等厚水泥土地下连续钢墙配套装备研究

李耀良李吉勇罗云峰朱德勇龚 妍陈志强

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200433；

2. 上海市地下工程施工泥浆专业技术服务平台 上海 200433

随着城市地下空间的快速发展，基坑朝更深、更大方向发展已成必然趋势。在闹市区进行深基坑施工时，受到的周围建筑、道路交通、地下管线等环境的影响也越来越复杂。目前国内基坑的常规支护工艺受施工场地和施工速度等因素限制，与城市交通及周边环境的冲突日趋严重。

为满足目前地下空间发展需求，等厚水泥土地下连续钢墙得以研发，相对于传统地下连续墙，其应用水泥浆替代原地下连续墙中的混凝土，同时将预制型钢作为劲性骨架，较原地下连续墙中的钢筋施工占地小、安装方便、工期短、对周边环境影响小，造价相对较低，将大大改善传统地下连续墙工法在城市工程建设中的用地和环境影响问题[1]。

相对传统地下连续墙、钻孔桩等地下围护工艺，等厚水泥土地下连续钢墙的主要工艺特点及优点为：构件预制装配率及机械化施工率高；占地小、人工成本低。要实现高装配率及机械化操作施工，其配套装备研发是关键。本文针对等厚水泥土地下连续钢墙施工，研究开发出一系列适用于型钢插放、定位导向等工艺的成套配套机具和施工设备。

1 等厚水泥土连续钢墙成墙主机设备分析

等厚水泥土搅拌墙技术是从日本引进，经国内消化吸收，改进后发展起来的。等厚水泥土搅拌墙成墙主要设备为锯链式（TRD）设备和铣削式（CSM）设备。其中：渠式切割水泥土搅拌墙通过将锯链式切割箱打入设计深度并横向移动，使链条刀具上下循环转动，利用刀头对地基土进行切割成槽，同时在墙体深度方向进行水泥浆液与切割地基土的混合与搅拌，从而形成连续的等厚水泥土搅拌墙；铣削深搅水泥土搅拌墙在钻具底端配置电动机驱动的铣轮，铣轮采用水平轴向旋转搅拌方式，并经由特制机架与导杆连接或由钢丝绳悬挂，铣轮旋转深入地层削掘与破坏土体时，强制性搅拌已松化的土体，结合注入水泥、水，形成矩形槽段的改良土体。

综合铣削式、锯链式等厚水泥土地下连续墙的成墙及设备特性，从成墙深度、厚度、效果、均匀性、地质及环境适应性等方面进行工艺特性分析。

1）在成墙深度方面，目前2种设备成墙最大深度都可达到80 m，均能满足超深等厚水泥土地下连续墙成墙深度方面的需求。

2）在成墙厚度方面，铣削设备成墙厚度为640～1 200 mm，锯链设备通常标准模数为550～850 mm。铣削设备在成墙厚度方面适用性更强。

3）在成墙效果方面，2种设备工艺特性成墙的垂直度、水泥土强度控制指标基本相同。

4）在成墙均匀性方面，锯链设备能实现成墙深度范围全断面的切割，铣削设备主要靠下部铣轮铣削和喷浆循环，因此锯链设备效果更为理想。

5）在成墙地质条件适用性方面，锯链设备主要适用土层为黏性土、砂土，直径小于100 mm的砂砾及砾石层，铣削设备除了软土外，最大削铣能力为可削铣剪切强度标准值35 MPa的岩石地层。相对而言，铣削设备在硬质土层环境也有较大应用范围。

6）在环境适应性方面，悬吊式铣削设备可满足8 m极限净空及任意转角施工要求，锯链设备高度较高，同时转角处理较为不便。

综合上述对比，铣削式等厚水泥土地下连续墙工法具有较大的优势和发展前景，因为该工法具有施工速度快、适合复杂场地条件下施工（占用施工场地少）、垂直度控制精度高（搅拌垂直度可达1‰）、削铣能力强（可削铣剪切强度标准值在35 MPa以下地层）、成墙质量高和环保效果好等特点，可适用于复杂环境下的超深基坑止水帷幕及支护桩等工程。铣削式成墙设备主机结构如图1所示。

