地下连续墙技术设备概述

　摘 要：地下连续墙已经发展有60多年历史，施工实践中，地下连续墙之所以能得到广泛应用，与其专业施工设备的不断发展是分不开的。本文结合实际着重介绍了柱列式与悬壁式地下连续墙设备的几种典型工法及其在施工过程中的技术要点、柱列式与悬壁式地下连续墙的比较以及地下连续墙施工机械的发展方向，对当今地下连续墙技术设备的应用与发展具有良好的参考价值。
　关键词：深基础工程；地下连续墙；SMW工法；TRD工法；技术设备
　　一．引言
　　地下连续墙（Pancel trench slurry trench wall contionous diaphragm wall）起源于欧洲的开挖技术应用，在根据石油和打井钻井中，使用泥浆和水下浇筑砼的方法，而逐步发展起来的。上世纪五十年代在意大利米兰等地区，首次采用护壁泥浆工艺筑成地下连续墙施工方法。六十年代该施工工艺在前苏联和西方发达国家成为地下工程和深基础施工中有效的技术工法。而在我国的推广应用也有近三十年。改革开放以后，上海首次引进西方和日本的专用地下连续墙设备，并广泛应用在深基础地下施工中。
　　二．当前几种地下连续墙设备在施工过程中的技术要点
　　地下连续墙虽然已经发展有60多年历史，但在不同深基础工程中，根据不同需求领域制定专业成槽设备及不断开发新的施工机械上.广大专业技术人员对施工机械，在不同工况条件下，还是在不断研究创新开发之中。在全球基础施工领域，采用更先进的设备和技术，是为基础施工企业创造和开拓市场的首要条件。
　　在施工过程中，与其配套施工机械设备必须不断改进创新和发展。地下连续墙之所以能得到广泛应用，与其专业施工设备是分不开的，以下介绍各种施工工法专业设备的性能和应用。地下连续墙设备分类如下：
　　地下连续墙施工法设备，从结构形式上可分为柱列式和悬壁式两大类。前者主要是通过将水和膨润土搅拌成泥浆，加入添加剂与原位置的土进行混合搅拌形成桩或墙，并在横向上重叠搭接咬合形成连续墙。后者则有水泥浆在原位置土中，切削挖掘形成连续槽，并就地灌注水下砼形成连续墙两种。柱列式和壁式连续墙成槽机在施工中均可插入芯材，前者可根据桩径及间隔插入H型钢，后者可插入钢筋笼也可以H型钢等。对于悬壁式挖掘设备成槽机来说，除了H型钢及钢筋笼外，将钢制或砼预制的板桩埋入，可进行埋入型地下连续墙的施工。
　　1.柱列式地下连续墙工法(SMW工法)
　　该工法设备利用长螺旋钻孔机进行就地灌注桩的重叠搭接施工。对于单轴式长螺旋钻机，由于其回转轴刚性不足，随着施工深度的加大，桩与桩之间不能很好的重叠搭接咬合，特别是对于以防水为目的的防渗墙效果就很差。由于这个原因，长螺旋钻孔机采用了双轴或双重钻孔的形式，用以提高施工搭接咬合和垂直精度。近年来为了解决上述问题，已经开发出了利用多轴(一般为三轴)螺旋钻孔机（SMW工法）进行就地灌注桩的重叠搭接施工。该工法属于机械强制搅拌式，用多轴长螺旋钻孔机在土层中钻孔，在钻孔的同时通过钻杆从钻头端部注入水泥浆和高压空气，在原位置上建成一段水泥土墙，然后再进行第二段墙施工，使相邻的水泥土墙彼此有重合段，连续施工形成墙体用于挡土止水。SMW工法的不足之处，在于设备高度较高，所以重心位置比较高，在施工中必需十分注意机械的稳定性。为了解决此问题，目前已开发出可在施工中接长钻杆的低重心机型。另外，该工法在遇到超深度和硬岩基础时，会出现重叠搭接咬合消失和无法钻入孔的情况，因此在施工中，必须采取随时确认桩孔质量的位置精度等方法。
