在泥质粉砂岩地层中采用双轮铣快速成槽施工技术

詹 涛， 杨春勃， 安 斌

(1. 南昌轨道交通集团有限公司, 江西 南昌 330000； 2. 中铁隧道集团二处有限公司, 河北 三河 065201)

0 引言

我国城市轨道交通发展迅猛，目前已有42个城市在进行轨道交通建设，规模大、范围广，“十三五”阶段是建设城市轨道交通的黄金时期。地下连续墙作为一种安全性较高的明挖基坑挡土构件，已广泛应用于市政工程等的基坑施工中。随着各种深大基坑工程施工，地下连续墙的深度越来越大，碰到的岩层也越来越复杂。成槽机、引孔钻机、旋挖钻、铣槽机等以单一或组合的形式应用于地下连续墙施工中，以达到在不同复杂地层中快速施工的目的。

1996年我国引进第1台德国宝峨公司的双轮铣槽机，由于该机在三峡2期围堰工程中的出色表现，双轮铣槽机普遍地出现在城市基坑围护结构施工中。国内外学者对铣槽机的应用做了大量的研究，如文献[1-5]针对双轮铣槽机在深圳[1]、福州[2]、长沙[3]等不同地区及坚硬花岗岩[4]、软土地区[5]等不同地质中的应用做了总结分析。文献[6-7]论述了南昌地区主要的地下连续墙入岩成槽技术。胡春环等[8]比较了液压双轮铣技术与液压抓斗技术。陈刚[9]较详细地阐述了抓铣结合工艺在超深地下连续墙施工中的应用。虽然双轮铣槽机具备成槽工效高、成槽精度高、槽壁光滑、适应地层地质范围广等优点，但在含有黏粒等特殊地层中如果铣槽机选型不当，仍会严重影响施工效率。目前对铣槽机的研究主要集中在不同地层的工艺使用上，而对在特定地层中通过刀盘选型及配套设备选用快速提高成槽技术的研究甚少。

南昌地区的岩层主要有泥岩、砂岩与泥质粉砂岩，在这3种地层中施工地下连续墙成槽，属泥质粉砂岩最为缓慢，其主要原因是该地层含泥量高，泥水难以分离，携渣能力差，且成槽设备的刀具易被糊住；加之粉砂颗粒细、含量高、致密、强度高、岩层厚，成槽设备的刀具难以快速贯入和切削。本文以南昌轨道交通3号线六眼井站为例，通过对刀盘及配套设备选型、调整施工工艺，阐述地下连续墙在泥质粉砂岩地层中采用双轮铣快速成槽施工技术。

1 工程概况

1.1 设计概况

南昌轨道交通3号线六眼井站地处西湖老城区，位于象山南路和南浦路交叉路口，沿象山南路南北向布置，周边紧邻高层建筑。车站结构为双柱3跨地下3层岛式车站，总长为179.5 m,标准段宽为22.2 m，基坑开挖深度为23.6～26.5 m。

围护结构全部采用地下连续墙，共有74幅地下连续墙。墙厚为1 m，标准槽段幅宽为6 m。地下连续墙深为29.7～31.5 m，入岩平均深度为14 m。六眼井站车站标准段断面如图1所示。为满足交通疏解要求， 六眼井站为半盖挖车站，地下连续墙分2期施工，每期37幅。

1.2 工程、水文地质

地下连续墙施工涉及复合地层(见图1)自上至下依次为： 杂填土(层厚约3 m)、淤泥质粉质黏土(层厚约2 m)、中粗砂(层厚约2.5 m)、砾砂(层厚约8.5 m)、强风化泥质粉砂岩(层厚约1.5 m)、中风化泥质粉砂岩(层厚约13 m)。

