薛信愷 霍同乾 杜君 徐浩

（作者單位：薛信愷、徐浩，中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司；霍同乾、杜君，中國電建集團(tuán)武漢重工裝備有限公司）

一、研究背景與意義

傳統(tǒng)的各類工程基槽回填施工過程中通常會(huì)遇到基坑開挖后基槽回填空間狹窄、回填深度較大、鋼板樁拔除后產(chǎn)生縫隙、回填土需分層夯實(shí)并且夯實(shí)質(zhì)量不穩(wěn)定、回填用石粉渣采購成本高以及現(xiàn)場渣土的外運(yùn)處理問題等。

針對(duì)管網(wǎng)基槽開挖后的這一系列問題，中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司自2016年來開展了超軟弱地層管網(wǎng)基槽加固及流動(dòng)化土填筑技術(shù)研究，提出了采用流動(dòng)化處理工法對(duì)基坑及縫隙進(jìn)行回填。所謂的流動(dòng)化處理工法就是對(duì)基坑開挖后原有的基土通過添加一定比例的固化材料、調(diào)整含水率，攪拌形成具有一定流動(dòng)性的回填材料從而進(jìn)行回填施工。流動(dòng)化土處理工法成本低、施工工藝簡單、回填效果較好，適用范圍廣泛。相關(guān)課題經(jīng)過多個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場施工試驗(yàn)，流動(dòng)化土承載性能得到了驗(yàn)證，流動(dòng)化土填筑技術(shù)逐漸被充分掌握。然而受限于無專業(yè)施工設(shè)備，該技術(shù)工程運(yùn)用時(shí)存在效率低、勞動(dòng)力強(qiáng)度大等問題，因此流動(dòng)化土填筑施工專用設(shè)備的研發(fā)迫在眉睫。

二、城市棄土再生建材施工專用設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)流動(dòng)化處理工法現(xiàn)場施工時(shí)的實(shí)際情況，相關(guān)施工設(shè)備必須具備土方破碎、泥土攪拌以及流動(dòng)化土澆筑功能。根據(jù)實(shí)際需求，相關(guān)方組織開展了流動(dòng)化土填筑技術(shù)工程運(yùn)用設(shè)備專項(xiàng)研究，研發(fā)設(shè)計(jì)出第一代城市棄土再生建材施工專用設(shè)備，如圖1所示。

圖1 城市棄土再生建材施工專用設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.工作原理

挖掘機(jī)挖掘出的泥土經(jīng)過初步篩選，篩選掉泥土中所含的垃圾（如樹枝、塑料布等）和大石塊；然后將泥土倒入臥式雙軸土方破碎裝置中破碎，破碎后的泥土下落至破碎裝置下方的皮帶輸送機(jī)上，然后輸送進(jìn)入立軸行星攪拌機(jī)內(nèi)。立軸行星攪拌機(jī)可快速、高效地完成泥土與早強(qiáng)劑、水及其他添加劑的攪拌，制備成流動(dòng)化土。攪拌機(jī)底部設(shè)置有卸料開閉裝置，攪拌完成后，開啟卸料開閉裝置，流動(dòng)化土通過攪拌機(jī)下方的出料澆筑裝置回填至管網(wǎng)基坑中，從而完成流動(dòng)化土的澆筑、回填。立軸行星攪拌機(jī)安裝在牽引式行走機(jī)構(gòu)上，可前行、后退、轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)式澆筑回填工作。

2.具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

城市棄土再生建材施工專用設(shè)備是一種集土方破碎與輸送、流動(dòng)化土制備與澆筑為一體的流動(dòng)化土回填施工專用設(shè)備。該設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括土方破碎裝置、輸送進(jìn)料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、牽引式行走系統(tǒng)、出料澆筑系統(tǒng)等。

（1）土方破碎裝置

目前常見的破碎機(jī)主要有顎式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、輥式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)等，此類破碎機(jī)主要用于石塊等堅(jiān)硬干燥物料的破碎，用于泥土破碎容易在破碎機(jī)內(nèi)附著，并堵塞出料口。因此本設(shè)備的土方破碎裝置采用臥式雙軸土方破碎機(jī)，該破碎機(jī)主要是通過飛速旋轉(zhuǎn)的破碎刀片的切削力實(shí)現(xiàn)土方的破碎。其最大破碎硬度為0.75MPa，平均破碎能力可達(dá)80m3/h。

