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基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備設(shè)計開發(fā)

2022-11-17 07:51夏錢平熊光寶霍同乾
機(jī)械工程師 2022年10期
關(guān)鍵詞:篩分石粉渣土

夏錢平, 熊光寶, 霍同乾

(中國電建集團(tuán) 武漢重工裝備有限公司,武漢 430064)

0 引言

目前,隨著城市建設(shè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進(jìn),城市地下空間的開發(fā)進(jìn)入到高速發(fā)展的階段,大規(guī)模地下工程,如高層建筑地下室、地下商業(yè)、地下交通、地下市政、人防工程等工程項目不斷涌現(xiàn)。隨之而來的基坑工程呈現(xiàn)如下特點(diǎn):1)規(guī)模越來越大;2)深度越來越深;3)場地越來越緊促;4)周邊環(huán)境越來越復(fù)雜。目前所常用的支護(hù)結(jié)構(gòu),通常留有肥槽,如果肥槽過大,就增加了開挖和回填土的方量。如果肥槽過小,由于換撐的需要,回填空間就會十分狹小,無法按照結(jié)構(gòu)要求回填密實土?,F(xiàn)在工程上實際回填為雜填土、磚渣、垃圾等,給地下室的防水及抗浮效果都帶來非常不利的影響,已成為行業(yè)痛點(diǎn)、難點(diǎn)[1]。而如果采用混凝土回填,則成本很高,同時也加大了砂石和水泥的用量,造成了資源浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)性較差[2]。

通常,在基坑開挖的過程中,會產(chǎn)生大量的工程棄土,以一個3 萬m2的基坑(兩層地下室)為例,大約會產(chǎn)生30 萬m3的工程棄土,需要找到棄土場,進(jìn)行堆砌。同時土方的運(yùn)輸和消納費(fèi)用很高,而開挖過后的土,沒有了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,無法再次被工程使用,無法滿足環(huán)保節(jié)約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新需要。自密實回填土研究利用以工程棄土為主要原材料,輔以一定的加固材料,制備自密實回填土的成套技術(shù)、裝備和施工應(yīng)用技術(shù),達(dá)到棄土再利用,解決基坑肥槽回填困難、密實度不易保證、易滲水的問題,實現(xiàn)變廢為寶、節(jié)能環(huán)保的目的,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[3]。

由于無專業(yè)施工設(shè)備,流動化工法技術(shù)在實際工程運(yùn)用時主要依靠人工操作,存在效率低、勞動強(qiáng)度大、添加劑無法精確計量等問題。根據(jù)項目實際需求,中國電建集團(tuán)武漢重工裝備有限公司已成功研制出流動化再生建材施工專用設(shè)備[4],成功解決了流動化土回填施工問題。然而,流動化再生建材施工專用設(shè)備破碎能力有限[5],流動化土制備前需對渣土中的石塊進(jìn)行人工篩選,對大粒徑土塊進(jìn)行預(yù)處理,避免損傷設(shè)備,施工效率較低,無法滿足高效大量回填需求,因此需研制一種具備篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備。

1 自密式回填土設(shè)備工作原理

基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備主要作用是將挖掘出的渣土經(jīng)過篩分破碎后,添加一定比例的添加劑,制備成流動化土,澆筑回填至待填埋管網(wǎng)基坑中,以解決管網(wǎng)基槽開挖時土方外運(yùn)難題,實現(xiàn)渣土的資源化利用。

