馬章歷，楊東河，王國(guó)偉，陳 偉，劉 珂，薛 磊，何繼蘭，王 麗，趙元斌

（1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濟(jì)南 250000；2.山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

地下連續(xù)墻成槽施工時(shí)，軟質(zhì)地層往往采用抓斗式成槽機(jī)械，槽孔可以直接成型；在硬質(zhì)地層，可以采用一種工藝一次性成槽，也可以采用2 種或2種以上工藝配合成槽。一次性成槽多選用雙輪銑，該設(shè)備施工效率高，但采購(gòu)、使用和維護(hù)成本較高，多數(shù)情況下還是多種工藝配合成槽，雖然施工效率低，但施工設(shè)備（多為旋挖鉆機(jī)和沖擊鉆機(jī)配合）使用成本比較低。

方形錘頭是地下連續(xù)墻多種工藝配合成槽最后一道工序的鉆具，用于最后成槽的修孔和掃孔。地下連續(xù)墻施工時(shí)，前期槽孔多為旋挖鉆機(jī)或者單繩沖擊鉆機(jī)施工的圓柱形槽孔，按一定尺寸在槽段內(nèi)沿直線分布，槽孔邊緣處并非相交，而是有一定的距離，同時(shí)槽孔四周邊角處也存在未施工到的部分，這就需要沖擊鉆機(jī)牽引方形錘頭進(jìn)行沖擊作業(yè)，把上述提到的地方進(jìn)行二次施工（修孔），以便槽孔成為標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)墻槽段孔［1-3］。

1 研究現(xiàn)狀

近幾年，隨著各大城市地鐵、商場(chǎng)類建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加，地下連續(xù)墻工法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)施工設(shè)備及輔助類錘頭的需求也日益增加。然而，工程施工中用于硬質(zhì)地層地下連續(xù)墻二次修孔的方形結(jié)構(gòu)錘頭，卻并未有專業(yè)廠家生產(chǎn)［4-5］。目前，施工單位采用的方形結(jié)構(gòu)錘頭，多是在鑄造四爪圓形錘頭基礎(chǔ)上改造而來(lái)（見圖1、圖2）。

圖1 改造的方形錘頭上端Fig.1 Upper part of the modified chisel

圖2 改造的方形錘頭底部Fig.2 Bottom part of the modified chisel

其結(jié)構(gòu)一般如下：錘頭底部四爪周邊按尺寸規(guī)格排列矩形板，組成一個(gè)矩形框體，矩形板內(nèi)側(cè)與四爪相接，兩者焊接成整體，矩形板底部焊接錘牙；上方則用4 個(gè)斜長(zhǎng)筋板把矩形板和圓錘頭四爪肋板相連，然后焊接成整體；打撈則是在2 個(gè)斜筋板之間焊接鋼筋制成的U 形環(huán)。這種改造的錘頭優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易修補(bǔ)；缺點(diǎn)是尺寸和質(zhì)量大小往往受限于圓錘頭，很難達(dá)到理想的要求，而且U 形打撈環(huán)在施工過(guò)程中也容易出現(xiàn)被磕碰掉現(xiàn)象，同時(shí)下方加裝的矩形板高度過(guò)大且不帶有任何傾角，使用過(guò)程中卡鉆現(xiàn)象非常普遍。由此可見，這種改造的方形結(jié)構(gòu)錘頭，缺點(diǎn)明顯，在實(shí)際使用過(guò)程中施工效率并不高。從施工應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，市場(chǎng)亟需一種為地下連續(xù)墻修孔而生產(chǎn)的專業(yè)方形結(jié)構(gòu)錘頭。

2 方形錘頭設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)新型方形錘頭，首要問(wèn)題是要解決錘頭設(shè)計(jì)思路問(wèn)題。通過(guò)前期市場(chǎng)調(diào)查，特別是了解了改造方形錘頭應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)后，新型方形錘頭需要從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、打撈問(wèn)題及如何防止卡錘等幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化［6-10］。

