在泥質粉砂巖地層中采用雙輪銑快速成槽施工技術

詹 濤， 楊春勃， 安 斌

(1. 南昌軌道交通集團有限公司, 江西 南昌 330000； 2. 中鐵隧道集團二處有限公司, 河北 三河 065201)

0 引言

我國城市軌道交通發展迅猛，目前已有42個城市在進行軌道交通建設，規模大、范圍廣，“十三五”階段是建設城市軌道交通的黃金時期。地下連續墻作為一種安全性較高的明挖基坑擋土構件，已廣泛應用于市政工程等的基坑施工中。隨著各種深大基坑工程施工，地下連續墻的深度越來越大，碰到的巖層也越來越復雜。成槽機、引孔鉆機、旋挖鉆、銑槽機等以單一或組合的形式應用于地下連續墻施工中，以達到在不同復雜地層中快速施工的目的。

1996年我國引進第1臺德國寶峨公司的雙輪銑槽機，由于該機在三峽2期圍堰工程中的出色表現，雙輪銑槽機普遍地出現在城市基坑圍護結構施工中。國內外學者對銑槽機的應用做了大量的研究，如文獻[1-5]針對雙輪銑槽機在深圳[1]、福州[2]、長沙[3]等不同地區及堅硬花崗巖[4]、軟土地區[5]等不同地質中的應用做了總結分析。文獻[6-7]論述了南昌地區主要的地下連續墻入巖成槽技術。胡春環等[8]比較了液壓雙輪銑技術與液壓抓斗技術。陳剛[9]較詳細地闡述了抓銑結合工藝在超深地下連續墻施工中的應用。雖然雙輪銑槽機具備成槽工效高、成槽精度高、槽壁光滑、適應地層地質范圍廣等優點，但在含有黏粒等特殊地層中如果銑槽機選型不當，仍會嚴重影響施工效率。目前對銑槽機的研究主要集中在不同地層的工藝使用上，而對在特定地層中通過刀盤選型及配套設備選用快速提高成槽技術的研究甚少。

南昌地區的巖層主要有泥巖、砂巖與泥質粉砂巖，在這3種地層中施工地下連續墻成槽，屬泥質粉砂巖最為緩慢，其主要原因是該地層含泥量高，泥水難以分離，攜渣能力差，且成槽設備的刀具易被糊住；加之粉砂顆粒細、含量高、致密、強度高、巖層厚，成槽設備的刀具難以快速貫入和切削。本文以南昌軌道交通3號線六眼井站為例，通過對刀盤及配套設備選型、調整施工工藝，闡述地下連續墻在泥質粉砂巖地層中采用雙輪銑快速成槽施工技術。

1 工程概況

1.1 設計概況

南昌軌道交通3號線六眼井站地處西湖老城區，位于象山南路和南浦路交叉路口，沿象山南路南北向布置，周邊緊鄰高層建筑。車站結構為雙柱3跨地下3層島式車站，總長為179.5 m,標準段寬為22.2 m，基坑開挖深度為23.6～26.5 m。

圍護結構全部采用地下連續墻，共有74幅地下連續墻。墻厚為1 m，標準槽段幅寬為6 m。地下連續墻深為29.7～31.5 m，入巖平均深度為14 m。六眼井站車站標準段斷面如圖1所示。為滿足交通疏解要求， 六眼井站為半蓋挖車站，地下連續墻分2期施工，每期37幅。

1.2 工程、水文地質

地下連續墻施工涉及復合地層(見圖1)自上至下依次為： 雜填土(層厚約3 m)、淤泥質粉質黏土(層厚約2 m)、中粗砂(層厚約2.5 m)、礫砂(層厚約8.5 m)、強風化泥質粉砂巖(層厚約1.5 m)、中風化泥質粉砂巖(層厚約13 m)。

泥質粉砂巖是指泥質成分(即顆粒粒徑小于0.005 mm的物質)占到粉砂巖總質量的25%～50%。強風化泥質粉砂巖單軸抗壓強度一般小于10 MPa，結構大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙發育，巖體破碎，用鎬可挖。中風化的巖石裂隙比較發育，沿裂隙有較多的次生礦物生成，中風化泥質粉砂巖為紫紅色，泥質結構，巖面風化中等，巖體較完整，局部見少許垂直裂隙，少數鐵、錳質渲染，錘擊聲啞，無回彈，有凹痕，易擊碎，巖芯多呈短柱狀，RQD為80%～95%，巖石基本質量等級為Ⅳ級，局部夾青灰色鈣質泥巖，穩定性較好。六眼井站中風化巖層情況如圖2所示。