圖1 基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備工藝流程圖

設(shè)備采用泵站式設(shè)計,即在待回填區(qū)域附近進(jìn)行流動化回填土的集中制備,然后通過專用運(yùn)輸車運(yùn)輸至待回填的管網(wǎng)基坑中進(jìn)行澆筑回填和自密實。首先,將挖掘機(jī)或人工挖掘出的泥土倒入破碎篩分機(jī),在破碎篩分機(jī)內(nèi),大粒徑石塊等被篩出,土塊被破碎下落至破碎篩分機(jī)下方的皮帶輸送機(jī)上,皮帶輸送機(jī)的進(jìn)料端與破碎篩分機(jī)相連,皮帶輸送機(jī)的出料端與攪拌裝置連接,泥土通過皮帶輸送機(jī)進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)。與此同時,通過螺旋輸送機(jī)將水泥倉中的水泥送入攪拌裝置中,通過增壓泵將水箱中的水加入攪拌裝置中。立軸行星攪拌機(jī)可快速、高效地完成泥土與固化劑、水及其他添加劑的攪拌,制備成流動化土。攪拌機(jī)底部設(shè)置有卸料開閉裝置,當(dāng)攪拌機(jī)內(nèi)的泥土與添加劑攪拌完成后,開啟卸料開閉裝置,流動化土流出。然后通過專用運(yùn)輸車輛將流動化回填土運(yùn)輸至待回填的管網(wǎng)基坑肥槽中進(jìn)行回填。

2 基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)

如圖2所示,自密式回填土設(shè)備主要由破碎篩分機(jī)、皮帶輸送機(jī)、攪拌系統(tǒng)、水泥上料系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。

圖2 基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1)破碎篩分機(jī)。本設(shè)備所采用的是一種新型的破碎篩分機(jī),集破碎和篩分功能于一體,可針對大粒徑土塊進(jìn)行破碎,并將石塊等較堅硬雜物篩分出去。破碎篩分機(jī)在滾軸篩的基礎(chǔ)上加入了截齒設(shè)計,可以有效剔除“土包石”上的土,提高土的利用率。破碎篩分機(jī)角度可調(diào),根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)松軟程度的不同,合理調(diào)節(jié)破碎篩分機(jī)的傾斜角度,充分破碎土塊的同時也要兼顧土方的處理效率,做到棄土利用率和通過率的平衡。

2)皮帶輸送機(jī)。自密式回填土設(shè)備采用皮帶輸送機(jī)進(jìn)行輸送進(jìn)料,篩分破碎后的泥土通過皮帶機(jī)輸送至攪拌裝置內(nèi)。帶式輸送機(jī)是輸送機(jī)中使用最為普遍的型式,它具有構(gòu)造簡單、工作可靠、自重較輕、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是:由上下托輥支承的作為承載構(gòu)件和牽引構(gòu)件的輸送帶繞過頭、尾滾筒,形成閉合環(huán)路的輸送機(jī)械,它借助于驅(qū)動滾筒與輸送帶之間的摩擦來傳遞動力,實現(xiàn)物料輸送,主要由機(jī)架、輸送皮帶、皮帶輥筒、張緊裝置、傳動裝置等組成。皮帶機(jī)總長約為17 m,傾角為16°,帶寬為800 mm,帶速為1 m/s,平均輸送量不小于100 m3/h。

3)攪拌系統(tǒng)。攪拌系統(tǒng)為該設(shè)備的核心裝置,主要適用于泥土等黏度較大的混合物的攪拌,為立式多軌跡攪拌,可防止泥土結(jié)團(tuán),且攪拌均勻、能耗低。目前常用的臥式和立式攪拌裝置攪拌時容易附著在壁體上,黏結(jié)成團(tuán),出料困難;隨著攪拌時間的增加,泥團(tuán)會逐漸增大,造成攪拌不均勻。自密式回填土設(shè)備設(shè)置有快速攪拌棒,通過快速攪拌棒高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的切削力將已有的泥團(tuán)切削打散,同時避免新黏結(jié)的泥團(tuán)的產(chǎn)生。電動機(jī)轉(zhuǎn)動經(jīng)行星減速機(jī)減速后帶動底刮板和側(cè)刮板轉(zhuǎn)動,防止泥土在攪拌筒壁附著。行星減速機(jī)的兩組行星輪上引出兩組攪拌結(jié)構(gòu),攪拌結(jié)構(gòu)均是既能繞著設(shè)備軸線進(jìn)行公轉(zhuǎn),也能繞著自身軸線自轉(zhuǎn),因此攪拌效率較高,能夠比現(xiàn)有常規(guī)攪拌設(shè)備更快地完成攪拌任務(wù),攪拌更均勻,攪拌效果更好。攪拌裝置能耗低,比同能力拌合器能耗低30%~50%;攪拌勻質(zhì)性高,可達(dá)97%~99%;攪拌時間短,通常為0.5~3 min;出料流動性好,凝固時間短,無需分層夯實處理。