（2）輸送進(jìn)料系統(tǒng)

經(jīng)土方破碎裝置破碎后得到的碎土需要通過合適的輸送進(jìn)料系統(tǒng)運(yùn)送到攪拌設(shè)備中。目前常見的輸送進(jìn)料方式有皮帶輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、鏈斗提升機(jī)等，通過綜合考慮設(shè)備成本、輸送效率以及輸送物料的特性等因素，該設(shè)備采用B650-7.7型皮帶輸送機(jī)進(jìn)行輸送進(jìn)料。帶式輸送機(jī)具有構(gòu)造簡單、工作可靠、自重較輕、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。B650-7.7型皮帶機(jī)帶寬為1米，輸送能力為100m3/h。

（3）攪拌系統(tǒng)

流動(dòng)化土制備過程中需要將土、水、少量的水泥以及添加劑進(jìn)行混合攪拌。由于制備好的流動(dòng)化土具有一定粘度容易在攪拌釜內(nèi)附著，并且在此成分配比的情況下，粘土在常規(guī)攪拌過程中會(huì)粘結(jié)成團(tuán)，影響流動(dòng)化土的勻質(zhì)性。因此本設(shè)備采用的是一種包含有高速攪拌裝置的立軸行星式攪拌機(jī)，可對(duì)泥團(tuán)進(jìn)行高速切削，能有效避免粘結(jié)成團(tuán)，保證均勻性。

該攪拌機(jī)通過安裝在專門設(shè)計(jì)的傳動(dòng)盤上的攪拌工具和刮料工具，實(shí)現(xiàn)攪拌桶內(nèi)零死角攪拌。攪拌機(jī)整機(jī)傳動(dòng)平穩(wěn)，攪拌效率高，攪拌勻質(zhì)性高、密封好不漏料、耐用性強(qiáng)、檢修空間大。該攪拌機(jī)的額定單次處理量為1.5立方，單次攪拌時(shí)間僅需30秒。

（4）牽引式行走系統(tǒng)

城市棄土再生建材施工專用設(shè)備采用輪式行走結(jié)構(gòu)，自身不具備動(dòng)力，通過外部動(dòng)力牽引行走，其具有更好的操作靈活性，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單，易滿足施工現(xiàn)場環(huán)境要求。

（5）出料澆筑裝置

攪拌機(jī)下方設(shè)置出料澆筑系統(tǒng)，當(dāng)攪拌機(jī)底部的閘閥開啟后，攪拌機(jī)內(nèi)的流動(dòng)化土通過溜槽流入基坑，防止直接落下?lián)p壞管涵，并且出料澆筑系統(tǒng)的長度和角度可調(diào)，可適應(yīng)深坑和淺坑等不同工作環(huán)境。

3.技術(shù)特點(diǎn)

城市棄土再生建材專用施工設(shè)備的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）工作效率高，本設(shè)備每小時(shí)填筑量≥30立方米。

（2）整體性攪拌回填設(shè)備集解土、輸送、攪拌和回填澆筑于一體。

（3）設(shè)備安裝在牽引式行走機(jī)構(gòu)上，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)式攪拌、回填和澆筑。

（4）具備土塊分解功能，提升攪拌性能、物料流動(dòng)性和回填密實(shí)度。

（5）攪拌機(jī)采用立軸行星多軌跡攪拌方式，攪拌勻質(zhì)性高、攪拌效率高。

4.效益分析

相對(duì)于傳統(tǒng)的石粉渣回填工藝以及人工進(jìn)行流動(dòng)化土回填，城市棄土再生建材施工專用設(shè)備的使用具有十分明顯的優(yōu)勢。

（1）采用本設(shè)備可節(jié)約采購和處理成本：傳統(tǒng)石粉渣回填需要采購石粉渣，目前石粉渣的市場價(jià)格一般在130元/立方左右，而采用該設(shè)備的回填模式不需要采購石粉渣；石粉渣回填工藝中，現(xiàn)場開挖出來的渣土需要外運(yùn)處理，目前處理費(fèi)約為120元/噸，而采用該設(shè)備施工則現(xiàn)場80%的渣土可再生利用，大大地節(jié)約了渣土處理費(fèi)用。