圖1 六眼井站車站標準段斷面圖(單位: mm)Fig. 1 Typical cross-section of Liuyanjing Station (unit: mm)

圖2 六眼井站中風化巖層情況Fig. 2 Weathered stone revealed from Liuyanjing Station

站址地下水類型可分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水3種類型。在圍護結構外側主要以砂層內潛水為主，水位標高17.5 m。基坑底部標高-2.0 m，最大水頭高度19.5 m。

基坑處于富水砂層中，水頭壓力較大，基坑開挖時滲漏水、噴涌砂風險較高。

1.3 周邊建筑

站址位于西湖區象山南路與南浦路交叉口，車站周邊有多棟高層民用及商業建筑，其中，江西南華醫藥有限公司(地上14層)距離站址2 m、樟樹國藥局(地上7層)距離站址1.9 m、華潤萬家居民樓(8層)距離站址6.8 m、贛劇院(2層)距離站址8.9 m、綠地售樓處(2層)距離站址9.2 m。近接建筑物多而近，對基坑施工的變形、振動、基坑滲漏要求較高。六眼井站周邊建筑位置關系平面圖如圖3所示。

圖3 六眼井站周邊建筑位置關系平面圖Fig. 3 Plan showing relationship among Liuyangjing Station and surrounding buildings

2 工藝比選

采用文獻調研、現場調查、理論分析等相結合的方法，分析國內外地下連續墻施工工藝，針對六眼井站入巖深、距離建筑物近的特殊條件，對本工程地下連續墻施工工藝進行比選分析。

2.1 成槽機+旋挖鉆結合成槽施工工藝

成槽機+旋挖鉆機結合成槽工藝[10]： 旋挖可以在礫砂層、中風化泥質粉砂巖中成孔，且成孔效率較高，為沖擊鉆孔效率的2～4倍；但旋挖鉆成孔過程中，由于地下連續墻深度達33 m，鉆桿的垂直度不容易達到規范要求，導致成槽機成槽時糾偏難度大，易形成2幅相鄰槽段豎向錯臺，造成墻縫滲漏噴涌、結構侵限的風險極大。

2.2 成槽機+沖擊鉆結合成槽施工工藝

成槽機+沖擊鉆結合成槽工藝： 在地下連續墻成槽施工中應用較早，工藝較成熟，在地層適應性上，沖擊鉆適宜在中風化泥質粉砂巖內成孔，垂直度控制較旋挖鉆要好；但沖擊鉆效率低、沖擊振動大，造成成槽時間長、工期延后較多，特別是距離建筑物較近時，振動對周邊建筑物的影響大。

2.3 雙輪銑槽機成槽工藝

雙輪銑槽機成槽工藝適應地層范圍廣[11]，本站點回填土、礫砂、中風化泥質粉砂巖均適用，作業效率高，雖然在土層中效率優勢并不明顯，但在巖層施工中效率是普通成槽機的幾倍，是其他成槽設備無法比擬的；同時成槽(孔)質量好，可使墻體的垂直度偏差值控制在3‰以下，降低相鄰幅段之間的錯臺，提高接頭清刷質量，有效減少槽段之間的夾泥夾渣，大大降低墻縫滲漏噴涌的風險，保障近接建筑物的安全。

通過對比分析，六眼井站地下連續墻采用工效高、成槽質量好的銑槽機工藝施工。雙輪銑槽機施工工藝如圖4所示。

圖4 雙輪銑槽機施工工藝Fig. 4 Grooving technology of double-wheel trench cutter

3 設備選型

3.1 刀盤選型

根據市場調研，國內使用的銑槽機刀盤有3種： 平齒、錐齒和球齒(見圖5)。銑槽機刀盤選型時結合巖層強度選用不同的刀盤，可將刀盤工效最大化。刀盤選型(宏觀上)： 軟巖采用平齒，稍硬巖采用錐齒，硬巖采用球齒。通過查閱不同刀盤在不同巖層強度下的銑槽速度經驗數據，結合六眼井站地下連續墻中風化泥質粉砂巖強度(7～8 MPa)，初步擬采用標準型平齒銑輪。不同刀盤在不同巖層強度下的銑槽速度如圖6所示。

(a) 平齒(b) 錐齒 (c) 球齒

圖6 不同刀盤在不同巖層強度下的銑槽速度Fig. 6 Grooving speeds of different cutterhead in different stata

3.2 主機選型

六眼井站地下連續墻深度為31.5 m，入巖深度為14 m，巖石強度較低，鑒于機械費用經濟合理性，機型滿足現場施工即可[12-13]。從轉矩和泥漿泵流量2個指標進行分析，結合巖層特性及南昌地區既有資源，主機選用意大利土力SC120銑槽機，主要設備參數見表1。意大利土力銑槽機施工作業如圖7所示。

表1 意大利土力SC120銑槽機主要參數Table 1 Main properties of SC120 trench cutter (Soilmec S.p.A.)

