同步切割澆筑混凝土連續墻裝備SCP1000切土排土試驗研究*

張 琨，王 輝，王開強，周環宇，巴 鑫，鄧 雷，姚 濤，吳全龍

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

地下連續墻施工工藝利用各種挖槽機械，借助于泥漿的護壁作用，在地下挖出窄而深的溝槽，并在其內澆筑適當的材料形成一道具有防滲、擋土或承重功能的連續地下墻體。傳統地下連續墻施工一般需泥漿，污染環境，有些地質條件還需槽壁加固，地下連續墻的防滲也一直是個難題。同步切割澆筑混凝土連續墻裝備SCP1000可克服以上缺點，無需泥漿介入，無需加固槽壁，同時也很好地解決了防滲問題。本文以裝備SCP1000為對象，在某地質條件下，開展相關試驗研究。

1 場地工程地質條件及水文地質條件

場地土層自上而下主要有3層：雜填土；第四系全新統沖積黏性土層；第四系上更新統沖洪積黏性土層、碎石土層。

1)雜填土 年代成因Qml，層頂埋深0m，層厚0.5～0.9m，狀態松散，濕度濕，壓縮性高。

未見明顯地下水。

2 裝備SCP1000介紹

2.1 裝備SCP1000傳感器布置

裝備SCP1000工作原理是通過鏈鋸式切割箱，不斷在地下切削土體，并通過在鏈條上的排土斗將部分切削松散的土帶出地面，其余切削松散的土由切割箱體在橫向掘進時，擠出地面。切割箱上共設置2條鏈條，鏈條上安裝有鏈刀和排土斗。2條鏈條分別由2個液壓馬達驅動，共用1個油路，同時給油，盡量使其同步，分別在2個液壓馬達共用的A，B口油路上布置壓力傳感器，分別在2個液壓馬達上布置增量型旋轉編碼器。鏈條張緊通過2個張緊液壓缸實現，分別在2個張緊液壓缸上布置磁致伸縮位移傳感器，并在其有桿腔和無桿腔的油路上布置壓力傳感器。切割箱升降通過2個升降液壓缸實現，升降液壓缸一端固定在桅桿架上，另一端固定在滑動總成上，滑動總成下與承托節連接，承托節下與切割箱連接，分別在2個升降液壓缸上布置拉線式位移傳感器，并在其有桿腔和無桿腔的油路上布置壓力傳感器，在桅桿架和承托節上分別布置1個傾角傳感器。切割箱的橫向掘進通過4個橫移頂推液壓缸實現，分別在4個橫移頂推液壓缸上布置磁致伸縮位移傳感器，并在其有桿腔和無桿腔的油路上布置壓力傳感器。

2.2 試驗數據的采集與推導

2.2.1切割線速度

因分別在2個液壓馬達上布置增量型旋轉編碼器，鏈輪直接安裝在馬達的輸出軸上，因此鏈輪轉速n鏈輪為已知量，則切割線速度v切割為：

(1)

式中：z鏈輪為鏈輪的齒數(個)；p為鏈條節距(mm)。

2.2.2鏈條1，2的張緊力

(2)

(3)

2.2.3張緊液壓缸1，2的行程

因在張緊液壓缸1，2上布置磁致伸縮位移傳感器，因此張緊液壓缸1，2的行程L張緊1，L張緊2可直接讀出。

2.2.4切割箱入土深度

因在2個升降液壓缸上分別布置拉線式位移傳感器，因此升降液壓缸的行程L升降可直接通過2個傳感器讀數的算術平均值求得，則切割箱入土深度h為：

h=(ln+l0-L升降-h0)/1 000

(4)

式中：l為標準節切割箱的長度(mm)；n為已加節標準節切割箱的數量(個)；l0為底部切割箱和從動輪組裝后的長度(mm)；h0為當升降液壓缸行程為0時，承托節與標準節切割箱連接面距地面的初始高度(mm)。

2.2.5總切削力

因分別在2個液壓馬達共用的A，B口油路上布置壓力傳感器，因此液壓馬達的進出口壓力PA，PB為已知量，則理論總切削力F切削為：

F切削=2T/r=2×1 000ΔPV/r=

2×1 000(PA-PB)V/r

(5)

式中：T為液壓馬達的理論輸出扭矩(N·m)；r為鏈輪分度圓半徑(mm)；V為液壓馬達的排量(m3/rad)。

2.2.6升降總推力

(6)

2.2.7下鉆阻力

因裝備各部件自重及升降總推力已知，則下鉆阻力F阻為：

F阻=G0+Gn-F升降

(7)

式中：G0為滑動總成部件自重(t)；G為單個標準節切割箱自重(t)。

2.2.8橫移頂推力

(8)

2.3 試驗數據顯示

在駕駛室里設置有顯示屏，可顯示傳感器的實時數據和通過數學運算而得出的其他數據。顯示屏主頁面如圖1所示。

圖1 顯示屏主頁面

3 裝備SCP1000切土排土試驗

3.1 下鉆工況

第1次下鉆作業正遭遇連續半個月降雨天氣，槽內雨水液位維持在-4m左右，切削渣土遇水攪拌后，排土呈現流塑狀，且黏性較大。進行下鉆切削時，鏈條切削力、下鉆阻力與下鉆深度的關系如圖2，3所示。