（2）采用本設(shè)備可節(jié)約施工成本：據(jù)了解，目前流動(dòng)化土回填施工主要靠人力，大約需要10～15人，而采用本設(shè)備后，施工現(xiàn)場最多只需5人，可減少5～10人的工作量。按人均每天300元計(jì)算，可節(jié)省人力成本1500～3000元。

（3）采用城市棄土再生建材施工專用設(shè)備可明顯提高工作效率，本設(shè)備每小時(shí)可制備并澆筑流動(dòng)化土30立方以上。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

圖2 城市棄土再生建材施工專用設(shè)備現(xiàn)場施工圖

城市棄土再生建材施工專用設(shè)備經(jīng)過多次廠內(nèi)試驗(yàn)后，性能相對(duì)穩(wěn)定，基本具備生產(chǎn)現(xiàn)場施工的能力。為了現(xiàn)場驗(yàn)證該設(shè)備的實(shí)際使用性能，尋找該設(shè)備的不足與改進(jìn)方案，探索與城市棄土再生建材施工專用設(shè)備配套的相關(guān)施工工藝，設(shè)備于2019年7月在東莞市塘廈鎮(zhèn)城市管網(wǎng)改造現(xiàn)場進(jìn)行了52批次的流動(dòng)化土回填施工試驗(yàn)，完成了四段共計(jì)43m的管網(wǎng)基槽的流動(dòng)化土回填施工，回填質(zhì)量優(yōu)良，回填效率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1.試驗(yàn)過程

在第一代城市棄土再生建材施工專用設(shè)備正式進(jìn)行流動(dòng)化土回填試驗(yàn)前需進(jìn)行一系列前期的施工準(zhǔn)備。首先是施工巷道的開挖與支護(hù)，取土的同時(shí)防止塌方；其次按相關(guān)要求完成管道及豎井的安裝施工；最后是管道的固定。

在試驗(yàn)過程中，對(duì)于每個(gè)批次的流動(dòng)化回填土都取樣進(jìn)行了坍落度的現(xiàn)場檢測，同時(shí)每個(gè)批次都留樣用于后期的承載能力測試。由于本項(xiàng)目中采用的是橡膠管道，流動(dòng)化回填土為流體并且基坑中滲水嚴(yán)重，在澆筑過程中出現(xiàn)了浮管的問題。經(jīng)現(xiàn)場討論得出永久性填充物、箍體固定以及二次澆筑三種解決方案，處理后管道均未出現(xiàn)明顯上浮。

2.試驗(yàn)結(jié)果

圖3 施工前后對(duì)比圖

本次現(xiàn)場試驗(yàn)整體效果較好，試驗(yàn)過程及結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，得到了現(xiàn)場各方面的一致肯定。通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)城市棄土再生建材施工專用設(shè)備單批次的最大處理量為2.5立方；單批次所需時(shí)間約為5分鐘，其中主要制約因素為進(jìn)水速度，整機(jī)效率接近基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，后期通過改進(jìn)進(jìn)水方式可以明顯提升生產(chǎn)效率。經(jīng)后期檢測發(fā)現(xiàn)流動(dòng)化土回填施工的CBR值為16.69%，大于設(shè)計(jì)要求的8%，滿足承載要求。

四、總結(jié)與展望

根據(jù)流動(dòng)化土回填施工的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)出用于流動(dòng)化土施工的城市棄土再生建材施工專用設(shè)備，該設(shè)備集土方破碎、流動(dòng)化土制備和澆筑為一體，極大地減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了流動(dòng)化土施工效率，節(jié)約了施工成本，完成了相關(guān)設(shè)計(jì)目標(biāo)，成功地解決了現(xiàn)場實(shí)際問題。

雖然城市棄土再生建材施工專用設(shè)備達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該設(shè)備依舊存在一些局限與不足。首先，設(shè)備自身沒有動(dòng)力源，無法自行走，需要外部動(dòng)力牽引；其次，水泥上料時(shí)的人工勞動(dòng)強(qiáng)度較大，可進(jìn)一步改進(jìn)；再次，現(xiàn)場土中常常含有較多石塊，而設(shè)備破碎能力有限，適應(yīng)性較差；最后，第一代設(shè)備的智能化程度較低。這些不足之處均為第二代城市棄土再生建材施工專用設(shè)備的研發(fā)提供了方向。