泥质粉砂岩是指泥质成分(即颗粒粒径小于0.005 mm的物质)占到粉砂岩总质量的25%～50%。强风化泥质粉砂岩单轴抗压强度一般小于10 MPa，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙发育，岩体破碎，用镐可挖。中风化的岩石裂隙比较发育，沿裂隙有较多的次生矿物生成，中风化泥质粉砂岩为紫红色，泥质结构，岩面风化中等，岩体较完整，局部见少许垂直裂隙，少数铁、锰质渲染，锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎，岩芯多呈短柱状，RQD为80%～95%，岩石基本质量等级为Ⅳ级，局部夹青灰色钙质泥岩，稳定性较好。六眼井站中风化岩层情况如图2所示。

图1 六眼井站车站标准段断面图(单位: mm)Fig. 1 Typical cross-section of Liuyanjing Station (unit: mm)

图2 六眼井站中风化岩层情况Fig. 2 Weathered stone revealed from Liuyanjing Station

站址地下水类型可分为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水3种类型。在围护结构外侧主要以砂层内潜水为主，水位标高17.5 m。基坑底部标高-2.0 m，最大水头高度19.5 m。

基坑处于富水砂层中，水头压力较大，基坑开挖时渗漏水、喷涌砂风险较高。

1.3 周边建筑

站址位于西湖区象山南路与南浦路交叉口，车站周边有多栋高层民用及商业建筑，其中，江西南华医药有限公司(地上14层)距离站址2 m、樟树国药局(地上7层)距离站址1.9 m、华润万家居民楼(8层)距离站址6.8 m、赣剧院(2层)距离站址8.9 m、绿地售楼处(2层)距离站址9.2 m。近接建筑物多而近，对基坑施工的变形、振动、基坑渗漏要求较高。六眼井站周边建筑位置关系平面图如图3所示。

图3 六眼井站周边建筑位置关系平面图Fig. 3 Plan showing relationship among Liuyangjing Station and surrounding buildings

2 工艺比选

采用文献调研、现场调查、理论分析等相结合的方法，分析国内外地下连续墙施工工艺，针对六眼井站入岩深、距离建筑物近的特殊条件，对本工程地下连续墙施工工艺进行比选分析。

2.1 成槽机+旋挖钻结合成槽施工工艺

成槽机+旋挖钻机结合成槽工艺[10]： 旋挖可以在砾砂层、中风化泥质粉砂岩中成孔，且成孔效率较高，为冲击钻孔效率的2～4倍；但旋挖钻成孔过程中，由于地下连续墙深度达33 m，钻杆的垂直度不容易达到规范要求，导致成槽机成槽时纠偏难度大，易形成2幅相邻槽段竖向错台，造成墙缝渗漏喷涌、结构侵限的风险极大。

2.2 成槽机+冲击钻结合成槽施工工艺

成槽机+冲击钻结合成槽工艺： 在地下连续墙成槽施工中应用较早，工艺较成熟，在地层适应性上，冲击钻适宜在中风化泥质粉砂岩内成孔，垂直度控制较旋挖钻要好；但冲击钻效率低、冲击振动大，造成成槽时间长、工期延后较多，特别是距离建筑物较近时，振动对周边建筑物的影响大。

2.3 双轮铣槽机成槽工艺

双轮铣槽机成槽工艺适应地层范围广[11]，本站点回填土、砾砂、中风化泥质粉砂岩均适用，作业效率高，虽然在土层中效率优势并不明显，但在岩层施工中效率是普通成槽机的几倍，是其他成槽设备无法比拟的；同时成槽(孔)质量好，可使墙体的垂直度偏差值控制在3‰以下，降低相邻幅段之间的错台，提高接头清刷质量，有效减少槽段之间的夹泥夹渣，大大降低墙缝渗漏喷涌的风险，保障近接建筑物的安全。

