基于筛分破碎功能的自密式回填土设备设计开发

夏钱平， 熊光宝， 霍同乾

（中国电建集团 武汉重工装备有限公司，武汉 430064）

0 引言

目前，随着城市建设的发展和城镇化的推进，城市地下空间的开发进入到高速发展的阶段，大规模地下工程，如高层建筑地下室、地下商业、地下交通、地下市政、人防工程等工程项目不断涌现。随之而来的基坑工程呈现如下特点：1）规模越来越大；2）深度越来越深；3）场地越来越紧促；4）周边环境越来越复杂。目前所常用的支护结构，通常留有肥槽，如果肥槽过大，就增加了开挖和回填土的方量。如果肥槽过小，由于换撑的需要，回填空间就会十分狭小，无法按照结构要求回填密实土。现在工程上实际回填为杂填土、砖渣、垃圾等，给地下室的防水及抗浮效果都带来非常不利的影响，已成为行业痛点、难点[1]。而如果采用混凝土回填，则成本很高，同时也加大了砂石和水泥的用量，造成了资源浪费，经济性较差[2]。

通常，在基坑开挖的过程中，会产生大量的工程弃土，以一个3 万m2的基坑（两层地下室）为例，大约会产生30 万m3的工程弃土，需要找到弃土场，进行堆砌。同时土方的运输和消纳费用很高，而开挖过后的土，没有了结构强度，无法再次被工程使用，无法满足环保节约型经济发展的新需要。自密实回填土研究利用以工程弃土为主要原材料，辅以一定的加固材料，制备自密实回填土的成套技术、装备和施工应用技术，达到弃土再利用，解决基坑肥槽回填困难、密实度不易保证、易渗水的问题，实现变废为宝、节能环保的目的，具有很好的经济效益和社会效益[3]。

由于无专业施工设备，流动化工法技术在实际工程运用时主要依靠人工操作，存在效率低、劳动强度大、添加剂无法精确计量等问题。根据项目实际需求，中国电建集团武汉重工装备有限公司已成功研制出流动化再生建材施工专用设备[4]，成功解决了流动化土回填施工问题。然而，流动化再生建材施工专用设备破碎能力有限[5]，流动化土制备前需对渣土中的石块进行人工筛选，对大粒径土块进行预处理，避免损伤设备，施工效率较低，无法满足高效大量回填需求，因此需研制一种具备筛分破碎功能的自密式回填土设备。

1 自密式回填土设备工作原理

基于筛分破碎功能的自密式回填土设备主要作用是将挖掘出的渣土经过筛分破碎后，添加一定比例的添加剂，制备成流动化土，浇筑回填至待填埋管网基坑中，以解决管网基槽开挖时土方外运难题，实现渣土的资源化利用。

图1 基于筛分破碎功能的自密式回填土设备工艺流程图

设备采用泵站式设计，即在待回填区域附近进行流动化回填土的集中制备，然后通过专用运输车运输至待回填的管网基坑中进行浇筑回填和自密实。首先，将挖掘机或人工挖掘出的泥土倒入破碎筛分机，在破碎筛分机内，大粒径石块等被筛出，土块被破碎下落至破碎筛分机下方的皮带输送机上，皮带输送机的进料端与破碎筛分机相连，皮带输送机的出料端与搅拌装置连接，泥土通过皮带输送机进入搅拌机内。与此同时，通过螺旋输送机将水泥仓中的水泥送入搅拌装置中，通过增压泵将水箱中的水加入搅拌装置中。立轴行星搅拌机可快速、高效地完成泥土与固化剂、水及其他添加剂的搅拌，制备成流动化土。搅拌机底部设置有卸料开闭装置，当搅拌机内的泥土与添加剂搅拌完成后，开启卸料开闭装置，流动化土流出。然后通过专用运输车辆将流动化回填土运输至待回填的管网基坑肥槽中进行回填。

2 基于筛分破碎功能的自密式回填土设备的主要结构

如图2所示，自密式回填土设备主要由破碎筛分机、皮带输送机、搅拌系统、水泥上料系统、进水系统、称重系统及控制系统等组成。

图2 基于筛分破碎功能的自密式回填土设备结构图

1）破碎筛分机。本设备所采用的是一种新型的破碎筛分机，集破碎和筛分功能于一体，可针对大粒径土块进行破碎，并将石块等较坚硬杂物筛分出去。破碎筛分机在滚轴筛的基础上加入了截齿设计，可以有效剔除“土包石”上的土，提高土的利用率。破碎筛分机角度可调，根据现场土质松软程度的不同，合理调节破碎筛分机的倾斜角度，充分破碎土块的同时也要兼顾土方的处理效率，做到弃土利用率和通过率的平衡。

2）皮带输送机。自密式回填土设备采用皮带输送机进行输送进料，筛分破碎后的泥土通过皮带机输送至搅拌装置内。带式输送机是输送机中使用最为普遍的型式，它具有构造简单、工作可靠、自重较轻、操作方便等优点。其工作原理是：由上下托辊支承的作为承载构件和牵引构件的输送带绕过头、尾滚筒，形成闭合环路的输送机械，它借助于驱动滚筒与输送带之间的摩擦来传递动力，实现物料输送，主要由机架、输送皮带、皮带辊筒、张紧装置、传动装置等组成。皮带机总长约为17 m，倾角为16°，带宽为800 mm，带速为1 m/s，平均输送量不小于100 m3/h。

