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摘要:介绍了北京三一重机有限公司自主研制的SH400型连续墙液压抓斗和纠偏系统。结合多年的施工实践,分析了影响连续墙成槽垂直度的主要因素,总结提高连续墙成槽垂直度的主要措施。在此基础上对SH400型连续墙抓斗进行了改进,现场施工证明了这种改进措施的有效性。

 1  引  言

地下连续墙是近半个世纪以来在基础工程和地下工程中迅速发展和广泛应用的一项新技术[1,2,3]。地下连续墙最初被应用在水利工程中作为防渗墙,在基坑工程中作为临时支护,主要承受水平荷载,现已经逐步发展为施工阶段承受水平荷载,竣工后兼作承受垂直荷载的基础,作为工程主体受力结构一部分。现在许多重要工程中直接作为地下工程的主体结构,如地铁车站,越江隧道,港池工程等。近几年来,城市高层建筑发展很快,对地基处理技术要求越来越高,在深基开挖时一般是沿着红线周围设立一道地下连续墙来支护、挡土或防渗等。地下连续墙施工技术的应用迅速增加,它不仅用于深基础围护和各类地下空间的开发工程,而且它已成为保证各类大型水利、交通、环境工程顺利施工的重要的前期辅助性工程的技术措施之一。

为了确保钢筋笼顺利下放和安装,为了保证连续墙的承载能力,施工单位对连续墙成型槽的垂直度提出了严格的要求,是连续墙成型槽的关键质量指标之一。作为连续墙施工的主要设备,连续墙抓斗是其垂直度的保障。因而连续墙抓斗的成槽垂直度指标也就成为衡量连续墙抓斗质量的关键参数。

北京三一重机有限公司自2005年以来开始进行连续墙抓斗设备的研制,目前已经发展成为国内生产连续墙抓斗的主要生产商之一[4]。本文结合北京三一重机有限公司自主研制的SH400型连续墙液压抓斗多年的施工实践,分析了影响连续墙成槽垂直度的主要因素,总结了提高连续墙成槽垂直度的主要措施,介绍了该设备在现场的施工效果,对连续墙抓斗的生产和使用单位将有一定的参考价值。

2 SH400型连续墙液压抓斗简介

SH400型连续墙液压抓斗从功能上分主要有底盘和工作装置两大部分。抓斗的主要部件有:履带行走机构、上车装置、臂架、变幅机构、卷管器、主卷扬、副卷扬、托架、抓斗等,其实物照片和结构分别如图1、图2 所示。SH400型连续墙液压抓斗底盘采用三一昆山挖机公司的SY420H底盘,其余部件为北京市三一重机有限公司自行设计制造的产品。

3  SH400型连续墙液压抓斗纠偏原理

SH400型连续墙液压抓斗的纠偏系统如图3所示,纠偏系统由操作手柄、显示器、控制器、工作装置和传感器组成。其中控制器为EPEC2023,显示器为AT8220C,传感器为双轴倾角传感器IS2A10P18。

SH400型连续墙液压抓斗纠偏原理如下:

1) 机手通过操作显示器和操作手柄控制工作装置的运动,进行连续墙的成型作业;

2) 安装在工作装置上的倾角传感器实时测量工作装置的垂直度;

3) 控制器实时采集倾角传感器上的数据,经处理后发送至显示器;

4) 显示器以数字和曲线的形式实时的显示工作装置的垂直度;

5) 机手通过观测显示器上的工作装置垂直度信息,确定下一步的成槽方式。如果工作装置的垂直度在许可范围之内,则保持对工作装置进行纠偏操作,以保证成槽连续墙的垂直度精度。

4  抓斗成槽垂直度影响因素分析

自从2006年北京三一重机有限公司成功研制出第一台SH400型连续墙液压抓斗以来,通过两年多时间的施工实践,发现影响SH400型连续墙液压抓斗成槽垂直度的主要因素有:工作装置品质,测偏系统精度,上车装置回转定位精度、系统硬件抗干扰能力、系统软件抗干扰能力、电气元器件性能和施工方法等。

4.1 工作装置对成槽垂直度的影响

作为连续墙抓斗施工的执行机构,工作装置对性能的优劣对抓斗的成槽垂直度有着直接的影响,这些影响主要体现在以下几个方面:

1)  导杆的直线度

在连续墙抓斗进行施工施,工作装置的导杆起引导作用,它的直线度直接影响到抓斗成槽的垂直度,为了提高抓斗成槽的垂直度,需要导杆有良好的直线度。导杆固定在工作装置的框架上,框架是焊接件。所以工作装置在焊接后应进行适当的热处理,消除焊接应力。整体组装后,对导杆进行一次精加工,从而确保导杆的直线度。

2)  导杆的长度

由于导杆的作用可知,增加导杆的长度能够提高连续墙抓斗的成槽垂直度。然而,导杆长度的增加还受到底盘重量、臂架长度、系统驱动能力等条件的制约,因而不可能一味的延长导杆的长度。应该在综合考虑的基础上,尽量增加导杆的长度。