通过对比分析，六眼井站地下连续墙采用工效高、成槽质量好的铣槽机工艺施工。双轮铣槽机施工工艺如图4所示。

图4 双轮铣槽机施工工艺Fig. 4 Grooving technology of double-wheel trench cutter

3 设备选型

3.1 刀盘选型

根据市场调研，国内使用的铣槽机刀盘有3种： 平齿、锥齿和球齿(见图5)。铣槽机刀盘选型时结合岩层强度选用不同的刀盘，可将刀盘工效最大化。刀盘选型(宏观上)： 软岩采用平齿，稍硬岩采用锥齿，硬岩采用球齿。通过查阅不同刀盘在不同岩层强度下的铣槽速度经验数据，结合六眼井站地下连续墙中风化泥质粉砂岩强度(7～8 MPa)，初步拟采用标准型平齿铣轮。不同刀盘在不同岩层强度下的铣槽速度如图6所示。

(a) 平齿(b) 锥齿 (c) 球齿

图6 不同刀盘在不同岩层强度下的铣槽速度Fig. 6 Grooving speeds of different cutterhead in different stata

3.2 主机选型

六眼井站地下连续墙深度为31.5 m，入岩深度为14 m，岩石强度较低，鉴于机械费用经济合理性，机型满足现场施工即可[12-13]。从转矩和泥浆泵流量2个指标进行分析，结合岩层特性及南昌地区既有资源，主机选用意大利土力SC120铣槽机，主要设备参数见表1。意大利土力铣槽机施工作业如图7所示。

表1 意大利土力SC120铣槽机主要参数Table 1 Main properties of SC120 trench cutter (Soilmec S.p.A.)

图7 意大利土力铣槽机施工作业Fig. 7 Trench cutter operation (Soilmec S.p.A.)

4 施工中出现的难题及原因分析

4.1 施工中出现的难题

六眼井站1期前15幅地下连续墙成槽时间记录如图8所示。平均成槽时间45.08 h，其中,第2、3、8、9幅在成槽过程中由于铣槽机刀盘“结泥饼”，成槽时间高出平均时间10 h不等，通过阶段性分析总结，意大利土力SC120铣槽机在六眼井站的成槽速度约为砂层3 m/h、岩层1.5 m/h。

图8 六眼井站1期前15幅地下连续墙成槽时间Fig. 8 Grooving times of first 15 underground diaphragm walls of Phase 1 of Liuyanjing Station

4.2 原因分析

根据以往施工经验，SC120铣槽机在其他地区岩层中成槽速度可达到2.5 m/h，实际施工中未能达到预期效果，针对施工过程中的各环节，结合工程地质，根据现场渣样及设备性能综合分析，总结为以下几个原因：

1)六眼井站地层中有3 m厚的黏土层，容易在刀盘面形成泥饼。泥质粉砂岩中泥质成分(即颗粒粒径小于0.005 mm的物质)占到粉砂岩总质量的25%～50%，黏粒含量大，在铣轮挤压和高热的工况下，易产生泥饼，若不及时清理，会出现糊轮，造成进尺缓慢。

2)泥质粉砂岩中黏粒含量过多，岩渣稠度大，泥浆泵负荷过高，造成大量铣碎的岩渣及粉末滞留，是形成铣槽机刀盘糊轮的一大主因。

3)铣槽机泥浆后台滤砂设备细颗粒筛分能力差，三级筛分设备中除泥机筛分最小粒径为0.01 mm，远大于泥质颗粒0.005 mm，造成循环浆液细颗粒过多、稠度大，岩渣和稠浆紧贴铣轮刀盘，形成阻力，消耗部分转矩，造成刀盘进尺能力削弱。

4)平齿刀盘面板大，与滞留的岩渣接触面积大，板与板之间的粉粒易残留，易结泥饼易糊刀，降低切削能力；同时，站址中风化泥质粉砂岩岩层实测强度达到15 MPa，标准型平齿很难充分切削岩面，即使不糊刀，铣槽速度也达不到预期。