　　日本的三和机材(株)，在多轴SMW工法施工机械的开发及应用方面处于领先水平。下图为日本三和机材(株)多轴SMW工法施工机的外观图。
　　2.原位置土混合搅拌壁式地下连续墙施工法(TRD工法)
　　TRD工法机原理是利用锯链式切割箱竖直插入地层中，锯链条带动切割刀具作回转上下运动，搅拌原土置换同时注入水泥浆。形成一定厚度的墙体。然后主机作横向移动挖槽及注入水泥浆和灌注凝结剂，以浇筑形成连续墙体，起到挡土防渗止水作用，如插入工字钢之类的芯材后，可作为地层挖掘工程中承重墙使用。此外，也用于防液化、加固地基及截断地下水等。此工法形成的连续墙与柱列式不同，它所形成的是完全连续墙体，止水防渗性能特别好。另外，根据深度的不同，由于链锯式刀具的上下移动能够将土体完全搅拌透，从而形成的连续墙质量非常稳定，并且机械切削装置的整体高度低且整机稳定性好，对于在高度受到限制的施工现场及靠近已建建筑物的施工十分有利。此外亦可进行倾斜式连续墙的施工。
　　TRD工法机目前已经在日本和国内生产开发成功的产品种类很多，近来在地基基础施工中，正以很快的速度得到广泛施工中应用（1997年获得了日本建设机械化协会的技术审查证明）。国内多家共同开发成功了与TRD工法类似的以打桩机为底盘的PTR工法施工机械。
　　下图 TRD工法成槽机的外观图。

---

　　3.就地灌注悬壁式地下连续墙施工工法
　　该工法有抓斗式切削挖掘成槽、回转式切削机及振动沉钢模板三大类。抓斗式成槽包括悬挂式液压抓斗和导杆式液压抓斗两种，回转式包括垂直多轴型和水平多轴型两种。
　　悬挂式液压抓斗切削挖掘成槽，是用液压动力使抓斗开闭，并利用抓斗的自重对土层进行切削挖掘，然后用悬挂抓斗的履带起重机将土砂吊起排出地面。下图所示：
　　导杆式液压抓斗切削挖掘成槽是用液压动力驱动安装在液压抓斗上部的多节伸缩杆在履带起重机上安装的导向架中进行升降，挖掘成槽反力由导向架承受。下图所示：
　　垂直多轴型回转切削机（日本利根公司发明）是由5个电动的垂直牙轮钻头与侧切削刃组成，切削装置通过专用支撑架或履带起重机用钢丝绳悬吊，切削的土砂通过沙浆泵以反循环的方式，将泥浆(稳定液)在地面上排出。
　　水平多轴回转式切削机是通过两对双轮铣刀的水平轴回转进行土砂的切削，用机体内装备的潜水砂浆泵以反循环方式将泥水(稳定液)在地面上排出。下图所示：

　　地下连续墙施工中，对于地基基础中有较大石块或卵石的情况，大多采用可将石块抓起的抓斗式切削成槽机。对于硬土软岩的地基基础，大多采用回转式双轮铣切削成槽。
　　目前，地下连续墙的施工规模变得越来越大，抓斗式切削成槽机最大可进行直径为1m的石块的施工，回转式切削机可形成壁厚2～2.4m、施工深度达120m的连续墙。
　　德国的Bauer公司在悬壁式地下连续墙施工机械和液压抓斗切削机的开发生产上处于世界领先的地位，该公司生产的水平轴双轮铣回转切削机，悬挂式液压抓斗切削成槽机，广泛应用在世界各地深基础行业中。
　　三.柱列式与悬壁式地下连续墙的比较
　　柱列式与悬壁式地下连续墙相比，柱列式虽然施工费用比较低，但施工精度较难保证，特别是作为防渗墙使用时，柱列间易产生不连续的问题。在柱列式连续墙施工中，若遇到大的障碍物，切削速度缓慢并且慎重地进行施工，则其垂直精度可以得到保证，但施工时间和费用将增加，其施工速度与施工精度完全取决于机械操作者的技术水平。目前，国外在柱列式地下连续墙施工中，正广泛使用的多轴SMW工法施工机械也存在着上述问题，该机在解决柱与柱之间重叠咬合搭接方面深度浅时，会取得了很好的效果，但如施工速度过快超深度施工，则三个轴会发生部分弯曲无法保证垂直度。为了解决此问题，国外研制可随时对垂直精度进行检测的装置，一旦发现垂直精度出现偏差，则立即将钻杆向上适当提升进行纠正垂直精度。