2.1 材料選擇

目前施工單位采用的改造方形錘頭，多是在鑄造四爪圓錘頭基礎(chǔ)上改造而成。鑄造圓錘頭材料一般采用ZG310-570，屈服強(qiáng)度為310 MPa，抗拉強(qiáng)度為570 MPa。改造附加的矩形鋼板材料一般為Q235B，屈服強(qiáng)度235 MPa，抗拉強(qiáng)度370～500 MPa。從兩種材料的力學(xué)性能對(duì)比來(lái)看，力學(xué)性能差距大，進(jìn)而導(dǎo)致兩者焊接性能差，使用過(guò)程中容易出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象。鑒于此情況，決定新型方形錘頭統(tǒng)一材料規(guī)格，成型方式全部采用焊接而成。綜合考慮，新型方形錘頭采用了Q345B 作為錘頭框架主體材料。之所以選擇Q345B 作為框架主體材料，一方面是因?yàn)镼345B 是一種低碳合金鋼，具有較好的力學(xué)性能，且與目前市場(chǎng)中常用的鑄造錘頭材料ZG310-570 力學(xué)性能相近；另一方面是因?yàn)樽鳛榈吞己辖痄?，其焊接性能好，可有效避免焊縫開裂現(xiàn)象，而且制造成本也相對(duì)較低。ZG310-570 和Q345B 兩種材料的力學(xué)性能對(duì)比見表1。

表1 材料力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Comparison of mechanical properties

從表1 中可以看出，ZG310-570 和Q345B 兩種材料的力學(xué)性能接近，甚至Q345B 力學(xué)性能略好。選擇Q345B 作為新型方形錘頭框架主體材料，不僅保證了新型錘頭母體整體框架強(qiáng)度，同時(shí)又解決了因兩種不同材料存在性能差異過(guò)大引起的焊縫應(yīng)力集中開裂現(xiàn)象。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錘頭結(jié)構(gòu)合理與否，是影響錘頭施工效率的最重要因素，通過(guò)多次的施工現(xiàn)場(chǎng)考察總結(jié)，結(jié)合我們多年的錘頭生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)好的錘頭應(yīng)當(dāng)具備以下3 個(gè)因素：良好的導(dǎo)向性、單位面積沖擊力高以及過(guò)水面積大。因此，制造新型方形錘頭，決定從這3 個(gè)方面著手設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。

2.2.1錘頭導(dǎo)向性

錘頭導(dǎo)向性越好，錘頭上提和沖擊時(shí)就越順暢，就越能避免卡錘和埋錘現(xiàn)象產(chǎn)生，降低發(fā)生事故的概率，也就相應(yīng)提高了有效工作時(shí)間和施工效率。目前，施工單位采用的改造方形錘頭，在錘頭導(dǎo)向性方面存在著2 方面的不足，一是改造方形錘頭是在鑄造圓錘頭基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，因此，其牽引方式承襲了鑄造圓錘頭的牽引方式，錘頭頂部由一根鋼絲繩牽引。這種牽引方式，錘頭破碎沖擊時(shí)，垂直穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生擺動(dòng)，特別是遇到硬質(zhì)巖層，擺動(dòng)幅度更大，錘頭來(lái)回?cái)[動(dòng)，極易導(dǎo)致錘頭卡錘現(xiàn)象。為避免此種現(xiàn)象，設(shè)計(jì)新型方形錘頭時(shí)，我們將牽引方式由單繩牽引改為了雙繩牽引，與之匹配的鉆機(jī)可以采用山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)。雙繩牽引，垂直穩(wěn)定性高，擺動(dòng)幅度小，能有效降低卡錘概率。二是，為了盡可能增重，改造方形錘頭底部加裝的矩形板，高度較大，且四邊未帶傾角，沖擊時(shí)，與地下連續(xù)墻墻壁接觸面積較大，無(wú)形中也增加了卡錘概率。鑒于此，新型方形錘頭一方面4個(gè)圍板高度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，另一方面，圍板側(cè)面都設(shè)計(jì)有5°～10°的傾角，減小與墻面的接觸面積，便于錘頭提拉沖擊順暢。

2.2.2單位面積沖擊力

錘頭作為施工鉆具，施工時(shí)沖擊破碎巖石的力，主要來(lái)自自身自由落體產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能。理論上講，錘頭越重，錘頭面積一定的情況下，單位面積沖擊力越高，施工效果也就越好。但錘頭質(zhì)量不能無(wú)限增加，其質(zhì)量往往受限于與之匹配的鉆機(jī)提升能力。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的改造方形錘頭，限制于單繩鉆機(jī)提升力以及改造結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量最多在5～6 t；而新型方形錘頭，若采用山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)牽引，根據(jù)鉆機(jī)主油缸提升能力，錘頭質(zhì)量可以設(shè)定為8 t。假若2 種錘頭同時(shí)施工墻厚1 m 的地下連續(xù)墻，根據(jù)目前一幅連續(xù)墻6 m 的設(shè)定，錘頭長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為2 m 左右，其底部面積大約為1.6 m2，改造錘頭最大單位面積的沖擊力37.5 kN/m2，新型方形錘頭單位面積的沖擊力則為50 kN/m2，與改造方形錘頭相比，單位面積沖擊力最少能提升30%。

