城市弃土再生建材施工专用设备研发设计及应用

薛信恺 霍同乾 杜君 徐浩

（作者单位：薛信恺、徐浩，中电建生态环境集团有限公司；霍同乾、杜君，中国电建集团武汉重工装备有限公司）

一、研究背景与意义

传统的各类工程基槽回填施工过程中通常会遇到基坑开挖后基槽回填空间狭窄、回填深度较大、钢板桩拔除后产生缝隙、回填土需分层夯实并且夯实质量不稳定、回填用石粉渣采购成本高以及现场渣土的外运处理问题等。

针对管网基槽开挖后的这一系列问题，中电建生态环境集团有限公司自2016年来开展了超软弱地层管网基槽加固及流动化土填筑技术研究，提出了采用流动化处理工法对基坑及缝隙进行回填。所谓的流动化处理工法就是对基坑开挖后原有的基土通过添加一定比例的固化材料、调整含水率，搅拌形成具有一定流动性的回填材料从而进行回填施工。流动化土处理工法成本低、施工工艺简单、回填效果较好，适用范围广泛。相关课题经过多个阶段的实验室试验和现场施工试验，流动化土承载性能得到了验证，流动化土填筑技术逐渐被充分掌握。然而受限于无专业施工设备，该技术工程运用时存在效率低、劳动力强度大等问题，因此流动化土填筑施工专用设备的研发迫在眉睫。

二、城市弃土再生建材施工专用设备设计

根据流动化处理工法现场施工时的实际情况，相关施工设备必须具备土方破碎、泥土搅拌以及流动化土浇筑功能。根据实际需求，相关方组织开展了流动化土填筑技术工程运用设备专项研究，研发设计出第一代城市弃土再生建材施工专用设备，如图1所示。

图1 城市弃土再生建材施工专用设备结构图

1.工作原理

挖掘机挖掘出的泥土经过初步筛选，筛选掉泥土中所含的垃圾（如树枝、塑料布等）和大石块；然后将泥土倒入卧式双轴土方破碎装置中破碎，破碎后的泥土下落至破碎装置下方的皮带输送机上，然后输送进入立轴行星搅拌机内。立轴行星搅拌机可快速、高效地完成泥土与早强剂、水及其他添加剂的搅拌，制备成流动化土。搅拌机底部设置有卸料开闭装置，搅拌完成后，开启卸料开闭装置，流动化土通过搅拌机下方的出料浇筑装置回填至管网基坑中，从而完成流动化土的浇筑、回填。立轴行星搅拌机安装在牵引式行走机构上，可前行、后退、转向，进而实现连续式浇筑回填工作。

2.具体结构设计

城市弃土再生建材施工专用设备是一种集土方破碎与输送、流动化土制备与浇筑为一体的流动化土回填施工专用设备。该设备主要结构包括土方破碎装置、输送进料系统、搅拌系统、牵引式行走系统、出料浇筑系统等。

（1）土方破碎装置

目前常见的破碎机主要有颚式破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机、辊式破碎机、圆锥破碎机等，此类破碎机主要用于石块等坚硬干燥物料的破碎，用于泥土破碎容易在破碎机内附着，并堵塞出料口。因此本设备的土方破碎装置采用卧式双轴土方破碎机，该破碎机主要是通过飞速旋转的破碎刀片的切削力实现土方的破碎。其最大破碎硬度为0.75MPa，平均破碎能力可达80m3/h。

（2）输送进料系统

经土方破碎装置破碎后得到的碎土需要通过合适的输送进料系统运送到搅拌设备中。目前常见的输送进料方式有皮带输送机、螺旋输送机、刮板输送机、链斗提升机等，通过综合考虑设备成本、输送效率以及输送物料的特性等因素，该设备采用B650-7.7型皮带输送机进行输送进料。带式输送机具有构造简单、工作可靠、自重较轻、操作方便等优点。B650-7.7型皮带机带宽为1米，输送能力为100m3/h。

（3）搅拌系统

流动化土制备过程中需要将土、水、少量的水泥以及添加剂进行混合搅拌。由于制备好的流动化土具有一定粘度容易在搅拌釜内附着，并且在此成分配比的情况下，粘土在常规搅拌过程中会粘结成团，影响流动化土的匀质性。因此本设备采用的是一种包含有高速搅拌装置的立轴行星式搅拌机，可对泥团进行高速切削，能有效避免粘结成团，保证均匀性。

该搅拌机通过安装在专门设计的传动盘上的搅拌工具和刮料工具，实现搅拌桶内零死角搅拌。搅拌机整机传动平稳，搅拌效率高，搅拌匀质性高、密封好不漏料、耐用性强、检修空间大。该搅拌机的额定单次处理量为1.5立方，单次搅拌时间仅需30秒。