3)  回转轴和轴套的间隙

目前SH400型连续墙液压抓斗工作装置主要采用曲柄连杆式的纠偏方式,回转轴与轴套之间的间隙对抓斗成槽垂直度有着直接的影响,尤其与抓斗相连接的回转轴的影响程度最大。间隙太大,则会严重影响抓斗成槽垂直度。然而,随着抓斗施工时间的增加,间隙会不断地增加。为此,必须适当的选择回转轴和轴套的材料、进行合理的热处理和机械加工,从保证回转轴和轴套的间隙始终保持在使用范围之内。

4)  工作装的质量分布

由于地质条件的千变万化,在施工过程中,抓斗的受力情况十分复杂。通过合理分布工作装置的质量以提高抓斗的成槽精度是一项十分复杂的工作,目前尚未有这方面的文献报道。从不倒翁原理可知,适当降低工作装置的质心位置无疑将有助于提高抓斗的成槽垂直度。根据自然法则,“黄金分割”应该是较为理想的分布方式。

4.2 测偏系统对成槽精度的影响

由SH400型连续墙液压抓斗的纠偏原理可知,工作装置的垂直度由测偏系统测定,在显示器上显示,机手通过显示器上显示的数据判断工作装置的垂直度,从而进行系统的纠偏操作。地下连续墙的工作环境往往是很恶劣的,测偏系统常常受到温度、湿度、电压扰动、电磁干扰、机械震动等因素影响。为了提高系统抗干扰能力,我们采取了一系列硬件与软件相结合的方法以提高系统的可靠性,从而保证测偏系统的精度。

影响测偏系统精度的主要因素有系统硬件抗干扰能力和系统软件抗干扰能力两方面。

1)  测偏系统硬件抗干扰能力

SH400型连续墙液压抓斗测偏系统的硬件包括:控制器、显示器、倾角传感器、电卷扬、电控箱、电缆线等。为了提高测偏系统硬件的抗干扰能力,SH400型连续墙液压抓斗测偏系统选用了国外进口的先进电气元器件,其中控制器为EPEC2023、显示器为AT82、倾角传感器为IS2A10P18、电卷扬为B050831-W100.3/40/10-18s-HMK8/GfmO15/17,电缆采用具有信号保护功能的屏蔽电缆。

2)  测偏系统软件抗干扰能力

在SH400型连续墙液压抓斗施工现场,存在于测试系统内部的干扰具有随机性,采用硬件抗干扰措施,只能抑制某些干扰,但仍有一些干扰会侵入系统而引起系统不时地出现一些功能性故障,如程序运行溢出形成死机,控制开关不起作用,产生误动作或不按照程序设定的逻辑顺序动作,测试结果不能正常输出,数据存储区内个别或全部数据发生错误等。由于故障的特点是暂时、间歇和随机的,用硬件解决比较困难。因此,对于SH400型连续墙液压抓斗的测偏系统来说,除了采用硬件抗干扰方法外,还要采取必要的软件抗干扰措施。测偏系统主要采取的软件抗干扰措施主要有滤波和循环冗余校验。

4.3  上车装置对成槽垂直度的影响

SH400型连续墙液压抓斗的成槽深度为60米,每一幅槽的成型要经过几十甚至几百次的抓取动作。每一次抓取动作要经过一下循环:抓斗下放、抓斗触地、取土、抓斗提升、上车装置回转、卸土、上车装置反转、再到抓斗下放。这里抓斗下放前的定位对成槽垂直度有着重要的影响。为此,我们采用了高精度的上车回转角度测量系统,以确保上车装置的回转定位精度。

4.4  施工工法对成槽垂直度的影响

SH400型连续墙液压抓斗成型的施工方法对成槽精度也有重要的影响,这其中包括抓斗触地后的处理、各种偏差情况下的纠偏方式和方法以及不同地质条件下的成型施工方法等。

5           施工效果

2007年以来,SH400型连续墙液压抓斗在全国的许多连续墙施工单位得到了成功的应用。随着我们对系统性能的持续不断的改进,SH400型连续墙液压抓斗的成槽垂直度越来越高,受到了用户的好评。

2008年10月,我们的一台SH400型连续墙液压抓斗在天津进行某地铁的地下连续墙的施工。每当一幅槽成型完毕,甲方随即使用红外线测槽仪进行垂直度的测试,测量结果,垂直度平均值为2‰,满足施工要求。

6           结论

通过几年对SH400型连续墙液压抓斗的持续改进和施工实验,得到影响抓斗成槽垂直度的主要因素为:工作装置品质,测偏系统精度,上车装置回转定位精度、系统硬件抗干扰能力、系统软件抗干扰能力、电气元器件性能和施工方法等。通过提高有关机械系统、电气系统的品质,消除系统干扰,改善施工工艺,SH400型连续墙液压抓斗的成槽垂直度得到了大幅度的提高,完全满足连续墙工程施工的要求。

 

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