2.2.3過(guò)水面積比例

此處所講的過(guò)水面積比例是指錘頭底部空檔面積與錘頭底部總面積之比。眾所周知，地下連續(xù)墻成槽施工時(shí)，槽內(nèi)一般都是充滿泥漿，這些泥漿一方面起到護(hù)壁作用，另一方面把錘頭沖擊下來(lái)的渣石帶到地面上。由于泥漿的存在，錘頭在沖擊下落過(guò)程中，泥漿會(huì)對(duì)錘頭產(chǎn)生一定的浮力，若是錘頭過(guò)水面積比例過(guò)小，泥漿不能及時(shí)從錘頭空檔處排出，錘頭的沖擊動(dòng)能則會(huì)大打折扣，尤其是深孔沖擊時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。綜合考慮錘頭底部尺寸以及錘牙分布情況，將過(guò)水面積比例設(shè)定在60%左右，這樣既能保證泥漿的及時(shí)排出，又能保證錘牙的合理分布，有效破碎巖石。

2.3 打撈結(jié)構(gòu)

在地下連續(xù)墻成槽施工過(guò)程中，由于地層復(fù)雜多變，難免會(huì)出現(xiàn)錘頭掉落到槽孔內(nèi)的現(xiàn)象。一旦發(fā)生錘頭掉落到槽內(nèi)，就需要打撈錘頭，此時(shí)，錘頭打撈處設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響到打撈效率。目前市場(chǎng)上應(yīng)用的改造方形錘頭多是在鑄造圓錘頭斜肋板上焊接2 個(gè)U 型環(huán)（參照?qǐng)D1），這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是打撈面積有限，而且在施工過(guò)程中易與槽壁發(fā)生磕碰，被磕掉的概率很高，需要頻繁焊接，降低了打撈效率。新型方形錘頭則是采用了鋼絲繩打撈方案，在錘頭上部分中間主板上左右兩側(cè)對(duì)稱開孔，沿孔布置一圈鋼絲繩，卡子卡緊。鋼絲繩圍成的內(nèi)截面小于錘頭底部面積，這樣不僅增大了打撈面積，也降低了與連續(xù)墻墻壁磕碰的概率。

2.4 新型方型錘頭結(jié)構(gòu)

綜合考慮上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及打撈問(wèn)題，設(shè)計(jì)的地下連續(xù)墻用新型方形錘頭結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 新型方形錘頭結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the new square chisel

3 有限元力學(xué)分析

新型方形錘頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)后，通過(guò)模擬其在地下連續(xù)墻內(nèi)施工工況，對(duì)其進(jìn)行了有限元力學(xué)分析，以確定錘頭整體結(jié)構(gòu)是否能承受預(yù)期載荷，而錘頭框架不變形。

3.1 幾何建模

根據(jù)單位軟件應(yīng)用情況，錘頭的有限元力學(xué)分析，是基于Autodesk Inventor Professional 進(jìn)行的［11］。建模過(guò)程中，由于整個(gè)錘頭是采用焊接而成，因此把整個(gè)錘頭作為一個(gè)零件來(lái)進(jìn)行分析。錘頭建模模型見圖4。

圖4 錘頭建模模型Fig.4 Model of the chisel

3.2 應(yīng)力分析過(guò)程

第一步，設(shè)定錘頭材料。因?yàn)榘彦N頭整體看作了一個(gè)零件，所以材料選擇為Q345B。第二步，設(shè)定載荷。雖然錘頭質(zhì)量只有8 t，但在地下連續(xù)墻深槽內(nèi)，各種力交叉疊加，設(shè)定作用力為500 kN。第三步，施加約束。錘頭沖擊時(shí)，因?yàn)閹r石反作用力會(huì)反饋到錘頭底部，所以把約束設(shè)定在錘頭底部各處。第四步，設(shè)定網(wǎng)格。網(wǎng)格越小，其分析精度越高，此處設(shè)置為自動(dòng)網(wǎng)格。第五步，分析求解。

3.3 分析結(jié)果

Inventor 的有限元應(yīng)力分析結(jié)果，會(huì)以報(bào)告的形式在軟件的左側(cè)顯示，其分析結(jié)果包括：等效應(yīng)力、最大應(yīng)力、變形位移、安全系數(shù)等，其等效應(yīng)力和變形位移見圖5、圖6。

