臧旭東，馬 媛

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013；2.濰坊市仁河水庫管理局，山東 濰坊 262500）

針對目前地下連續(xù)墻施工設備在水利工程施工中遇到的問題和市場需求，山東省水利科學研究院設計研制了小型連續(xù)墻施工機具。該機具主要對設備主機尺寸，薄型地下防滲墻施工鉆具，水平旋轉組合鉆頭，鉆具液壓驅動系統(tǒng)等進行了研究改進，可在含有部分粒徑小于3cm的礫石和強風化基巖中進行應用，設計施工深度大于25m，清渣系統(tǒng)為泵正循環(huán)和泵吸反循環(huán)。

1 設備原理及參數設計

液壓旋切地下連續(xù)墻鉆機是一種利用多組水平旋轉的鉆頭群向地下掘進開槽，在流動的循環(huán)護壁漿液帶動下，切削下的土體被帶到地面，從而在地下形成由護壁漿液填充的槽體，然后利用鉆機本身攜帶的注漿管路將地面預制的灌注填充物導入槽中的施工設備。

設備研制初期，選取最小由驅動四個水平搭接的盤式鉆頭組組成的掘進刀群作為設計對象。根據小尺寸地下連續(xù)墻設計的一般應用范圍要求，設定向地下掘進的槽寬為30cm，掘進方向為垂直向下，掘進深度大于25m；采用有尺寸精度要求的導漿溝作為鉆頭入土導向結構，各施工工序段成墻銜接為切入式連接方式。

2 設備研制

根據設備的應用條件，對設備的研制方案進行了定員論證、方案篩選、初設和設計方案完成后的交底研討、更改等幾個設計匹配環(huán)節(jié)。在后期生產制造過程中，又根據制造單位在零部件選配上的差異，對設計方案局部做了相應的變動。

2.1 掘進鉆頭關鍵點設計

首先根據外圍參數設定了盤式鉆頭外徑尺寸Φ30cm。該尺寸參數加上鉆頭在預設地層鉆進時所產生的充盈量可以滿足施工設計對槽寬度的要求。盤式鉆頭軸徑根據一端固定、另一端懸臂并且端點承載的懸臂梁模型計算確定，由于該項目處在新產品研制的最初設計階段，最終確定數值時選取了一個較大數值。

2.1.1 掘進鉆頭箱軸間尺寸鏈設計

各鉆頭之間的軸間距設定比較簡單，計算公式如下：

式中：l為鉆頭之間軸間距，cm；D為盤式鉆頭最大外徑，cm；d為盤式鉆頭軸外徑，cm；δ為盤式鉆頭最大外圓與相鄰盤式鉆頭軸外圓之間的設計距離。

在確定了數值范圍后，對箱體內各個傳動系統(tǒng)進行設計，確定軸間傳動尺寸鏈，對最終選取尺寸鏈進行標準化歸整確定l為20cm。

2.1.2 掘進鉆頭箱尺寸設計

箱體厚度尺寸的設定較為繁瑣，該尺寸的確定不僅要考慮箱體內部結構需求的空間，即鉆頭箱傳動結構空間尺寸和漿液流動通道的空間，還涉及到鉆頭箱體要承擔盤式鉆頭組直接切削剩下的邊角土體的任務。根據設計施工地質條件，確定了一個最大土體抗壓強度數值，再根據鉆具對該面積所施加的單位壓力，結合向下的沖擊力再減去漿液對鉆具的上浮力（可以忽略），上述合力數值大于切削該土體所需要的量值，考慮現實施工中鉆具運行時來自各方面的摩擦阻力和黏滯力等影響，最終確定公式如下：

式中：B為鉆頭箱體厚度，cm；D為盤式鉆頭最大外徑，cm；l為鉆頭之間軸間距，cm。

2.1.3 掘進鉆頭箱內部結構設計

鉆頭箱體內部傳動系統(tǒng)采用不帶漲緊裝置限制尺寸的鏈條傳動結構。連接鉆頭的結構軸采用鉆頭端一對合力向外的向心滾柱推力軸承，用來縮短鉆頭懸臂結構尺寸；另一段，采用尺寸更小的單排滾柱軸承。