3）搅拌系统。搅拌系统为该设备的核心装置，主要适用于泥土等黏度较大的混合物的搅拌，为立式多轨迹搅拌，可防止泥土结团，且搅拌均匀、能耗低。目前常用的卧式和立式搅拌装置搅拌时容易附着在壁体上，黏结成团，出料困难；随着搅拌时间的增加，泥团会逐渐增大，造成搅拌不均匀。自密式回填土设备设置有快速搅拌棒，通过快速搅拌棒高速转动时产生的切削力将已有的泥团切削打散，同时避免新黏结的泥团的产生。电动机转动经行星减速机减速后带动底刮板和侧刮板转动，防止泥土在搅拌筒壁附着。行星减速机的两组行星轮上引出两组搅拌结构，搅拌结构均是既能绕着设备轴线进行公转，也能绕着自身轴线自转，因此搅拌效率较高，能够比现有常规搅拌设备更快地完成搅拌任务，搅拌更均匀，搅拌效果更好。搅拌装置能耗低，比同能力拌合器能耗低30%～50%；搅拌匀质性高，可达97%～99%；搅拌时间短，通常为0.5～3 min；出料流动性好，凝固时间短，无需分层夯实处理。

4）水泥上料系统。水泥上料系统包括水泥仓、螺旋输送机等。水泥仓用于储存散装水泥，螺旋输送机用于将水泥仓中的水泥输送至搅拌装置中。螺旋输送机结构简单、密封性好、操作方便、维修容易、便于运输。本设备螺旋输送机具有以下优点：密闭性好，避免了水泥上料过程中的扬尘污染；机器代替人工，无需登高加水泥，劳动强度大幅减小。

5）称重系统。自密式回填土设备设置有称量系统，可以精确地控制各物料的配比。水泥仓底部设有称重传感器，可以控制水泥的质量；装在搅拌罐进水口处的流量计则可以实现水的定量加注；在搅拌机底部的称重装置则可以实时监测流动化土的总重，从而间接控制土的质量，达到各组份的精确定量控制。

6）进水系统。进水系统主要由水箱、增压泵、水管、流量计等构成，可以定量进水。

基于筛分破碎功能的自密式回填土设备主要技术参数如表1所示。

表1 自密式回填土设备主要技术参数

3 经济效益评价

相对于传统的石粉渣回填工艺及人工进行流动化土回填，基于筛分破碎功能的自密式回填土设备的使用具有十分明显的优势：1）节约采购和处理成本。传统石粉渣回填需要采购石粉渣，目前石粉渣的市场价格一般在130元/m3左右，而采用该设备的回填模式不需要采购石粉渣；石粉渣回填工艺中，现场开挖出来的渣土需要外运处理，目前处理费约为120 元/t，而采用该设备施工后现场80%的渣土可再生利用，大大节约了渣土处理费用。2）节约施工成本。据了解，目前流动化土回填施工主要靠人力，大约需要10～15人，而采用本设备后，施工现场最多只需5人，可减少5～10人的工作量。按人均每天300 元计算，可节省人力成本1500～3000 元。因此，采用本设备可代替人工，降低人工劳动强度，减少现场施工人员数量。3）实现渣土的资源化利用，减少土地占用和污染，符合“资源利用”、“可持续发展”的政策要求；减少开挖弃土运输量，防止渣土运输中粉尘、噪声污染，利于环保施工。4）提高工作效率，缩短施工周期，减小占道施工对居民生活造成的不利影响。5）提高施工质量，回填土的流动性好可以将狭窄空间和异形结构空间的所有空隙填实。施工时不采用夯实和碾压设备，回填土搅拌均匀、质量稳定，现场浇筑受现场条件及施工人员因素影响较小。自密实回填土施工效果如图3所示。

图3 自密实回填土施工效果图

4 结语

基于筛分破碎功能的自密式回填土设备已应用于武汉光谷中心城中轴线区域地下公共交通走廊及配套工程项目的项目基坑肥槽回填施工，项目位于武汉市东湖新技术开发区，主要包含地下公共交通走廊和配套工程两部分，地下公共交通走廊主要包含地下公共走廊、地铁和综合管廊；配套工程主要为道路工程。项目前期采用二八灰土进行肥槽回填时，由于肥槽狭窄，人工夯实操作空间不足，回填密实度得不到保证。而采用基于筛分破碎功能的自密式回填土设备回填后，成功地解决了肥槽回填过程中的质量难以保证、施工效率低等难题，回填效果良好。该施工工艺及核心设备获得了湖北省岩土学会地下空间委员会等专业机构的一致好评和认可。

相对于传统的石粉渣回填及人工流动化土回填，基于筛分破碎功能的自密式回填土设备可节约人工成本、渣土外运成本、回填材料采购及运输成本，具有良好的经济效益。与此同时，基于筛分破碎功能的自密式回填土设备可以实现渣土的资源化利用，减少土地占用和污染，符合国家提出的“资源利用”、“可持续发展”的政策要求，是一种环保的施工设备，具有明显的社会效益。