图1 铣削式成墙主机设备结构

2 移动式操作导向架机具研发

2.1移动式操作导向架机具总体设计

为方便锁扣型钢插放施工及垂直度、施工安装精度控制，设计研发一种便捷式可移动的操作导向架。该配套设备集锁扣型钢下放安装操作平台及锁扣型钢垂直导向控制于一体，主要由下部移动操作平台车、下部垂直导轮、操作架身、上部垂直导向导轮架、临时搁置平台等部分结构组成。机架总体尺寸约3.2 m×3.2 m×3.5 m。操作架主要由无缝矩形钢管、型钢焊接及端部螺栓法兰连接组成。整体质量较轻，现场施工安装方便。导向架上下层导轮导向高度约3 m，能实现x、y方向4个位置的垂直导向控制，垂直度操作控制便捷。操作导向架结构如图2所示。

图2 导向操作架结构示意

2.2移动式操作导向架导轮调节设计

导轮组件固定于导轮框架上，导向装置主要由滚轮组件、导向座、螺杆调节螺母、球头螺杆、螺母卡板等组成。现场实施时，可通过调节球头螺杆伸缩控制滚轮组件的进退，从而进行型钢的垂直度控制（图3）。结合槽段宽度及保护层预留厚度，导轮组件调节行程设置为0～120 mm，最大行程大于100 mm（两侧保护层厚度），可满足型钢最大偏位调节控制要求。

图3 导轮框架及导轮组件结构示意

当上部净空条件极受限时，移动操作平台车仅布置1层导轮，配合滑动连接导架进行型钢垂直度的控制。为准确控制型钢的垂直度，在导墙内预埋好预埋件后开挖槽段，放置钢导梁，形成移动操作平台车，其上安装导轮。施工过程中，左侧上下2层导轮向型钢靠拢，通过全站仪将型钢调至同一铅垂面，再将右侧导轮靠紧，用全站仪复测型钢的垂直度，用导轮调整到位，控制型钢插放垂直度。

2.3移动式操作导向架现场实施

移动操作平台车移动方便，拥有插放3根型钢组的操作空间，型钢分组进行插置，根据插放型钢组的顺序移动到预定位置，单次前进距离为700 mm。每组阶段施工结束，通过预置轨道，转移到下组型钢插置工序位置，翻转使用，从而节约定位导向底架的用量与转移定位的时间。施工时将夹轨器与钢轨夹紧，必要时用垫木将行走轮固定，防止施工过程中导向架出现移动现象。操作导向组合机架，集操作平台、临时搁置平台、上下16组导轮于一体，可实现现场安全、快速及高精度的垂直度调节控制。通过在上海浦东机场三期配套工程现场进行试验，锁扣型钢下放安装过程的总垂直度控制精度在1/500内。

3 下放配套组件设计

3.1锁扣芯管组件

间断施工及首根锁扣型钢对接最终合拢侧设置芯管组件（图4），芯管组件用于填充900 mm×700 mm的GHR-I型钢组和900 mm×700 mm的GH-R型钢组的雌头圆筒内腔。型钢雌头内径为106 mm，芯管外径为83 mm。型钢起吊前，需在型钢雌头内放置好芯管，使芯管跟随型钢一起下放，防止型钢插放时雌头内进入硬物，并保护型钢止口，以免被泥浆灌入硬化固结导致雌头失效。

图4 标准芯管组件构造

此外，针对近接成槽施工侧，研发设计了1套带防护板芯管组件（图5），用于填充已开挖槽段最后一组型钢组雌头圆筒内腔，防止型钢止口在铣槽机工作时被铣削破坏。

图5 带防护板芯管组件构造

在芯管上下对接时，为防止下节芯管下坠及对接螺纹锁紧，采用芯管对接临时搁置板装置（图6）进行约束。该装置为U形槽口并结合螺杆螺栓进行调节锁定。

图6 芯管对接临时搁板示意

3.2悬吊组件

3.2.1 搁置梁

当型钢节段下放至上下节段连接位置时，将搁置梁穿过型钢上的搁置孔，使型钢暂时搁在搁置梁上，以方便上下型钢节段的螺栓连接（图7）。连接好上下型钢节段后，将型钢组整体往上吊起一小段，取掉型钢搁置梁，继续下放型钢组整体到合适高度，再次用搁置梁将型钢组搁置好。搁置梁采用20a#工字钢加工而成。

图7 搁置梁结构示意

3.2.2 吊梁组件

吊梁组件由中间垂直吊具和搁置吊梁组件组成（图8）。在最后一节型钢安装完成后，采用垂直固定于腹板处的吊具进行吊装。型钢下放到位后，由搁置吊梁组悬挂型钢于两侧翼板处。