圖5 等效應(yīng)力圖Fig.5 Equivalent stress diagram

圖6 變形位移圖Fig.6 Deformation displacement diagram

從分析結(jié)果可以看出，在500 kN 作用力下，錘頭變形等效應(yīng)力只有13 MPa 左右，相對(duì)于材料Q345B 屈服強(qiáng)度（345 MPa），變形較??；錘頭變形位移只有0.02 mm 變形量，整體框架結(jié)構(gòu)保持完整。通過(guò)應(yīng)力分析結(jié)果，可以得出新型方形錘頭結(jié)構(gòu)合理，整體強(qiáng)度高，能滿足工程使用要求。

4 方形錘頭應(yīng)用

4.1 施工工藝原理及流程

新型方形錘頭研制成功后，可配合山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)，采用氣舉反循環(huán)工藝進(jìn)行地下連續(xù)墻施工［12-16］。

氣舉反循環(huán)工藝原理：空壓機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，空氣通過(guò)氣管輸送到排渣管內(nèi)，在排渣管內(nèi)形成氣漿混合物，由于氣漿混合物密度小，會(huì)在底部泥漿和進(jìn)氣口之間形成一個(gè)負(fù)壓，在負(fù)壓作用下，氣漿混合物不斷上升，形成流速、流量大的反循環(huán)。這樣被方形錘頭切割下來(lái)的巖屑等，被送到地面沉淀池或振動(dòng)篩內(nèi)，減少了巖屑的二次破碎及錘頭的磨損。

施工工藝流程：

（1）空壓機(jī)出氣口安裝氣管至排渣管焊接氣管接頭處，安裝牢固，用鐵絲固定氣管。上節(jié)排渣管彎頭連接膠管始端，膠管末端連接振動(dòng)篩進(jìn)口連接處。

（2）錘頭剛開始進(jìn)入導(dǎo)墻時(shí)，用短沖程沖擊。當(dāng)?shù)竭_(dá)巖石層時(shí)采用氣舉反循環(huán)工藝錘進(jìn)，排渣管下放時(shí)氣管同步跟進(jìn)。送風(fēng)量由小到大，風(fēng)壓稍大于錘頭底部壓力，結(jié)合出漿速度、地下連續(xù)墻深度等調(diào)節(jié)風(fēng)壓，當(dāng)錘渣較厚、塊較大時(shí)可適當(dāng)增大送風(fēng)量。

（3）錘進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)副卷?yè)P(yáng)垂直提升排渣管，保證排渣管底端在錘頭心部，排渣管與錘頭應(yīng)同步跟進(jìn)，盡量使排渣管最底端比錘頭底端高出300～500 mm。在連接排渣管時(shí)用鉆機(jī)工具卷?yè)P(yáng)吊裝排渣管。

（4）在錘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)上節(jié)排渣管彎頭處離泥漿水平面1～1.5 m 時(shí)，增加1 根排渣管，卡鍵安裝時(shí)，沖洗鍵槽處泥沙以便于安裝。

（5）在連續(xù)錘進(jìn)硬巖時(shí)，錘牙容易磨損嚴(yán)重，需要及時(shí)修復(fù)錘牙或者更換，以防卡錘頭。

4.2 施工案例

配合山東省地質(zhì)探礦廠生產(chǎn)的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)，采用氣舉反循環(huán)工法，新型方形錘頭先后在廈門地鐵3 號(hào)線、深圳地鐵14 號(hào)線等多個(gè)工地應(yīng)用施工，施工厚度為1 m 的地下連續(xù)墻。其施工現(xiàn)場(chǎng)見圖7、圖8。

圖7 廈門施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Construction site in Xiamen

圖8 深圳施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Construction site in Shenzhen

根據(jù)2 個(gè)工地施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在硬度100 MPa以下的巖石地層中，新型方形錘頭的施工效率較好，可以達(dá)到0.5～0.6 m/h，而用改造方形錘頭在同地層的施工效率僅有0.2～0.3 m/h，效率提高1 倍。在硬度150 MPa 以上，新型方形錘頭的施工效率降低明顯，僅有0.2 m/h 左右，這與錘頭質(zhì)量大小和錘牙材料有較大關(guān)系，也是下一步需要改進(jìn)研究的地方。選擇類似Q390 系列等焊接性能更好、強(qiáng)度更高的低碳鋼作為框架主體，進(jìn)行科學(xué)對(duì)比，是我們下一步研究改進(jìn)的重要方向。

5 結(jié)語(yǔ)

多個(gè)工地實(shí)際應(yīng)用證明，新型方形錘頭結(jié)構(gòu)合理，施工效率較以往的改造錘頭有較大提高，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有較好的應(yīng)用推廣前景。在硬度較高地層中如何選擇錘牙材料，提高施工效率，有待進(jìn)一步研究。