地下连续墙液压抓斗施工防卡埋斗技术

　　摘要：随着地下空间工程的不断发展，地下连续墙的应用越来起多，施工的风险也越来越高，尤其是成槽施工时发生的卡埋斗事故让施工方胆战心惊而又束手无策。 结合工程实践，对超深地下连续墙成槽施工中存在的卡埋斗事故进行分析、探讨，并提出相对应的新技术解决方案和开发专用打捞装备，地下连续墙液压抓斗成槽施工中卡埋斗事故是可以预防和快速简单处理的。
　　关键词：地下连续墙；成槽；卡斗；埋斗；液压抓斗
　　一、前言
　　液压抓斗成槽施工过程中卡斗或塌槽埋斗事故时有发生，且事故的处理异常艰难。往往耗费大量人力物力后处理失败，造成巨大施工损失。如上海世纪大都会2-4地块超深地连墙项目共发生了8次卡斗事故,其中最严重的一次事故造成了WA1096号槽埋斗,事后经多种方法处理无效,最终损失巨大(约600万)⑴。因此液压抓斗成槽施工中卡埋斗事故危害巨大，成为液压抓斗成槽施工的高风险环节，同时也成为施工单位的一个巨大心理负担。笔者通过多年卡埋斗事故处理实践和对液压抓斗成槽的研究，提出一个系统的液压抓斗成槽防卡埋斗技术，以抛出液压抓斗成槽施工预防和处理卡埋斗事故的一己之见，引来同行此方面的真知灼见，共同推动提高地下连续墙液压抓斗成槽施工安全度，降低卡埋斗事故风险。
　　二、卡埋斗的认定
　　1、卡斗：是指液压抓斗在抓取完成后关闭斗瓣提升斗的过程（或提升起始）由于外力作用改变了其运动轨迹（指与斗的下降运动轨迹不同）而使斗体肩部嵌入槽壁卡死。
　　2、埋斗：液压抓斗在抓槽时，斗瓣在闭合状态下，斗头的横断面积小于已成槽孔横断面积，出现一定的间隙。因此，提升斗时斗头下面不会产生真空吸力作用。如此间隙因塌槽、浮渣沉淀或地层缩径被填满，提升时斗体就受到底部的真空吸力作用，当真空吸力+斗和斗内土的重力超过液压抓斗的实际提升力，我们认定出现了埋斗现象。
　　三、卡埋斗的原因及分析
　　（一）卡斗有四大常见原因：
　　第一种，槽壁缩径卡斗。这种情况常发生在软塑地层及实施三抓一槽的中间抓的抓槽时（因中间抓的土拱效应最差）。如果槽内的泥浆水头差压力不足以抵抗槽壁的土侧压力和地下水压力之和，槽壁缩径就会发生。且缩径变形的速度跟泥浆水头差大小，地层软塑程度有直接关系。在抓斗下放、抓土、提升一个单次来回时间内槽壁缩径的变形量大于斗体肩部与槽壁的间隙就产生卡斗。
　　第二种，提斗斜拉卡斗。常发生在坚硬地层中实施三抓一槽时的中间抓、两抓一槽的第二抓、成槽后清槽修槽工序的提斗过程中。如上海世纪大都会2-4地块超深地连墙项目一共发生8次卡埋斗，其中中间抓卡斗6次，占75%⑴。这是由于斗体与液压抓斗主机通过钢丝绳实现中心提拉式软连接，每抓槽壁的轴线不一定重合，沿轴线方向会产生台阶或折弯。如果提升时往左或往右斜拉，改变了斗体原来的运动轨迹，极易使斗体肩部挤入槽壁的台阶中，由于地层坚硬，越提越紧，发生卡斗。因此提斗斜拉是这种事故的起始原因。但现有液压抓斗（包括国外进口液压抓斗）并无特定的抓斗提升定位系统。操作人员主要是靠目测依据导墙（导墙内侧槽宽=斗厚+5厘米）来确定斗体前后定位，依靠在导墙边摆放石头、钢筋条、木条等来确定左右中心定位。如果操作人员目测出现偏差或左右定位物有移动，提斗时极易发生斜拉卡斗。