4)水泥上料系統(tǒng)。水泥上料系統(tǒng)包括水泥倉、螺旋輸送機(jī)等。水泥倉用于儲存散裝水泥,螺旋輸送機(jī)用于將水泥倉中的水泥輸送至攪拌裝置中。螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、密封性好、操作方便、維修容易、便于運(yùn)輸。本設(shè)備螺旋輸送機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):密閉性好,避免了水泥上料過程中的揚(yáng)塵污染;機(jī)器代替人工,無需登高加水泥,勞動強(qiáng)度大幅減小。

5)稱重系統(tǒng)。自密式回填土設(shè)備設(shè)置有稱量系統(tǒng),可以精確地控制各物料的配比。水泥倉底部設(shè)有稱重傳感器,可以控制水泥的質(zhì)量;裝在攪拌罐進(jìn)水口處的流量計則可以實現(xiàn)水的定量加注;在攪拌機(jī)底部的稱重裝置則可以實時監(jiān)測流動化土的總重,從而間接控制土的質(zhì)量,達(dá)到各組份的精確定量控制。

6)進(jìn)水系統(tǒng)。進(jìn)水系統(tǒng)主要由水箱、增壓泵、水管、流量計等構(gòu)成,可以定量進(jìn)水。

基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 自密式回填土設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

3 經(jīng)濟(jì)效益評價

相對于傳統(tǒng)的石粉渣回填工藝及人工進(jìn)行流動化土回填,基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備的使用具有十分明顯的優(yōu)勢:1)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格一般在130元/m3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/t,而采用該設(shè)備施工后現(xiàn)場80%的渣土可再生利用,大大節(jié)約了渣土處理費(fèi)用。2)節(jié)約施工成本。據(jù)了解,目前流動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 元計算,可節(jié)省人力成本1500~3000 元。因此,采用本設(shè)備可代替人工,降低人工勞動強(qiáng)度,減少現(xiàn)場施工人員數(shù)量。3)實現(xiàn)渣土的資源化利用,減少土地占用和污染,符合“資源利用”、“可持續(xù)發(fā)展”的政策要求;減少開挖棄土運(yùn)輸量,防止渣土運(yùn)輸中粉塵、噪聲污染,利于環(huán)保施工。4)提高工作效率,縮短施工周期,減小占道施工對居民生活造成的不利影響。5)提高施工質(zhì)量,回填土的流動性好可以將狹窄空間和異形結(jié)構(gòu)空間的所有空隙填實。施工時不采用夯實和碾壓設(shè)備,回填土攪拌均勻、質(zhì)量穩(wěn)定,現(xiàn)場澆筑受現(xiàn)場條件及施工人員因素影響較小。自密實回填土施工效果如圖3所示。

圖3 自密實回填土施工效果圖

4 結(jié)語

基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備已應(yīng)用于武漢光谷中心城中軸線區(qū)域地下公共交通走廊及配套工程項目的項目基坑肥槽回填施工,項目位于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū),主要包含地下公共交通走廊和配套工程兩部分,地下公共交通走廊主要包含地下公共走廊、地鐵和綜合管廊;配套工程主要為道路工程。項目前期采用二八灰土進(jìn)行肥槽回填時,由于肥槽狹窄,人工夯實操作空間不足,回填密實度得不到保證。而采用基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備回填后,成功地解決了肥槽回填過程中的質(zhì)量難以保證、施工效率低等難題,回填效果良好。該施工工藝及核心設(shè)備獲得了湖北省巖土學(xué)會地下空間委員會等專業(yè)機(jī)構(gòu)的一致好評和認(rèn)可。

相對于傳統(tǒng)的石粉渣回填及人工流動化土回填,基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備可節(jié)約人工成本、渣土外運(yùn)成本、回填材料采購及運(yùn)輸成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時,基于篩分破碎功能的自密式回填土設(shè)備可以實現(xiàn)渣土的資源化利用,減少土地占用和污染,符合國家提出的“資源利用”、“可持續(xù)發(fā)展”的政策要求,是一種環(huán)保的施工設(shè)備,具有明顯的社會效益。

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