图8 吊梁组件示意

搁置吊梁组件由吊钩、搁置可调螺母、搁置槽钢、吊板等组成（图9）。型钢组插放完毕后，用型钢固定吊梁将型钢固定在导梁上。吊梁为126 mm×53 mm槽钢双拼，吊钩直径36 mm。吊板与型钢连接，吊钩钩住吊板，通过调节螺母搁置在吊梁上。通过吊杆上的螺纹副可以对型钢4点高度进行微调，进一步调整型钢垂直度。待槽段内水泥土强度达到后，再拆除吊杆及吊梁。

图9 搁置吊梁组件示意

4 首根锁扣型钢斜撑调整固定装置

在地下连续钢墙的锁扣型钢插放过程中，首根型钢的插置定位与垂直精度会影响整个工程的施工质量与进度，因此对其位置与垂直精度的控制十分重要。

在首根型钢下放到位后，由于槽段水泥浆还未来得及初凝固定，如何使插入调垂好后的型钢保持良好的垂直度状态十分重要，同时首根锁扣型钢的固定约束及状态保持对于后续锁扣型钢的插入垂直度质量控制也有着关键影响。因此，研发设计一种地下连续钢墙工艺插放型钢时，首根锁扣型钢的调整斜撑固定装置，保证在地下连续钢墙插放锁扣型钢施工过程中首根型钢的插置垂直精度与牢靠固定。

连续钢墙首根锁扣型钢的调整固定装置（图10），包括转轴固定底座、转轴、斜撑杆、首根型钢专用顶节段。首根锁扣型钢专用顶节段通过连接板及螺栓固定连接在首根型钢的顶端，高于地面之上。首根锁扣型钢专用顶节段的上面固定连接转轴的固定底座及转轴；首根锁扣型钢专用顶节段与导墙之间连接有斜撑杆，通过首根锁扣型钢专用顶节段对首根型钢的垂直度进行调整，并予以固定。

图10 首根型钢斜撑调整固定装置

首根锁扣型钢专用顶节段装有高度可调的临时搁置棒座和专用挡轮，方便第2根型钢的插置。同时，斜撑杆通过配置左右倒顺丝牙的螺杆副调节长度，底部安装1副转轴座，一端与撑杆焊接，另一端用植筋螺杆固定在导墙上，用销轴相连，顶部通过横梁用螺栓与首根锁扣型钢专用顶节段的顶端相连。

当型钢插到位后，斜撑杆与转轴、转轴固定底座配合使用，对型钢进行调直，以此保证首根型钢的垂直度。

转轴安装在首根锁扣型钢专用顶节段的锁扣型钢翼缘板下部预留的安装孔内，并与型钢固定，转轴固定底座通过销轴套装在转轴两端的销孔位置处。

当首根型钢插放到首根锁扣型钢专用顶节段时，安装型钢连接板后，将转轴固定底座上穿转轴，随后继续下插型钢至转轴固定底座的底板接触到导墙为止，用植筋螺栓将转轴固定底座的底板固定。

转轴及转轴固定底座与斜撑杆配合使用，对型钢进行姿态调整，待型钢调直后在导墙上固定。

本斜撑固定装置的有益效果是：在地下连续钢墙锁扣型钢的插放过程中，首根锁扣型钢的插置定位与垂直精度控制影响整个工程的施工质量与进度。对首根型钢精准调直并固定，可为后续施工提供可靠基准，提高施工效率。

5 实施效果

结合水泥土地下连续钢墙配套机具，在上海浦东机场三期配套工程浦东机场站先后进行了3次现场成墙及锁扣型钢连续插放工艺试验。在成墙好后的槽段插入4节共48 m的锁扣型钢。通过配套机具的辅助导向及临时搁置，实现了锁扣型钢的快速下放及垂直度导向控制，每根型钢在1.5 h内安装及下放到位。较传统地下连续墙施工，大大减少了钢筋笼制作（1 d）及吊装（2 h）工序时间，提高了现场施工效率。经现场实时测量，锁扣型钢插放垂直度控制在1/500之内，确保了锁扣型钢连续插放的质量。

6 结语

1）针对水泥土地下连续钢墙施工，研究开发出一系列适应于地下水泥土连续钢墙的型钢插放、定位导向、固定吊梁、内插芯管、斜撑锁定等配套机具及设备，大大提高了水泥土地下连续钢墙的锁扣型钢现场装配式施工效率、安装精度及下放的垂直度。

2）本文研发的配套机具，主要应用在吊车吊装好后的型钢下放阶段，对于在净空受限环境下，不能使用吊机吊装型钢时，若能研制出低净空下集型钢吊装、安装及下放于一体的矮架机具，将会进一步提升水泥土连续钢墙的适用范围。后续也将对适用于低净空受限环境的配套机具进行进一步研发。