平仪调整成槽机的平整度，履带吊应平行于导墙并尽量远离导墙边，减少对槽壁的影响。成槽施工过程中，抓斗掘进应遵循一定原则，即慢提慢放，掘进速度控制在1.5m/h左右。成槽过程中利用成槽机上的垂直度仪表及自动纠偏装置来保证成槽垂直度。当成槽机抓斗提出槽内时，应及时进行补浆，减少泥浆液面的落差。

根据施工现场单幅地连墙成槽深度为32m时的成槽记录表，对SG系列SG60成槽机作业效能进行了分析：第一抓从2018年5月9日上午9点18分开始到23点5分完成，总共耗时约14h；第二抓从5月11日13点25分开始到5月12日11点46完成（其中2点46分到7点休息），总共耗时18h；第三抓从5月12日12点15分开始到19点35分完成，总共耗时约7.5h。整幅地连墙成槽所耗费时间为39.5h，平均成槽速度为0.78m/h。当成槽深度达到6～13.5m、18.6～29m时遇到较为坚硬的火山灰胶结层，导致成槽速度放缓，其他作业段成槽机作业均满足高强度施工进度要求。

5 结束语

印尼雅万高铁1号隧道进出口明挖及竖井段地下连续墙施工选用具有垂直度纠偏功能的上海金泰公司生产的SG系列SG60成槽机，在印尼火山灰物质形成的以黏土矿物居多且土颗粒之间结合力较强的地质条件下，其成槽施工精度优，不仅缩短了工期，也提高了施工效率，从而保证了地下连续墙的施工质量。