　　悬壁式地下连续墙在施工精度与连续性方面比柱列式有较大的提高，另外由于连续墙自身的强度增大，使其可以成为建筑物的一部分而作为承重墙使用，但其最大的不足之处是施工费用高，墙体连接之间渗漏问题难解决，遇到硬地层无法挖掘等。
　　四.地下连续墙施工机械的发展方向
　　1.大型化
　　地下连续墙施工所使用的机械因施工工法不同而不同，总的来说，正在向多样化和大深度化方向发展，特别是在相当坚硬的基础中施工时，为了达到所要求的埋设深度，相继开发了多种大型机械。对坚硬岩层需采用破岩专业设备。现在施工现场既有宽阔的平整场地，也常有非常狭窄空间的地方。因此，高性能一机多用的施工机械，及相应的施工方法要与施工现场的宽阔程度相适应。对于地下连续墙施工机械，除了要求高性能外，对大型机械还要求能够对其进行分解，并且容易在施工现场组装。
　　2.小型化
　　为了在狭窄及高度受到限制的场地进行施工，现已出现了小型化低重心的施工机械。这类机械并不是简单地从机械构造上进行改进，如进行柱列式连续墙施工的长螺旋钻机，回转轴(钻杆)的长度必须满足施工深度的要求，由于其驱动动力机构位于回转轴(钻杆)的最上端，如果在施工中不采用接钻杆的方式，就很难达到降低高度及重心的目的。
　　另外，即使是成槽机本身可降低重心，但插入芯材的长度及悬吊芯材的起重机也必须降低高度和实现低重心化，一旦芯材采取接长的方式则施工效率将大大降低。另一方面，对于采取反循环方式进行施工的成槽机，若采用履带起重机作为底盘，由于起重机本身的高度是已定的，若想降低其高度十分困难。
　　3.底盘的稳定性
　　大部分地下连续墙施工机械是将其主要部分——驱动机构安装在底盘上，目前主要是从已生产的起重机或打桩机中选择能够与驱动装置相匹配的底盘。但是，履带起重机的底盘大部分是作为起重机械而开发的，在与地下连续墙施工机械相匹配进行基础施工时，需考虑与各驱动装置布置主要部分之间的平衡问题，特别是在施工现场内进行小范围移动时，施工机械本身不拆卸，因此机械总体的重心位置很高。对于多轴SMW工法施工机，由于回转动力装置位于回转轴(钻杆)的最上方，重心高的问题更为突出，在进行地下连续墙等基础施工时，屡屡发生整套施工机械倾覆的重大事故。其中故然有安全管理方面的问题，但从根本上说还是施工机械驱动装置与底盘之间不匹配所产生的整体稳定平衡问题。
　　在地下连续墙施工中，施工现场情况的变化很大，施工机械常常处于非常恶劣的工况，这就需要底盘能够对工作装置给予充分的支撑，为了抵抗切削挖掘反力，底盘需要有足够的重量和稳定性以及耐久性。特别是对于地下连续墙的施工，既要求支撑切削挖掘部分的重量，又要具有使其以自由速降的机构。来满足高效率的切削挖掘作用。
　　综上所述，对于地下连续墙施工机械这类基础施工机械的开发，将驱动装置与底盘作为一体进行设计和充分论证是十分必要的。
　　4.专用施工机械发展
　　开发新型的专用履带和步履结构底盘，整机接地比压小，驱动机构速度快，配液压抓斗和动力站组成一套专用成槽机。这种施工机械可以大大降低动力能源成本（柴油）。动力采用电动机驱动液压传动各工作机构，既节省能源又提高效率。液压抓斗起降采用快速双滚筒卷扬机为动力驱动等。在发展与其配套的施工机械中，也随着施工要求和难点在不断完善改进创新发展。全球深基础行业是不断地总结新的工法和工艺，来满足基础施工需要的专用机械设备。