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SMW多轴深层搅拌机的现状与发展

一、多轴深层搅拌机与SMW工法

多轴深层搅拌机是一种特殊的地基加固施工机械,它归类于桩基础钻孔机械,主要由动力部分、输浆部分、钻杆、搅拌钻头、连接系板、吊具、导向滑块及电气控制部分组成。深层搅拌机使用时一般悬挂在通用打桩架上,再配套制浆、输浆设备,就能实施一喷二搅或二喷三搅的水泥土深层搅拌桩施工工艺,能就地将水泥浆液与原状土搅拌混合成具有一定整体性、抗渗性和强度的水泥土桩,起到提高地基承载力,隔水帷幕墙与基坑开挖挡土墙的作用。

SMW(Soil Mixing Wall)工法也被称为加筋水泥地下连续墙工法,它是在一排相互连续搭接的水泥土桩中插入加强芯材(H型钢)的一种地下墙施工技术。应用SMW工法支护结构的基坑开挖深度可达15m,这种支护结构能在一定应用范围内替代现有的钻孔灌注桩和地下连续墙支护结构。由于该工法具有无泥浆污染、止水性好、噪声小、工期短、造价低、施工适应性广等特点,已在上海地区的高层建筑、地铁工程、合流污水治理工程、轻轨明珠线等工程的地下深基坑围护中得到应用,并在1999年被建设部、上海市建委列为重点推广项目。

SMW多轴深层搅拌机的现状与发展


二、我国SMW工法多轴深层搅拌机发展概况

我国SMW工法最早工程应用实例是1993年至1994年在上海环球世界商厦和南京某大厦基坑围护工程中应用成功,基坑开挖深度最大为8.65m。目前在上海SMW工法应用中,最大基坑开挖深度已达到14.2m,插入与回收H型钢长度达24m,最大基坑面积为1.6万m2,最大基坑长度约为430m,累计应用工程将近40多个。随着SMW工法在我国的应用与发展,我国的SMW工法多轴深层搅拌机也经历了三个发展阶段。


(1) 完善国产双轴深层搅拌机及配套桩架

第一个发展阶段开始于1993年至1996年,主要是对原国产双轴机及配套桩架进行完善。前后改造应用了三种机型,它们都是在原有双轴深层搅拌机的基础上改装而成的。第一种是双轴深层搅拌机在井架内的轨道行走式桩机,一次定位施工墙宽为1260mm;第二种是双轴深层搅拌机在桩架外侧的滚管行走式桩机,桩机一次定位施工墙宽为1260mm;第三种也是双轴深层搅拌机在桩架外侧的滚管行走式桩机,但是要二次定位才能施工墙宽1200mm的挡土墙。它们具有桩架立柱垂直度调整方便、主卷扬无级调速与H型钢插入功能,为SMW工法在我国的应用与推广打下了基础。


(2) 引进与应用日本SMW工法三轴深层搅拌机

第二个发展阶段是1996年至1998年。随着SMW工法在我国的应用成功,要求SMW工法围护基坑深度达10m以上,水泥土搅拌桩成桩深度将超过20m,而国内原有双轴深层搅拌机在成桩深度、施工质量与效率上都难以达到。所以,在1996年,我国武汉地区首先花巨资从日本引进与应用3-φ650SMW工法三轴深层搅拌机整套施工机械设备及施工工艺;1997年,上海也从日本引进了一套二手3-φ650三轴深层搅拌机设备和相应的施工工艺,成功应用于上海东方明珠国际会议中心基坑围护工程,其基坑开挖深度达10.6m,基坑面积达13,400m2。至1998年,上海地区共引进三台日本3-φ650SMW工法三轴深层搅拌机,在1997年10月至1998年的一年多时间,应用工程达16个,最大基坑开挖深度达11.5m,提高了我国SMW工法的成墙深度、成墙质量及施工效率,促进了SMW工法在我国的进一步推广应用。


(3) 开发与应用组合式SMW工法四轴深层搅拌机

第三个发展阶段是开发应用国产SMW工法多轴深层搅拌机。1998年上海隧道工程股份有限公司为了适应我国国情,提高国产深层搅拌机的成墙深度、成墙质量与施工效率,改变大深度的SMW工法施工设备依赖进口的落后状况,降低SMW工法的设备投资,研究开发了组合式SMW工法四轴深层搅拌机。该设备具有两种转速与转矩,单轴最大工作转矩是目前国产双轴机的1.7倍,并大于进口3-φ650SMW三轴机的左右二轴工作转矩;可根据现场供电情况与桩形设计要求,经适当组合形成一字排列的二轴、三轴、四轴式深层搅拌机;一次成墙长度大于进口的三轴机一次成墙长度,成墙深度可达28m。经工程应用,取得了SMW工法成墙深度25.2m、插入H型钢长度24m、围护基坑开挖深度14.2m、回收H型钢长度24m的可喜成绩。该四轴机的制造费用远低于引进设备的费用,降低了SMW工法设备投资与工程造价,为SMW工法在我国的进一步推广与普及做出了贡献。


