朱寶康

上海軌道交通十五號線發(fā)展有限公司 上海 200063

近年來，地下連續(xù)墻橡膠防水接頭在工程中的應用越來越廣泛[1-2]，相關的監(jiān)測和檢測結果說明，鋼片橡膠防水接頭（以下簡稱“GXJ”）可顯著提高地下連續(xù)墻的防滲漏效果[3-4]。

與傳統(tǒng)地下連續(xù)墻鎖口管接頭和工字鋼接頭相比，GXJ因其內(nèi)部的橫向連續(xù)轉折曲線和縱向橡膠止水帶對地下水滲流線路有一定的延長作用，不僅在止水效果方面較其他接頭工藝更好，而且能有效治理接頭夾泥現(xiàn)象，具有成本低、操作簡單等優(yōu)點[5-7]。

縱觀GXJ的實際應用與相關研究，目前國內(nèi)地下連續(xù)墻GXJ施工中，還未有將自動化液壓控制系統(tǒng)應用在接頭箱內(nèi)的先例，實際施工多采用木楔將止水帶卡緊，技術水平較低，施工過程中需使用挖機和吊車等機械進行配合，且開挖過程中極易出現(xiàn)滲漏水的情況，造成堵漏費用增加和工期延誤。為此，依托實際工程項目，對地下連續(xù)墻GXJ液壓固定施工技術展開研究。

上海軌交15號線錦秋路站鄰近既有軌交7號線的車站及區(qū)間隧道，對基坑開挖過程中的變形控制及滲漏控制要求較高，采用地下連續(xù)墻GXJ液壓固定施工技術，有效地提高了GXJ在實際應用中的止水效果，減小了基坑開挖過程中的變形。

1 伺服液壓系統(tǒng)設計

GXJ接頭箱施工時，由地面的伺服液壓控制臺發(fā)出指令，油泵泵出帶壓液體，經(jīng)由膠管流入接頭箱內(nèi)置的液壓缸中，通過活塞桿推動夾片，完成對止水帶的夾緊、松脫。為完成這一系列操作，需要根據(jù)工況設計一套較為合理的液壓伺服系統(tǒng)。

液壓伺服系統(tǒng)即在液壓控制系統(tǒng)中增加伺服控制閥，其作用為將非液壓信號轉變成液壓信號，將小的輸入信號功率轉為大的輸出功率，其工作原理是對實際工作狀態(tài)和理論工作狀態(tài)的偏差進行反饋，通過伺服控制閥對反饋信號進行處理放大，并自動進行調整，形成閉環(huán)控制。

1.1 工況識別

液壓系統(tǒng)中動力元件、執(zhí)行元件的選取主要根據(jù)工況特點確定。本工況特點為輸出壓力較小，只需將止水帶夾緊，保證在運輸過程中不掉落即可，執(zhí)行元件只做往返運動，對輸出速度無要求。工作環(huán)境較好，沒有極端溫度的情況。

1.2 動力元件、執(zhí)行元件的選取

動力元件采用齒輪泵，工作壓力較低，結構簡單，維護方便，使用壽命長。

執(zhí)行元件采用單桿活塞式液壓缸，該種油缸適用于伸出時承受工作載荷，縮回時為空載或輕載的場合，與本工況相吻合。

1.3 伺服液壓系統(tǒng)工作參數(shù)選取

在選擇液壓系統(tǒng)前，應根據(jù)施工工況確定適宜的液壓系統(tǒng)尺寸及工作參數(shù)，其中壓力和流量是液壓傳動中2個最重要的參數(shù)。壓力取決于負載，流量決定執(zhí)行元件的運動速度。

1.3.1 負載F

GXJ施工過程中，液壓系統(tǒng)的作用是通過夾片將止水帶夾緊，即通過對止水帶施加壓力，使得當止水帶在重力作用有向下掉落的傾向時，產(chǎn)生摩阻力阻止止水帶的掉落。根據(jù)此原則，計算出止水帶受到的最小壓力，同時考慮1.8的冗余系數(shù)，則負載為夾片所受到的反力（即負載）F按式（1）計算。

式中：λ——摩阻因數(shù)；

m——止水帶質量；

g——重力加速度。

1.3.2 液壓缸內(nèi)徑D

液壓缸內(nèi)置于接頭箱內(nèi)，其尺寸受到接頭箱尺寸的限制，故根據(jù)接頭箱內(nèi)密封艙的大小來確定油缸的內(nèi)徑D，D的取值需考慮兩點因素：