5)循环泥浆温度高，不能对刀盘有效降温，为刀盘结泥饼糊刀盘提供了条件。

5 泥质粉砂岩铣槽机快速施工措施

5.1 “抓铣结合”提高铣槽机在岩层施工的使用率，提高工效

施工过程中由于糊轮现象的出现，进度受到一定约束，铣槽机的优势未能得到体现。为加快施工进度，配置1台成槽机抓去上部较软的黏土层及其他软土层，到达岩面以上1 m即更换为铣槽机进行入岩作业，2类设备前后抓取同一槽段的砂土地层和岩层，充分发挥铣槽机在岩层施工的优势，从而提高成槽工效，加快施工进度。根据槽段软土层的厚度，结合成槽机的生产能力，配置1台SG50成槽机。

5.2 利用循环浆温度，冷却刀盘，防结泥饼

将循环浆池进行扩建，增加散热面积，并做遮阳棚避免浆液被暴晒，使循环浆能快速降温；及时在循环泥浆中注入新配置浆液，确保进入槽内的循环浆处于低温状态。

5.3 增强刀盘破岩能力，形成块体，降低糊刀风险

平齿刀盘面板大，且面板之间的部位容易吸附黏粒，易结饼糊刀，平齿切削能力稍差，岩渣小而细；替换成锥齿刀盘，贯入度增大，破岩能力强，将岩体切削成块状，小颗粒大量减少，同时，大块岩渣摩擦碰撞刀盘，吸附在刀盘的黏粒被冲击掉落，大大降低了糊刀的风险。现场更换锥齿刀盘如图9所示。

图9 现场更换锥齿刀盘Fig. 9 Replacement of conical tooth type cutterhead

5.4 泥水分离，调整泥浆指标，优化循环浆质量

泥浆质量指标主要有相对体积质量、黏度及含砂率。

1)当相对体积质量偏高时，泵的负荷增大，泵阀的磨损加快；相对体积质量偏低，分离设备很难充分发挥工效，且产生废浆较多，废浆外运的成本较高。

2)当黏度较低时，携渣能力差，泥膜质量较差，影响槽段安全；黏度较高，影响分离设备的效果,刀盘上容易形成泥糊。

3)含砂率是泥浆内所含的砂和黏土颗粒的体积百分比。泥浆含砂率大时，会降低铣槽贯入度，增加沉淀，容易磨损泥浆泵和钻锥等钻具。

通过试验分析，当泥浆指标控制为相对体积质量1.05～1.15、黏度20～25 s、含砂率<4%时，可以提高泥浆的携渣能力，并减小岩石粉末和土层中的黏土附着在刀盘或已经形成的泥饼上的概率[14-15]，并且可以化解初步形成的泥饼。

为了降低泥浆中的含砂率，将后台滤砂滤泥设备改为离心设备进行泥水分离，降低了浆液中的含砂量，循环浆质量得到提升，护壁、浮渣效果得到改善，提高了浆液的携渣能力，同时为地下连续墙后续工艺的施工提供了保障。除砂机设备作业如图10所示。泥水分离后的固、液相分别如图11和图12所示。

图10 除砂机设备作业Fig. 10 Operation of sand filter

图11 泥水分离后的固相图Fig. 11 Solid slurry after separation

图12 泥水分离后的液相图Fig. 12 Liquid slurry after separation

5.5 反转刀盘防结泥饼

在进尺达到岩层一半时，停止掘进，将铣轮刀盘反转1 min，避免长时间单方向旋转形成泥饼。当糊刀频繁时，每进尺3～4 m即可将铣轮刀盘反转。

5.6 增大设备转矩，增强破岩能力

在设备选型时，考虑含黏粒较多的泥质粉砂岩条件，适当选择大转矩铣槽机，增强破岩能力。一次贯入深度大，增大了岩渣块径，可预防刀盘结泥饼及减小糊刀盘的概率，提升铣槽机的有效作业时间。

