同步切割澆筑混凝土連續墻施工SCP1000型原理樣機研制*

王 輝，王開強，巴 鑫，周環宇，鄧 雷，姚 濤

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

地下連續墻是指利用各種挖槽機械，在地下挖出窄而深的溝槽，并在其內部澆筑填充適當的材料而形成的具有防滲、擋土、承重等功能的連續地下墻體。根據取土比例和填充材料不同，地下連續墻可分為勁性水泥土地下連續墻和鋼筋混凝土地下連續墻，前者在槽段內填充攪拌水泥土并插入型鋼[1-2]，后者采用泥漿護壁成槽，插入鋼筋籠并澆筑混凝土[3]。

根據不同的基坑開挖深度、擋土和防滲要求，以上2種常規工藝施工的地下連續墻能滿足大多數基礎工程的要求。但在基坑規模持續擴大、開挖深度不斷增加、周邊環境復雜敏感、風險難度不斷提升的基坑工程發展趨勢下[4]，對地下連續墻施工工藝和裝備提出了更高的要求[5]。

受TRD工法[6-7]啟發，創新性地提出同步切割澆筑混凝土地下連續墻技術，采用連續不分幅工藝，將地下連續墻施工的成槽、澆筑和鋼筋籠置入3道工序在同一時間的不同工作面同步進行，能極大地提升地下連續墻的施工效率、防滲性、擋土性能和垂直精度。

基于該創新工藝，進行同步切割澆筑混凝土地下連續墻施工原理樣機(SCP1000型)研制，本文主要從其功能、組成及關鍵技術進行闡述。

1 SCP1000型原理樣機組成及原理

根據同步切割澆筑混凝土地下連續墻無泥漿護壁、干作業取土、連續橫移掘進、同步澆筑混凝土等一系列工藝要求，施工原理樣機需具備切削排土、切削機構升降、自行走、掘進-澆筑工作面動態隔離、機械橫移頂推、主動垂直度控制、穩定槽壁等多種復雜功能。

此外，干作業掘進和混凝土靜壓推力等創新技術路線會對地下作業裝置的負載特性帶來不確定因素，切削、橫移、升降動力要求顯著提高。

以上均會對原理樣機的設計帶來極大挑戰。通過理論分析，并對比相關工程機械參數，提出SCP1000型原理樣機(見圖1)及其設計參數(見表1)。SCP1000型原理樣機采用框架式機架、軌行式底盤，主要由調垂機架、升降機構、駕駛室、液壓動力站、行走及頂推機構、切削排土及隔離機構組成。

圖1 SCP1000型原理樣機組成

表1 SCP1000型原理樣機主要設計參數

作為核心工作部件的切削排土及隔離機構，其頂部與滑動總成固定安裝，滑動總成可在機架內升降滑動，通過2套行程4 200mm、推力2 000kN、拉力1 200kN的液壓缸提供4 200mm升降位移、4 000kN提升力及2 400kN下壓力，在成墻起始幅將切削排土裝置打入設計成墻深度，并在成墻終止幅克服土壓摩擦阻力將切削排土裝置拔出。

SCP1000型原理樣機工作原理如圖2所示，切削排土機構基于安裝有刀具和排土斗的閉環鏈條附著于切割箱體表面，并沿切削掌子面向上運動，切削土體的同時將渣土提升至地面排出，結合SCP1000型原理樣機主機向前掘進，實現鋸切成槽。

圖2 SCP1000型原理樣機工作原理

隔離裝置安裝于切割箱體背側，并隨SCP1000型原理樣機主機掘進向前運動。在掘進成槽的同時，向隔離裝置后方槽段間隔澆筑混凝土并維持混凝土液面標高，并在已澆筑混凝土中分階段、按順序插入鋼筋籠。

SCP1000型原理樣機橫移掘進的前進動力主要為澆筑作業段全深高流態超緩凝混凝土作用于隔離裝置所形成的靜壓推力(見圖2)。以1m槽寬、50m深度估算，混凝土靜壓推力可達29 400kN。但混凝土靜壓推力受流動性和深度影響，人工干預難度大，不利于主機掘進速度的控制。因此，在SCP1000型原理樣機主機增設了雙向主動頂推機構，可提供±1 000kN的水平推力，用以補償靜壓推力，從而實現對掘進速度的主動控制。

2 SCP1000型原理樣機關鍵技術

2.1 后端縮進式雙排切削鏈條同步傳動技術

為實現切削排土與隔離裝置一體化，提出后端縮進式雙排切削鏈條平面布局(見圖3)。2條鏈刀的轉動中軸線在平面內呈約6°夾角，實現刀鏈在鋸割面的全寬度分布，同時切削鏈在切割箱后端內收，并被隔離裝置完全包覆，避免切削鏈接觸混凝土。雙排鏈上的刀具交錯排布，內收后重疊不碰撞。