1）D不能過小，否則會造成液壓缸內(nèi)壓力過大。

2）D不能過大，否則會造成缸筒長度L過大，使液壓缸無法放置于接頭箱內(nèi)，缸筒長度L由最大工作行程長度加上各種結構需要來確定〔式（2）〕。

式中：l——活塞的最大工作行程；

B——活塞寬度，一般為（0.6～1.0）D；

A——活塞桿導向長度，?。?.6～1.5）D；

M——活塞桿密封長度，由密封方式?jīng)Q定；

C——其他長度。

內(nèi)徑D取值應使內(nèi)置液壓缸的缸筒長度L最大。

1.3.3 液壓缸活塞桿徑d

活塞桿的桿徑按照拉、壓強度確定，具體可按照式（3）進行計算。

式中：[σ]——材料的許用屈服應力。

1.3.4 油缸內(nèi)壓力P

為抵抗負載，油缸（無活塞桿端）內(nèi)壓力可按式（4）進行計算。

式中：β——負荷率，表示油缸產(chǎn)生的力不會全部用于抵抗 負載，通常取1.3。

因工況中對速度無要求，這里不考慮加速度的影響。

上述參數(shù)確定后，即可初步選擇合適規(guī)格的執(zhí)行元件，選用的缸筒應滿足如下技術要求：缸筒內(nèi)孔一般采用H8級公差，表面粗糙度一般在0.2 μm左右。缸筒內(nèi)徑的錐度、圓柱度不大于內(nèi)徑公差的1/3。缸筒直線度公差在1 000 mm長度上不大于0.1 mm。缸筒端面對內(nèi)徑的垂直度在直徑100 mm上不大于0.04 mm。

1.3.5 有壓液體的選擇

目前常用的液壓油主要有4類：

1）HL液壓油主要用于對潤滑油無特殊要求，環(huán)境溫度在0 ℃以上的各類機械設備循環(huán)系統(tǒng)的潤滑。

2）抗磨液壓油（HM液壓油）主要用于重負荷、中壓、高壓的葉片泵、柱塞泵和齒輪泵的液壓系統(tǒng)。

3）HR、HG液壓油。HR液壓油是在環(huán)境溫度變化大的中低壓液壓系統(tǒng)中使用的液壓油，HG液壓油主要適用于各種機床液壓和導軌合用的潤滑系統(tǒng)或機床導軌潤滑系統(tǒng)及機床液壓系統(tǒng)。

4）HV低溫液壓油主要用于寒區(qū)或溫度變化范圍較大和工作條件苛刻的工程機械。

根據(jù)實際工況，在地下連續(xù)墻接頭箱施工過程中，液壓系統(tǒng)的負載較小，沒有極端的環(huán)境溫度，故選用HL液壓油。

1.3.6 液壓泵輸出壓力Fo

液壓系統(tǒng)壓力在管路中有一定的沿程損失和局部損失，油管長度既要保證吊裝高度又要保證地下埋深，同時還要有一定的盈余。油管使用前必須檢查其合格證，必要時應做嚴密性試驗。液壓泵的輸出壓力應在扣除壓力損失的條件下仍能滿足執(zhí)行元件的工作需求，故Fo＝F＋ΔF，液壓系統(tǒng)的壓力損失ΔF按式（5）～式（7）計算。

式中：d——液壓油管內(nèi)徑；

ΔF1——沿程壓力損失；

ΔF2——局部壓力損失；

ρ——介質密度；

l——油管長度；

ζ——局部阻力系數(shù)；

v——液壓油流動速度。

λ和ξ為計算系數(shù)，可在相關手冊上查詢，ρ及v則根據(jù)介質類型、流量、過流面積確定。

液壓系統(tǒng)壓油管道的推薦速度為3～6 m/s，計算時v取值6 m/s，d取值20 mm，l根據(jù)實際工況和每節(jié)接頭箱深度取值，即可求得壓力損失，從而計算出液壓泵的輸出壓力Fo，輸出壓力確定后即可初步選取液壓泵，液壓泵的額定壓力應不小于輸出壓力的1.5倍。

1.3.7 流量Q

液壓泵初步選定后，流量按式（8）確定：

式中：q——油泵的排量；

n——原動機的額定轉速；

λ——容積效率，表示真實吸入的液壓油體積與液壓 缸容積的比值。

Q確定后還需對執(zhí)行機構的速度和管道尺寸按式（9）進行核算：

若此速度超過油缸允許的最大速度，則表明油泵在實際施工中需要下調流量。

1.3.8 液壓管道內(nèi)徑確定

膠管內(nèi)徑要適當，管徑過小會加大管路內(nèi)介質的流速，使系統(tǒng)發(fā)熱，降低效率，而且會產(chǎn)生過大的壓力降，影響整個系統(tǒng)的性能。油管的規(guī)格（內(nèi)徑）按式（10）進行計算：式中：Q——管內(nèi)流量；

v——管中油液的流速，壓力管的速度可以在3～ 6 m/s之間進行選擇。為方便計算，v一般取6 m/s， 從而確定管道內(nèi)徑。

2 止水帶截面優(yōu)化

傳統(tǒng)止水帶截面形式與混凝土接觸面積有限，在接頭箱剝離時若時間和施工方式控制不當，易造成止水帶脫離先期混凝土。

為增大止水帶與混凝土的接觸面積，增強與先期混凝土的黏結力，將傳統(tǒng)止水帶截面形式進行優(yōu)化（圖1），優(yōu)化后止水帶與先期混凝土面的接觸面積增大一倍，加強了地下連續(xù)墻施工過程中止水帶與混凝土連接的牢固性，同時與液壓系統(tǒng)相配合，保證了地下連續(xù)墻接頭止水性完好。