5.7 增大泵的功率，增强携带能力

在岩块直径增大、破岩效率增大的情况下，增大泥浆泵的功率，增强携带能力，减少岩渣滞留，可有效防止结泥饼，在残渣少的工况下，进尺也能进一步加快。但在加大抽渣泵功率的同时，也要加大循环浆泵的功率与之匹配，保证泥浆液面的高度满足规范要求。

6 优化施工工艺后的施工效果

6.1 1期地下连续墙成槽工艺调整后施工效果

通过采用5.1—5.5节的技术措施，并对刀盘、后配套泥浆处理设备进行更换、泥浆指标进行调整，有效提高了成槽速度，降低了“结泥饼”的频率，成槽速度提升至2 m/h，单幅成槽时间降低至26.7 h，顺利完成了1期地下连续墙的施工。1期第16—30幅地下连续墙成槽时间如图13所示。

图13 1期第16—30幅地下连续墙成槽时间Fig. 13 Grooving times of 16th to 30th underground diaphragm wall of Phase 1 of Liuyanjing Station

6.2 2期地下连续墙成槽工艺调整后施工效果

六眼井站2期地下连续墙施工前，具备再次选型的机会。

结合南昌地区既有资源，主机更换为德国宝峨BC40。德国宝峨BC40铣槽机施工作业如图14所示。SC120与BC40关键参数对比如表2所示。2期37幅地下连续墙成槽时间如图15所示。

图14 德国宝峨BC40铣槽机施工作业Fig. 14 Operation of milling machine (Bauer Group)

表2 SC120与BC40铣槽机关键参数对比Table 2 Comparison of main properties between SC120 and BC40

经过对比，采用SG50成槽机+德国宝峨BC40铣槽机“抓铣”结合施工工艺，在铣槽机刀盘设置锥齿刀盘、后配套一致的情况下，德国宝峨BC40铣槽机在更小的占地尺寸的情况下拥有更大的转矩以及泥浆运输能力，可以更好地适应南昌泥质粉砂岩地层，成槽速度提升至2.75 m/h,平均成槽时间缩短为18 h，且单幅成槽时间稳定，与平均时间基本吻合。

图15 2期37幅地下连续墙成槽时间Fig. 15 Grooving times of 37 underground diaphragm wall of Phase 2 of Liuyanjing Station

7 结论与讨论

本文依托南昌轨道交通3号线六眼井站工程，通过对南昌地区较厚的泥质粉砂岩地层的性状分析，并充分调研现有的岩层成槽设备性能，结合六眼井站前后2期地下连续墙的施工实践得到以下结论：

1)复合地层中采用“抓铣”结合工艺对加快工程施工进度优势显著。

2)针对南昌地区较厚的泥质粉砂岩地层，锥齿型刀盘比标准平齿刀盘具有更好的破岩效果，可快速成槽且刀盘结泥饼的概率低。

3)在相同刀盘配置的情况下，选择相适应的设备转矩、相适应功率的泥浆泵系统更适合于该泥质粉砂岩地层，在增强破岩能力的同时能提高出渣效率，大大减小结泥饼糊刀盘的风险，施工速度进一步提升。

4)在泥质粉砂岩地层中，离心式泥水分离系统较振动滤砂机拥有更好的泥水分离效果，可有效保障槽段内泥浆性能。

通过采用相关的措施，改善了循环浆的质量、降低了刀盘的温度、增强了破岩能力，加大了泵的出渣能力，大大降低了刀盘结泥饼的概率，加快了现场的施工进度，解决了南昌地区泥质粉砂岩双轮铣槽机结泥饼、糊刀盘等降低成槽工效的难题，形成了适应南昌地区泥质粉砂岩地层的地下连续墙快速成槽施工技术，可以在南昌地区推广应用，也可为类似地层和工程提供借鉴。

由于车站工期影响及相关准备不足，只针对铣槽机工艺在南昌地区泥质粉砂岩层中如何快速成槽做了分析讨论，未对不同刀盘选型、配套设备及成槽参数等对成槽质量的影响进行分析，后续有待进一步研究。