切削排土鏈刀切削傳動原理如圖4所示，該機構包括可張緊動力單元、剛性支承軌道單元(位于地面的承托節和地下的切割箱體)及從動輪。雙排鏈夾角在剛性支承軌道單元上可通過設計傾斜軌面實現，但動力單元和從動輪均為運動部件，只能通過異軸傳動實現偏軸角運動。動力單元為切削鏈提供驅動力，為保證鏈條轉動過程中不脫離切割箱體，須對鏈條施加張緊力，利用張緊油缸將動力單元向上提升并維持一定拉力，從而使鏈條保持張緊狀態。

圖4 切削排土鏈刀切削傳動原理

雙排切削鏈采用2組獨立的動力單元，每組動力單元采用1臺高扭矩液壓馬達作為動力輸入，每臺馬達額定輸出功率可達250kW，并利用齒輪減速箱將驅動鏈輪轉速匹配到切削鏈條工作線速度(0.2～1m/s)。為保持2排獨立驅動的切削鏈條同步運行，在2組動力單元減速箱間配置球籠式萬向聯軸器，實現機械強制同步，如圖5所示。同步聯軸器最大可傳遞1/2切削排土負載(允許1臺馬達故障)，允許18°軸偏角及100mm直線伸縮，可實現雙排切削鏈獨立張緊。

圖5 雙鏈同步動力單元

從動輪位于傳動機構最底部，無需外部動力輸入，受張緊狀態鏈條摩擦力的作用產生自轉，主要功能是減小鏈條變向時的摩擦阻力。呈交錯角的雙從動輪機構如圖6所示。為阻隔地下深層壓力環境下固、液污染物進入從動輪軸承潤滑腔體，造成軸承失效，每邊從動輪均設計了4重密封結構形式，并包含兩級壓力腔體，避免污染物向內部滲透。

圖6 呈交錯角的雙從動輪機構

2.2 可調節模塊化剛性護壁及側壁減阻技術

無泥漿護壁是同步切割澆筑混凝土地下連續墻技術的關鍵創新之一，為保障成槽過程中槽壁的穩定性，需利用切割箱側壁支撐槽壁。同時為減小切割箱與槽壁的擠壓和摩擦阻力，切割箱寬度相對切削面寬度收窄，在切割箱側壁與槽壁間形成一定側壁間隙(見圖3)。

側壁間隙的合理取值關系到槽壁的穩定、平整及橫移掘進土壓摩擦阻力，需通過后期反復試驗分析取得結果。設計可調節模塊化切割箱，如圖7所示，切割箱由核心模塊，前、后側軌道模塊及側壁模塊構成。核心模塊結構尺寸固定，具備切割箱裝配所需的全部機械、流體、測量接口和通道；前、后側軌道模塊可更換調節軌道間距、角度，從而滿足不同切削鏈布局需要；側壁模塊可更換調節厚度，從而實現對側壁間隙的調整。

圖7 可調節模塊化切割箱

基于可調節模塊化切割箱，可在試驗階段經濟高效地實現對成槽寬度及側壁間隙的調整。

無泥漿干作業條件下，切割箱在地下橫移掘進過程中不可避免會遇到較大的側摩擦阻力，當混凝土靜壓推力和主機推力不足以克服掘進阻力時，需采取措施對側壁阻力進行主動干預。參考頂管施工技術，在切割箱側壁模塊設置潤滑流體噴嘴，并通過縱向貫穿切割箱的流體管路向不同標高的噴嘴供應潤滑液，達到減阻目的。

2.3 一體化掘進橫移頂推技術

SCP1000型原理樣機掘進橫移的大部分推力來源于隔離裝置后側的混凝土靜壓推力，而履帶和步履底盤并不具備長時間被動行走的能力，輪胎的承載能力和剛度遠不能達到裝備要求，采用起重機級別的軌行式底盤，并將切削橫移動作與底盤行走動作一體化，以提高施工功效。綜合考慮主機自重及各種負載工況下輪組的支反力，選用16套直徑600mm重型起重機車輪(單輪許用輪壓350kN)，以二級平衡梁結構安裝于底盤下部的4個鉸接點，保障每個輪組獨立受力；并在其中的8套車輪上配置減速電機，為主機提供長距離快速行走所需動力，額定行走速度為16m/min。一體化掘進橫移頂推機構如圖8所示。每4個車輪編組上設置2套橫移頂推油缸及自翻轉掛爪，共8套，前、后車輪編組的橫移頂推油缸方向相反，可提供雙向推力。配合具有均布反力筋板的行走-頂推一體化軌道，主機可完成步履式頂推前進或后退。