　　第三种，硬物掉入卡斗。当一定尺寸的硬物(如卵石)掉入槽内，容易挤在斗体和槽壁之间或伸出的纠偏推板和斗体之间使纠偏推板不能收回，提斗时会改变斗体提升运动轨迹，使斗体肩部卡入槽壁。
　　第四种，斗体纠偏系统失效卡斗。抓斗在抓槽时经常会使用斗体纠偏功能，以确保槽孔垂直度保持在规范范围内。如纠偏系统失效会造成纠偏推板推出后不能复位，斗体始终处于偏斜状态，提斗时已经改变斗体提升运动轨迹，且造成推板挤住槽壁卡死。常见纠偏失效具体有以下几种情况：
　　1、油污染造成电磁阀失灵，如污物堵塞油道、阀芯卡死、阀芯磨损等。由于常见纠偏系统液控部分电磁阀都采用滑阀机能，耐污染、抗磨损性能较差。
　　2、闭斗油管爆裂，造成推板收回缺失动力源，推板推出后不能复位。由于斗体纠偏系统液控回路是采用闭斗油管压力油作为唯一动力源。
　　从以上卡斗原因分析，都是因故改变了斗体提升运动轨迹，使斗体部分挤入槽壁，会越提挤入越多，越紧。常规处理方法是增加提升力，用大吨位吊车或拔管机通过单根钢丝绳挂钩斗体顶拔。这种处理方法有效提升力是由钢丝绳最小破断拉力决定的，而不是吊车和拔管机的提升能力，因此往往有效提升力不大。如果顶拔提升力方向偏斜或方向正但有效提升力不足以使斗体切掉嵌入的坚硬土体，加之处理时间过长又造成塌槽或浮渣沉淀埋斗，斗提升阻力会成倍增加。这样只能是将钢丝绳拉断。因此确定斗体的下放中心，纠正提升方向，加大有效总提升力快速形成打捞才是处理卡斗正确方案。
　　（二）埋斗有三大原因：
　　第一种，塌槽埋斗。由于成槽是在地基中挖出一条窄而深的长条槽壁，且没有任何固定支撑，因此容易发生塌槽埋斗。成槽过程中槽壁稳定性与以下几个因素有关：1、原地层的稳定性；2、泥浆质量；3、泥浆液面水头差；4、槽壁土拱效应；5、导墙边增加超大外载荷。如饱水弱粘性沙层在地下水位埋深不足2米极易塌槽，这是由于水头差过小，泥浆对槽壁的压力小于槽壁土压力和地下水压力之和。⑵ 又比如，7米长槽段比6米长槽段土拱效应要差，比6米槽段塌槽慨率要大。当塌槽量填满斗头与槽壁之间的间隙后就产生埋斗现象。
　　第二种，浮渣沉淀埋斗。常发生在密实性粉细砂层，泥浆的含沙量大。当地层标贯值大于30击以上，抓斗抓取效率很低，单次一个抓取来回时间很长，泥浆中的浮渣沉淀很容易填满斗头与槽壁之间的间隙造成埋斗。如上海世纪大都会2-4地块超深地连墙项目工地一共发生8次卡埋斗，从地层统计看，卡埋斗主要发生在粉细砂⑦2层，达6次占75%。据施工方调查液压抓斗司机在抓这一层时，抓取一斗一般耗时10-15分钟，最长达30分钟。⑴
　　第三种，软塑淤泥埋斗。软塑淤泥地层由于土体稳定性极差，很容易填满斗头与槽壁之间的间隙造成埋斗。
　　从以上埋斗原因分析，埋斗是由于斗体与槽壁间隙被填满，提斗时产生吸力，当吸力加斗自重和斗内土的重力大于液压抓斗提升力时液压抓斗提不动斗体。我们设定一埋斗工况，自重20吨一米厚的斗在40米深埋斗。其提升阻力计算为（忽略浮力和斗与槽壁摩擦力）：吸力=1米*2.8米*0.4兆帕（40米深大气压）=112吨，自重力=20吨，在忽略斗浮力、斗内土重力和提升摩擦力时，其提升阻力=112+20=132吨。远远超过液压抓斗主机主卷扬的40吨提升力。