圖2 鏈條切削力與下鉆深度的關系(濕作業)

圖3 下鉆阻力與下鉆深度的關系(濕作業)

1)隨著下鉆深度增加，除了底部切削作用外，切割箱體和鏈刀浸埋于流塑黏土中，產生黏著阻力，且與深度成正比例相關特性。

2)下鉆阻力分為側摩擦阻力和底部切削進尺阻力，其中側摩擦阻力與深度呈正比例相關，切削進尺阻力與地層硬度相關。

3)切割箱體加節作業時，為便于拆節，通常會將切割箱向下靜壓約150mm，加節完成后，將箱體整體上提500mm，解除底部鏈刀的擠壓，因此在加節后的500mm下鉆范圍內，鏈刀并未切削槽底，切削力和下鉆阻力均會低于下鉆前水平，待發生切土作用后，切削力和下鉆阻力恢復至線性增長趨勢。

第2次下鉆作業，天氣晴朗，重新開始下鉆，鏈條切削力、下鉆阻力與下鉆深度的關系如圖4，5所示。

圖4 鏈條切削力與下鉆深度的關系(干作業)

圖5 下鉆阻力與下鉆深度的關系(干作業)

對比2次下鉆，可得下鉆切削力均隨深度的增加呈增大趨勢，濕作業由于黏阻力顯著，增大更明顯；下鉆阻力干、濕作業趨勢相反，濕作業變化更顯著。

3.2 橫向掘進工況

切割箱以17m深度向前頂推，分別在鏈條正轉(掌子面鏈條向上運動)、鏈條反轉(掌子面鏈條向下運動)2種情況下開展試驗，鏈條速度為0.2m/s。切割箱傾角、桅桿架傾角、各頂推力、總推力、總切削力與主機推進距離的關系如圖6～8所示。

圖6 切割箱傾角、桅桿傾角與主機推進距離的關系

圖7 各頂推力和總推力與主機推進距離的關系

圖8 總切削力與主機推進距離的關系

1)鏈條正轉下，主機每向前頂推50mm，切割箱傾斜角度增大0.1°～0.2°，持續累積。

2)主機在前50mm頂推行程并未發生傾斜，原因為頂推力對機架有使其后仰的傾覆力矩；頂推50mm后，由于切割箱強制傾斜，主機出現前傾，且隨著頂推行程增加，傾斜角度逐步擴大。

3)通過切換鏈條轉動方向，可在末端獲得正、反2個方向的驅動力，對于控制切割箱姿態具有積極作用。

4)由于切割箱相對于4個頂推力作用點非對稱布置，造成4點頂推力不均衡，靠近切割箱的1，2號頂推作用點傳力路徑更短，受力更直接；3，4號頂推力傳力路徑長，剛度小。

5)橫向掘進的總切削力最后趨于穩定。

3.3 鏈條張緊工況

通過張緊液壓缸對鏈條進行張緊和放松，得到鏈條張緊力測試曲線和張緊力滯回曲線，如圖9,10所示。

圖9 鏈條張緊力測試曲線

由圖9可知，鏈條張緊過程分為3個階段。①松弛 隨著張緊行程增大，張緊力不增大，鏈條處于完全松弛狀態并被整體向上提升；②間隙消除 隨著張緊行程增大，張緊力隨之線性增加，張緊力的增加幅度相對于張緊行程的增加幅度較為平緩，此階段鏈條被逐漸拉緊，張緊行程主要用于消除鏈條傳動機構的機械間隙；③彈性變形 張緊行程的少量變化可引起張緊力的較大波動，鏈條傳動機構間隙被完全消除，張緊行程變化直接引起鏈條傳動機構的彈性變形。

由圖10可知，相同張緊行程對應的張緊力差別較大(可達100kN)。說明通過控制張緊行程不能達到精確控制張緊力的目的，后續試驗中將繼續進行張緊力測試，探索張緊條件的判斷依據，如何能在滿足張緊不跳齒的前提下，盡可能減小張緊力對鏈條運行造成的附加阻力。

圖10 鏈條張緊力滯回曲線

4 結語

本文以裝備SCP1000為對象，在某地質條件下，開展下鉆、橫向掘進、鏈條張緊等工況的切土排土試驗，通過對試驗數據進行定性分析，得到以下結論。

1)隨著下鉆深度的增加，除底部切削作用外，切割箱體和鏈刀浸埋于流塑黏土中，產生黏著阻力，并與深度成正比例相關。濕作業由于黏阻力顯著，增大更明顯。

2)鏈條正、反轉2種工況下，總切削力與主機推進距離關系、主機傾斜角度不同。通過切換鏈條轉動方向，可在末端獲得正、反2個方向的驅動力，對于控制切割箱姿態具有積極作用。