（4）牵引式行走系统

城市弃土再生建材施工专用设备采用轮式行走结构，自身不具备动力，通过外部动力牵引行走，其具有更好的操作灵活性，转向结构简单，易满足施工现场环境要求。

（5）出料浇筑装置

搅拌机下方设置出料浇筑系统，当搅拌机底部的闸阀开启后，搅拌机内的流动化土通过溜槽流入基坑，防止直接落下损坏管涵，并且出料浇筑系统的长度和角度可调，可适应深坑和浅坑等不同工作环境。

3.技术特点

城市弃土再生建材专用施工设备的主要技术特点如下：

（1）工作效率高，本设备每小时填筑量≥30立方米。

（2）整体性搅拌回填设备集解土、输送、搅拌和回填浇筑于一体。

（3）设备安装在牵引式行走机构上，可实现连续移动式搅拌、回填和浇筑。

（4）具备土块分解功能，提升搅拌性能、物料流动性和回填密实度。

（5）搅拌机采用立轴行星多轨迹搅拌方式，搅拌匀质性高、搅拌效率高。

4.效益分析

相对于传统的石粉渣回填工艺以及人工进行流动化土回填，城市弃土再生建材施工专用设备的使用具有十分明显的优势。

（1）采用本设备可节约采购和处理成本：传统石粉渣回填需要采购石粉渣，目前石粉渣的市场价格一般在130元/立方左右，而采用该设备的回填模式不需要采购石粉渣；石粉渣回填工艺中，现场开挖出来的渣土需要外运处理，目前处理费约为120元/吨，而采用该设备施工则现场80%的渣土可再生利用，大大地节约了渣土处理费用。

（2）采用本设备可节约施工成本：据了解，目前流动化土回填施工主要靠人力，大约需要10～15人，而采用本设备后，施工现场最多只需5人，可减少5～10人的工作量。按人均每天300元计算，可节省人力成本1500～3000元。

（3）采用城市弃土再生建材施工专用设备可明显提高工作效率，本设备每小时可制备并浇筑流动化土30立方以上。

三、现场应用

图2 城市弃土再生建材施工专用设备现场施工图

城市弃土再生建材施工专用设备经过多次厂内试验后，性能相对稳定，基本具备生产现场施工的能力。为了现场验证该设备的实际使用性能，寻找该设备的不足与改进方案，探索与城市弃土再生建材施工专用设备配套的相关施工工艺，设备于2019年7月在东莞市塘厦镇城市管网改造现场进行了52批次的流动化土回填施工试验，完成了四段共计43m的管网基槽的流动化土回填施工，回填质量优良，回填效率达到了设计要求。

1.试验过程

在第一代城市弃土再生建材施工专用设备正式进行流动化土回填试验前需进行一系列前期的施工准备。首先是施工巷道的开挖与支护，取土的同时防止塌方；其次按相关要求完成管道及竖井的安装施工；最后是管道的固定。

在试验过程中，对于每个批次的流动化回填土都取样进行了坍落度的现场检测，同时每个批次都留样用于后期的承载能力测试。由于本项目中采用的是橡胶管道，流动化回填土为流体并且基坑中渗水严重，在浇筑过程中出现了浮管的问题。经现场讨论得出永久性填充物、箍体固定以及二次浇筑三种解决方案，处理后管道均未出现明显上浮。

2.试验结果

图3 施工前后对比图

本次现场试验整体效果较好，试验过程及结果达到了设计要求，得到了现场各方面的一致肯定。通过现场试验发现城市弃土再生建材施工专用设备单批次的最大处理量为2.5立方；单批次所需时间约为5分钟，其中主要制约因素为进水速度，整机效率接近基本达到设计要求，后期通过改进进水方式可以明显提升生产效率。经后期检测发现流动化土回填施工的CBR值为16.69%，大于设计要求的8%，满足承载要求。

四、总结与展望

根据流动化土回填施工的实际要求，设计出用于流动化土施工的城市弃土再生建材施工专用设备，该设备集土方破碎、流动化土制备和浇筑为一体，极大地减少了人工劳动强度，提高了流动化土施工效率，节约了施工成本，完成了相关设计目标，成功地解决了现场实际问题。

虽然城市弃土再生建材施工专用设备达到预期目标，但通过现场试验发现该设备依旧存在一些局限与不足。首先，设备自身没有动力源，无法自行走，需要外部动力牵引；其次，水泥上料时的人工劳动强度较大，可进一步改进；再次，现场土中常常含有较多石块，而设备破碎能力有限，适应性较差；最后，第一代设备的智能化程度较低。这些不足之处均为第二代城市弃土再生建材施工专用设备的研发提供了方向。