　　如果用直径26的钢芯钢丝绳作为拔管机的顶拔绳，最小破断拉力是52吨，用两根绳挂住斗体上部左右两个吊环，利用拔管机顶拔，最佳情况是两根顶拔绳受力大小一样，该方案有效顶拔力才104吨，不足以拔出埋斗。但往往实际操作中两根顶拔绳因长短不一，顶拔时受力不一样，造成受力大的绳先拉断。。
　　因此埋斗越深、斗越厚吸力越大。埋斗最大阻力来自斗的吸力。
　　四、常见卡埋斗处理方案
　　1、笔者经过多年的卡埋斗事故资料和信息的收集整理，常见卡埋斗处理措施有：
　　（1）利用钢丝绳挂钩斗体上部两个吊环，用大吨位吊车或拔管机强顶。如2013年北京南水北调东干渠3标一台金泰SG50液压抓斗发生卡埋斗事故，采用这种方案没有成功；
　　（2）在卡埋斗槽相邻处用另一台抓斗开挖，挖开卡埋斗一侧土体；如2013年广东佛山西站一台徐工XG450抓斗卡埋在31米深处的第一个处理方案，最终没有成功。带来事故处理后遗症。
　　（3）用大吨位吊车或拔管机通过钢丝绳挂钩拉住斗体，再采用水下局部爆破振松斗体。如2011年山东寿光双王城水库3标一台意大利土力抓斗在25米出卡斗，采用这种方案成功拔出斗体；但槽也塌了。产生事故处理后遗症。
　　（4）大开挖取出斗体（埋深较浅且地下水位较低时可以考虑）；2010年北京地铁号线鼓楼站项目一台德国宝峨GB34抓斗在23米深处卡斗，采用各种措施处理失败后，等基坑开挖后才取出被卡斗体。后期处理费用巨大。
　　（5）用旋挖钻机在卡埋斗相邻处钻孔至斗体底部。如2013年广东佛山西站一台徐工XG450抓斗卡埋在31米深处采用的第二种方案成功拔出，但协助处理和后期处理费用巨大。
　　（6）如在提升过程中卡斗，斗不在槽底部，将抓斗主卷扬钢丝绳放松，用吊车吊重物（如接头管）将斗冲下去。挤卡现象卡物从原路径退回是非常有效的。2004年山东邹城水库，一台意大利土力BH-12抓斗提斗时卡在25米处，槽深已有34米。施工方用吊车吊接头管作重锤将斗锤下去，成功提出斗体。
　　2、不当处理引起卡埋斗因素重叠发生，处理难度更大。
　　（1）由于卡斗或埋斗是突发事件，施工方从定出方案、组织辅助机具到实施打捞，往往经过较长讨论和准备时间，这样单一原因卡斗会因塌槽或浮渣沉淀增加埋斗因素；单一原因的埋斗也会因斜拉顶拔产生新的卡斗因素。
　　（2）卡埋斗发生后，往往很难确定卡埋斗的原因，无法做出有针对性打捞处理措施。如在坚硬地层斜拉卡斗，附加顶升力还在同一个斜的方向，会越顶越紧。塌槽埋斗发生后，不计算真空吸力，斗体上部的土重，无法得出需要附加的顶升力。
　　（3）除了1条中（6）方案直接拔出外，其他处理方案成功几率很低，且都会对卡埋斗槽段周边造成一定的破坏，即使处理成功也会对该槽段继续施工带来相应后遗症（后期处理费用巨大）。如大面积塌槽后回填重抓；混凝土超方量等。
　　（4）经笔者统计，目前超过40米深发生卡埋斗处理成功的几率很小。
　　五、防卡埋斗技术
　　系统的防卡埋斗技术，分预防措施和无后遗症的新型打捞装备两部分。
　　（一）预防技术
　　预防是基础，首先只有从液压抓斗成槽施工工艺各细节入手，采用相应的防范技术措施，将卡埋斗的发生几率降至最低才是我们研究的目的。从以上分析卡埋斗原因看，笔者重点介绍预防技术中以下几个关键点：