2.1.4 掘進鉆頭刀體設計

液壓旋切盤式鉆頭采用相鄰層疊錯位三翼盤式刀體結構。由于在設計刀體結構時，要求可以切入礫石及黏土地層，所以，最終選擇了三翼外接環(huán)形加強刃的薄型層疊結構體，鉆頭刃部鑲嵌合金。這里選擇刀體為薄型層疊結構體主要是考慮了在黏土地層施工時，為了減小黏土對刀體的黏連面積，并且利用兩個相對反向旋轉的層疊刀盤運動時產生的紊流流動漿液來沖刷黏連在刀體上的黏土。在后期現場施工中得到了證明，刀具體積越小，越有利于對黏土地層的切削。液壓旋切盤式鉆頭允許雙向回轉，以解決施工中可能出現的卡鉆等問題。并且在對黏土地層施工時，如遇黏土黏結鉆具可以采用正反方向回轉交替的方式，以減少黏土對鉆具的黏連。

2.2 鉆頭箱體與地面機臺連接設計

液壓旋切鉆頭箱體利用上接的剛性漿液導管與地面吊機臺垂下的吊點作剛性連接，利用地心引力使吊起的鉆頭箱保持相應的垂直度。

2.3 液壓系統(tǒng)設備設計

在液壓驅動系統(tǒng)設計時，由于沒有在擬定的尺寸空間和應用參數中找到理想的動力源產品，經過折中后選定參數數值接近的液壓馬達，根據該液壓馬達逆推導出整個液壓動力系統(tǒng)及驅動該系統(tǒng)的主電機功率和轉速等參數。

3 設計方案分析

在制訂設計方案時，根據設計條件要求，采用了泵吸反循環(huán)系統(tǒng)作為護壁清渣系統(tǒng)，給鉆頭箱中間預留了一個對稱的漿液雙管路空間，這樣排布使安置在鉆頭箱頂上的鉆頭驅動動力源只能采用（1×2）+（1×2）=4 的方式。

箱體內部傳動方式的選擇。初步選定了兩個方案：一是齒輪嚙合傳動系統(tǒng)，二是鏈條閉合傳動系統(tǒng)。該系統(tǒng)雖然在部分地方違背了鏈條傳動應用設計要求，但是，能使整個傳動系統(tǒng)簡單可行，并且為泵吸反循環(huán)的漿液流通預留了充足的空間。這是系統(tǒng)中最大的創(chuàng)新點。它使得泵吸反循環(huán)系統(tǒng)在對30cm寬槽體施工應用中采用大型砂石泵成為可能。由于排渣量大，從而在很大程度上提升了成槽進尺和對礫石及黏土施工的適應能力。鉆頭箱體內的鉆頭連接軸與箱體之間的密封部分，在箱體內部動力傳動系統(tǒng)改為鏈式后，也由原來的機械式密封改為彈性密封，使密封部分結構大為簡化，并且便于使用維修。對于鉆頭箱的驅動動力源，在狹小的鉆頭箱頂部結構空間內，也只有選擇液壓系統(tǒng)作為動力源來滿足切削土體的鉆頭對動力的需求。

4 設備應用效果

該設備研制完成后，經過施工現場調試很快進入試驗圍井施工階段。2001年，在萊州王河地下水庫施工中，先期作了一個矩形圍井，同時，又應某水利施工單位要求，在空中有限高的條件下，對一個施工段進行了成墻施工，施工深度達到了43m。從圍井開挖效果來看，成墻的開挖面光滑平整、兩墻體90°切入搭接融接完整。

從實際應用看，基本達到了預定的目標：現場施工深度達43m，在該段施工過程中，從40～42m為含礫石的黏土層，當時，同步進行的有高噴灌漿施工設備，300m地質鉆機在鉆進該地層時遇到跳鉆，很難進尺的現象。

從開挖效果看：施工軸線位移度和施工墻體垂直度滿足施工設計要求；厚度控制在30cm+8%；對中粗砂地層成墻表面平整，護壁漿皮厚度1.5mm，漿皮被強化紋理呈水平狀，并使中粗砂牢靠地嵌入其中；兩墻銜接可靠無縫隙，搭接90°角處產生一個R10mm左右的圓角，使搭角銜接密閉更可靠。從上述各項成墻指標來看，液壓旋切成墻設備在地下連續(xù)墻施工中可以滿足墻體施工設計要求。