圖1 優(yōu)化后止水帶截面示意

3 接頭箱改裝設計

接頭箱結構形式如圖2所示，外框采用鋼板焊接而成，液壓缸內(nèi)置于接頭箱內(nèi)。加壓時，活塞桿向前推進，夾片向中間擠壓，對止水帶施加壓力，夾緊止水帶；改變油路后，活塞向后運動，夾片遠離止水帶。此種工作方式對止水帶安置槽鋼板材質的彈性有一定要求，既要在一定的壓力下易產(chǎn)生彈性變形，又不易產(chǎn)生損壞，故此部分材料采用厚5 mm的U形合金彈簧鋼，此種材料具有高的屈服點和屈強比（σs/σb）、彈性極限、抗疲勞性能，以保證彈簧有足夠的彈性變形能力并能承受較大的荷載。同時還具有一定的塑性與韌性，一定的淬透性，不易脫碳及不易過熱。

圖2 加裝液壓裝置接頭箱結構示意

為方便液壓缸的拆卸維護，液壓缸與接頭箱之間采用“之”字形鋼板卡槽＋螺栓的方式連接固定，同時每節(jié)接頭箱的兩端預留檢修孔并設置保護蓋，保護蓋與接頭箱采用螺紋連接，并在接縫外涂一圈遇水膨脹膠。

外部沿接頭箱縱向焊接一條C型鋼作為油管槽，槽上每3 m設置一處卡榫用于固定外露的油管，槽內(nèi)在油缸位置留置油管孔并安裝2個螺紋軟管防水接頭，方便每個液壓缸上連接2根油管。

為方便施工，采用分節(jié)拼裝的方式安放接頭箱，每節(jié)長度為9 m，在兩端頭分別設置一組液壓夾片，這兩組液壓夾片由同一個液壓泵控制，每組夾片產(chǎn)生的摩阻力應不小于4.5 m止水帶受到的重力。為保證夾片能夠將止水帶夾緊，同時又不損壞止水帶，經(jīng)過計算及驗證，扣除壓力損失的工作壓力至少應達到1.0 MPa。

4 接頭箱連接及維護

采用定制的整體式空倉接頭箱，接頭箱材料為Q235B鋼，接頭箱寬度與地下連續(xù)墻設計寬度一致。為方便安拆，接頭箱間的拼接采用“雌雄頭＋螺栓”形式。

螺栓的軸向拉力載荷應滿足工況要求，根據(jù)國家標準GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》中相關參數(shù)，選擇8.8級M16高強螺栓，螺栓進場后應有檢測合格報告。

接頭箱的機械加工精度須達到IT5級。接頭箱拼接前，需選取一塊區(qū)域作為拼接臺，提前采用厚10 cm的混凝土硬化找平，確?；炷另斆鏄烁咭恢?；吊裝前需檢查液壓系統(tǒng)與接頭箱連接是否牢固，無誤后將接頭箱平放在預先加工好的拼接限位模具中，采用千斤頂推動接頭箱，使其相互靠近，然后采用螺栓連接，檢查錯邊量，最后在接頭部位四周貼防水膠條，防止?jié)B水。

鑒于工作環(huán)境特殊，每施工10幅地下連續(xù)墻應對接頭箱進行一次全面維護，主要檢查以下幾點：

1）油管及各個接頭是否有滲漏現(xiàn)象，如有問題，需及時進行更換。

2）打開檢修孔上的保護蓋，從內(nèi)部檢查接頭箱是否有破損、滲漏現(xiàn)象，并對破損處及時修補。

3）空載運行液壓系統(tǒng)，檢查執(zhí)行元件液壓缸是否存在隱患，止水帶安置槽是否有塑性變形，如有問題，需及時進行更換。

4）對伺服液壓系統(tǒng)進行維護保養(yǎng)。

5 施工參數(shù)和方案有效性的確定

若接頭箱內(nèi)滲水會影響油缸的工作性能，減少其壽命，而且每節(jié)接頭箱兩端的檢修孔在制作時可能存在滲水隱患，為了驗證接頭箱的密閉性，需通過加壓泵模擬水下壓力環(huán)境進行試驗。根據(jù)實際工況，試驗壓力由水壓力和混凝土側向壓力兩部分組成，按式（11）～式（13）進行計算。

6 結語

針對地下連續(xù)墻GXJ在實際施工中易出現(xiàn)止水帶松脫、接頭箱拆除困難、止水帶損壞等情況，借助上海軌交15號線錦秋路站項目開展科技攻關，對原有技術進行改進，創(chuàng)造性地將液壓系統(tǒng)內(nèi)置于GXJ接頭箱內(nèi)，利用液壓系統(tǒng)自動夾緊和脫離止水帶，保證了地下連續(xù)墻GXJ應有的止水質量，提高現(xiàn)場施工的機械化、自動化程度，減小土方開挖過程中因漏水造成的安全隱患，避免工期延誤，進而有效節(jié)約成本，值得推廣應用。