　　1、规范抓槽操作。操作手在抓槽作业时不当操作会引起卡埋斗的发生。因此本行业应制定一个《液压抓斗成槽机安全操作规程》，来培训和规范液压抓斗的作业。就应对卡埋斗这方面，笔者提出以下几点规范操作要求：
　　（1）严格按液压抓斗设置的光电提升定位系统指示提升抓斗斗体。固定并保护好定位反射装置。
　　（2）软弱地层抓槽时，每次下放斗完全打开斗瓣下放，形成一次修槽过程。确保斗体提升时斗体与槽壁间始终达到一定间隙。
　　（3）密实粉细砂地层在槽底抓取时不超过1分钟就得提升斗。斗的开闭斗一个单次来回时间一般在15秒，按经验抓取三、四次就得提斗。如抓取效率低下，应考虑采取别的工艺和技术。如施行两钻一抓、冲击抓取、斗体大闭合力抓取等。
　　（4）施行正反抓槽。正反抓槽是指斗体能翻转180度，第一个抓取来回是正抓，第二个抓取来回将斗体翻转180度施行反抓。正反抓槽不仅能有效解决槽孔左右偏差的问题，而且在坚硬地层抓取还能增大斗体与槽壁的间隙。槽壁的断面形状跟斗张开后外形一致。（插图） 　　（5）泥浆质量和水头差是稳定槽壁，减少塌槽埋斗和浮渣沉淀埋斗的关键因素。按经验泥浆比重在1.05—1.3较好，根据地层情况还可适时加碱、加CMC、加防渗剂等。泥浆液面与地下水位水头差以保持在2米以上。
　　2、做好辅助措施
　　（1）预加固措施。在导墙两侧采用注浆方法加固软弱地层，然后再开挖地连墙。
　　（2）随挖随加固措施。在开挖软弱地层槽段时，在抓斗斗体两个侧面临时各安装一排若干特制的注浆口，并通过注浆管与地面注浆机相连。当软弱地层抓完后，可临时安装上注浆装置，开着斗瓣，按设定的速度边下放斗体边注浆，水泥浆经过特殊配方，能达到遇水快速凝固。斗体到底，注浆完成。提升斗体拆除注浆装置继续抓槽。这时槽壁会形成若干凝固的竖向水泥条，能起到临时支护作用。相比较常规预加固措施，这种措施节省成本，缩短工期，是一种挖槽加固不错的尝试。
　　（3）槽段划分以地层情况决定，软弱地层宜采用两抓一槽段。一般采用5.6米长为一槽段。
　　（二）液压抓斗新型防卡技术。
　　预防和处理卡埋斗成槽事故措施最终要借助于有针对性的设备技术改造上，因此设备技术的创新和改进是液压抓斗成槽预防卡埋斗事故最为有效和可靠的保障。
　　（1）斗头中心安装减压钢管。
　　通过钢管使斗瓣腔内与斗体相通，破除因塌槽或浮渣沉淀埋斗产生的负压（在沉渣不高于钢管上口高度时）。
　　（2）设置抓斗中心定位装置。
　　由于抓斗斗体与液压抓斗主机通过钢丝绳中心提拉方式连接的，因此在正常提升时液压抓斗主机的大臂中心是正对斗体中心的。如果出现偏差就产生提斗斜拉。本装置是采用现有成熟的光电定位技术集成于液压抓斗，使抓斗每次提升都借助大臂中安装的发射器自动发射的红光通过已定位的反射板反射到操作手眼睛，来确保每次提升都处于同一个中心位置。本装置由两部分组成，光发射器固定在液压抓斗大臂中心；反射板按使用要求固定在抓斗正面的地面，起到抓斗左右定位的标杆作用。本定位装置还对发生卡埋斗后安装打捞装置起到非常关键的作用。
　　（3）改进型液压纠偏控制装置。
　　本装置液压控制阀都采用电磁球阀，提高了控制装置对油液耐抗污染能力和阀与阀座的磨损补偿性能；由于纠偏液压控制回路不是循环回路，易造成污染物沉积而导致阀芯卡阻，本装置新设置了自清洗回路，方便液压回路清洗；增加了闭斗管爆裂的推板复位功能。