三、我国使用的SMW工法多轴深层搅拌机施工特征与性能

(1) 国产SMW工法双轴深层搅拌机施工特征

① 每立方加固土所用的水泥浆液量较少,施工时涌土量较少;

② 只有两层搅拌叶片,采用两次提升喷浆、三次搅拌,成桩时间较长;

③ 需借助外力将H型钢插入到位;

④ 一次成墙面积较小,施工效率较低;

⑤ 搅拌机动力较小,最大成墙深度一般为20m:

⑥ 墙身厚度1200~1260mm,H型钢截面设计选择余地大,型钢一般半位隔孔设置,用钢量与型钢回收工作量较连续设置小,复合墙体组合刚度较大;

⑦ 施工设备使用台班费较低。


(2) 进口SMW工法三轴深层搅拌机施工特征

① 粘性土中每立方米加固土所用的水泥掺量、水灰比大,施工时涌土量大;

② 搅拌钻头与6m长钻杆上有螺旋叶片和搅拌叶,水泥土搅拌充分均匀,H型钢容易插入;

③ 每组桩施工时套接一孔,使墙身连续止水可靠;

④ 搅拌动力大,一般成桩深度为27m左右;

⑤ 一次成墙面积大,实施贯入输浆法施工,成桩时间较短,采用履带式打桩架施工效率高;

⑥ 对配套注浆泵流量与桩架提升力(60t)要求高;

⑦ 当采用中间轴喷压缩空气时,会影响水泥土的强度与均匀性;

⑧ 墙身厚度尺寸为650mm,H型钢截面尺寸选择余地小,且H型钢多为连续排列,用钢量与型钢回收工作量大;

⑨ 施工设备使用台班费高。


(3) 国产组合式SMW工法四轴深层搅拌机施工特征

① 该四轴机进行SMW工法施工时,水泥掺量可选用17~25%;

② 该四轴机搅拌钻头上设置四层搅拌叶,使水泥土搅拌充分均匀,水泥土强度较高;

③ 与进口三轴搅拌机一样,能实施贯入输浆法成桩先进工艺,成桩时间短,并使H型钢顺利插入水泥土搅拌桩中;

④ 成桩深度能达28m;

⑤ 一次加固面积大、施工效率高、成墙厚度为700mm、850mm、1260mm三种规格;

⑥ 当四轴机一字排列,一次成墙长度大于引进三轴机的一次成墙长度;

⑦ 施工设备使用台班费较低;

⑧ 当四轴机正方形排列时,墙厚达126m,H型钢的截面尺寸选择余地大,型钢设置灵活;可充分发挥水泥土的抗压作用,提高SMW挡土墙的组合刚度;可减少SMW工法挡土墙的用钢量与型钢回收工作量。


四、我国SMW工法多轴深层搅拌机及配套设备的完善与发展趋势

在日本,由于多轴深层搅拌机的单轴电机功率达到60kW,SMW工法还应用于砂砾土等软岩地层,1993年SMW工法的应用约占全日本各种工法施工地下连续墙实绩的50%左右。而SMW工法在我国的应用还刚起步,其施工设备的完善发展对该工法的普及和应用范围的扩大具有重大影响。据统计SMW工法在上海软土地层中的应用正呈逐年增长的趋势。为使SMW工法在我国顺利推广,笔者认为我国SMW工法多轴深层搅拌机及配套设备应朝以下几个方面完善发展:

(1) 提高多轴深层搅拌机的驱动功率,以适应不同地质条件;

(2)形成不同墙厚的三至四轴深层搅拌机系列,以适应不同基坑开挖深度要求的SMW工法;

(3) 开发矩形断面的SMW工法三轴深层搅拌机(日本已开发应用),使SMW工法墙体中H型钢的排列间距更合理、更经济;

(4) 开发密封性能好、使用维护方便的多缸输出大流量注浆泵,以提高施工效率与适应成桩直径大的SMW工法施工;

(5) 应用的打桩架主提升速度应与浆液掺入量、注浆泵流量相匹配,做到匀速喷浆、匀速升降搅拌,以提高水泥土桩的强度与均匀性;

(6) 完善与推广应用水泥土搅拌桩施工质量即时监控装置,使SMW工法的应用具有质量保证手段,以利于SMW工法在各类工程中的推广。

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