圖8 一體化掘進橫移頂推機構

2.4 智能化分布式電液控制技術

SCP1000型原理樣機主機裝機功率 >800kW，設計質量220t，主機高17.4m，長13.3m，寬6.4m，由于體積、質量龐大，須拆解才能實現公路運輸。

為了拆解和運輸便利，對主機機械結構和電液控制系統進行單元化設計。其中，機械結構部分可拆解為機架單元、滑動總成單元、底盤單元及輪組軌道單元4個運輸組件。然而，SCP1000型原理樣機由于機械運動功能實現和數據采集監測需要，集成了大量電氣液壓驅動和傳感元器件，包含電機泵組9套、壓力傳感器40余套、位移傳感器12套、轉速編碼器2套、液壓馬達2組、雙作用液壓缸及電液方向控制閥18組。這些電液元器件分散布置于主機各處，通過線纜、管路聯接，增加了設備反復拆裝運輸過程中的復雜性和元器件防護難度。

為此，提出基于以太網的智能化分布式電液控制技術，通過單元化設計將同類控制功能的電液元器件集成并封裝，對外提供簡單、便捷且標準化的管路、電源和通信接口，從而降低站外分散的電液元器件數量和管線復雜程度，實現便捷拆裝。根據驅動對象將液壓動力站分為液壓動力主站和液壓動力輔站，其中主站提供切削回轉動力，輔站提供直線運動機械動力；主站、輔站和駕駛室采用基于以太網通信的分布式I/O系統(見圖9)，將駕駛室、主站、輔站數據就近采集并發出執行命令，再通過以太網絡集中到駕駛室CPU進行數據運算和處理。以此將龐大且復雜的電液控制系統的設計、制造和安裝封閉在各整體單元內。同時，由于采用了以太網通信，主機全部電液控制參數均可通過無線互聯網遠程讀取和調控，實現主機遠程維保和控制。

圖9 基于以太網的分布式I/O系統

SCP1000型原理樣機駕駛室人機操作界面如圖10所示，包括圖形參數顯示和控制操作功能，根據不同的顯示、操作內容進行功能分區。對油缸升降、橫移頂推等高頻率操作功能和需快速精準操作的緊急停止功能進行適應人員操作的分區位置優化。

圖10 駕駛室人機操作界面

在切割箱組裝及拆卸過程中，由于駕駛室視野受限，無法直接觀察作業面。為此，增加遙控操作功能(見圖11)，通過操作臺進行操作權限切換后，主機操作人員可接近作業面利用遙控器直觀進行主機行走、切割箱升降等操作，提高了作業安全性和便捷性。

圖11 遙控器操作界面

3 試驗驗證

裝備研制總共歷時16個月，經歷了從方案設計、調研選型、專家論證到圖紙深化、招標采購、生產制造及組裝調試等過程。共提出對比方案20余種，調研廠商30余家，開展內外部咨詢論證10余次，收集意見100余條，完成機電液圖紙深化1 000余張，總制造質量超260t。樣機于2019年11月完成主機組裝調試和空載試驗，各項指標均滿足設計要求。SCP1000型原理樣機空載試驗結果如表2所示。

表2 SCP1000型原理樣機空載試驗結果

為驗證各項創新工藝原理，對SCP1000型原理樣機開展原位成槽驗證，已完成17m深度成槽試驗，主機功能滿足工藝試驗要求，可靠性良好，操作便利。采用干作業成槽工藝施工的槽壁垂直度和平整度均較好(見圖12)，與創新工藝預期相符。

圖12 干作業成槽效果

4 結語

SCP1000型原理樣機施工所成墻體具有較傳統地下連續墻更優的擋土、防滲、承載性能和垂直精度，應用前景廣闊。

SCP1000型原理樣機需具備切削排土、切削機構升降、自行走、掘進-澆筑工作面動態隔離、機械橫移頂推、主動垂直度控制、穩定槽壁等多種復雜功能。其主要由調垂機架、升降機構、駕駛室、液壓動力站、行走及頂推機構、切削排土及隔離機構6大部分組成。

通過對后端縮進式雙排切削鏈條同步傳動技術、可調節模塊化剛性護壁及側壁減阻技術、一體化掘進橫移頂推技術以及智能化分布式電液控制技術等關鍵技術的攻克，基本完成了SCP1000型原理樣機上的功能實現。

通過空載出廠試驗以及原位成槽試驗驗證了SCP1000型原理樣機功能和負載能力，目前已實現17m深度成槽試驗，現階段主機功率滿足創新工藝要求，未來將通過切割箱加節進一步增加成槽試驗深度，以探索在既定設備能力及不同地層和工藝實施條件下，同步切割澆筑混凝土連續墻工藝所能達到的極限深度，從而滿足不同場景應用需求。