　　（4）加装斗体旋转装置。
　　本装置采用摆动油缸来实现斗体180度旋转，使液压抓斗能实现正反抓槽。斗体中心提拉轴与中央回转接头为一个整体，（不同于宝峨的GV3分体式旋转装置）高压油通过旋转体密封可靠。
　　（二）高效打捞技术
　　综合了当前诸多卡埋斗事故打捞方案后，我们发现快速强力顶拔是不带处理后遗症的，而且应对多种因素重叠作用而发生卡埋斗通用高效的一种处理方案。该打捞技术分两部分：钢丝绳穿引机构；专用顶拔机。
　　（1）钢丝绳穿引机构。该机构是在斗体两个吊环和液压抓斗主机通过穿引绳卷扬连接两根很细的穿引绳，穿引绳通过穿引绳卷扬随斗体上下而自动收放，并且随斗体180°旋转自动换边。
　　（2）专用顶拔机。专用顶拔机由四个顶拔绳卷扬机、两个主顶液压缸、两个加力液压缸、一根顶梁、四个多绳拉力平衡器、高强度机架和顶拔绳锁紧机构组成。
　　当卡埋斗发生时，先通过斗体提升中心定位装置确定专用顶拔机安装位置，安装就位后不管斗体肩部的吊环是否被塌方或沉渣埋住，都可以通过穿引绳一端连接顶拔绳一端，利用穿引绳卷扬与顶拔绳卷扬收放配合，快速拉出顶拔绳并锁紧在顶樑上，通过顶樑和四个顶拔绳卷扬配合，将四根钢丝绳实现预拉紧，再通过多绳拉力平衡器实现四绳拉力相等，实现四根顶拔钢丝绳许可总顶力最大化。斗体顶动以后，拉力大幅降低。这时可利用顶拔机或液压抓斗卷扬提升斗体，用顶拔绳卷扬自动收回顶拔绳。
　　因此，该打捞装置特点鲜明、简单高效、造价低廉。
　　（1）能快速形成强力垂直顶拔。在顶拔机就位后，按顶拔机设计能力计算穿绳连接并固定能在45分钟完成。能很方便收放顶拔绳。顶拔机使用方便。
　　（2）由于是快速形成顶拔，卡埋斗因素重叠作用几率降低，有利于单因素卡埋斗顶拔的成功。
　　（3）垂直顶拔过程不会对已成槽壁产生新的破坏和别的后遗症。利于继续成槽施工。
　　（4）用户通过对卡埋斗阻力预估，顶拔机可以根据需要实现多级顶力灵活使用。
　　（5）该装置顶拔采用动滑轮原理，用较小油缸能达到较大顶力，造价低廉。
　　（6）因超深槽段需要，用户可以通过增加顶拔绳根数和更换加力缸实现顶拔机能力升级。
　　现介绍DB400-80顶拔机：
　　理论最大顶拔力：416吨； 　顶拔深度：80米
　　顶拔绳：4根 ￠26*160米　　主顶缸：￠140*1000
　　加力缸：￠150*200 　　　　系统压力：31.5兆帕
　　适用槽宽：400；600；800；1000；1200 自重：8吨
　　结语
　　卡埋斗是地下连续墙液压抓斗成槽施工的一种偶发性事故，虽然不常发生，一旦发生危害巨大。因此，本文所叙防卡埋斗技术为解决这一问题，提供了一种方法上的尝试。随着防卡埋斗技术应用的推广，细节的不断完善，卡埋斗事故发生几率会大幅降低，处理会更简单便捷。

　　参考文献：
　　⑴韦正、王恩臣，地下连续墙卡斗原因分析及处理措施——上海世纪大都会2-4地块项目超深地连墙施工实例分析（J）。中国高新技术企业，2010.（10）：145-146
　　⑵丛蔼森，地下连续墙的设计施工与应用（M）。北京：中国水利水电出版社，2000.