圖7 意大利土力銑槽機施工作業Fig. 7 Trench cutter operation (Soilmec S.p.A.)

4 施工中出現的難題及原因分析

4.1 施工中出現的難題

六眼井站1期前15幅地下連續墻成槽時間記錄如圖8所示。平均成槽時間45.08 h，其中,第2、3、8、9幅在成槽過程中由于銑槽機刀盤“結泥餅”，成槽時間高出平均時間10 h不等，通過階段性分析總結，意大利土力SC120銑槽機在六眼井站的成槽速度約為砂層3 m/h、巖層1.5 m/h。

圖8 六眼井站1期前15幅地下連續墻成槽時間Fig. 8 Grooving times of first 15 underground diaphragm walls of Phase 1 of Liuyanjing Station

4.2 原因分析

根據以往施工經驗，SC120銑槽機在其他地區巖層中成槽速度可達到2.5 m/h，實際施工中未能達到預期效果，針對施工過程中的各環節，結合工程地質，根據現場渣樣及設備性能綜合分析，總結為以下幾個原因：

1)六眼井站地層中有3 m厚的黏土層，容易在刀盤面形成泥餅。泥質粉砂巖中泥質成分(即顆粒粒徑小于0.005 mm的物質)占到粉砂巖總質量的25%～50%，黏粒含量大，在銑輪擠壓和高熱的工況下，易產生泥餅，若不及時清理，會出現糊輪，造成進尺緩慢。

2)泥質粉砂巖中黏粒含量過多，巖渣稠度大，泥漿泵負荷過高，造成大量銑碎的巖渣及粉末滯留，是形成銑槽機刀盤糊輪的一大主因。

3)銑槽機泥漿后臺濾砂設備細顆粒篩分能力差，三級篩分設備中除泥機篩分最小粒徑為0.01 mm，遠大于泥質顆粒0.005 mm，造成循環漿液細顆粒過多、稠度大，巖渣和稠漿緊貼銑輪刀盤，形成阻力，消耗部分轉矩，造成刀盤進尺能力削弱。

4)平齒刀盤面板大，與滯留的巖渣接觸面積大，板與板之間的粉粒易殘留，易結泥餅易糊刀，降低切削能力；同時，站址中風化泥質粉砂巖巖層實測強度達到15 MPa，標準型平齒很難充分切削巖面，即使不糊刀，銑槽速度也達不到預期。

5)循環泥漿溫度高，不能對刀盤有效降溫，為刀盤結泥餅糊刀盤提供了條件。

5 泥質粉砂巖銑槽機快速施工措施

5.1 “抓銑結合”提高銑槽機在巖層施工的使用率，提高工效

施工過程中由于糊輪現象的出現，進度受到一定約束，銑槽機的優勢未能得到體現。為加快施工進度，配置1臺成槽機抓去上部較軟的黏土層及其他軟土層，到達巖面以上1 m即更換為銑槽機進行入巖作業，2類設備前后抓取同一槽段的砂土地層和巖層，充分發揮銑槽機在巖層施工的優勢，從而提高成槽工效，加快施工進度。根據槽段軟土層的厚度，結合成槽機的生產能力，配置1臺SG50成槽機。

5.2 利用循環漿溫度，冷卻刀盤，防結泥餅

將循環漿池進行擴建，增加散熱面積，并做遮陽棚避免漿液被暴曬，使循環漿能快速降溫；及時在循環泥漿中注入新配置漿液，確保進入槽內的循環漿處于低溫狀態。

5.3 增強刀盤破巖能力，形成塊體，降低糊刀風險

平齒刀盤面板大，且面板之間的部位容易吸附黏粒，易結餅糊刀，平齒切削能力稍差，巖渣小而細；替換成錐齒刀盤，貫入度增大，破巖能力強，將巖體切削成塊狀，小顆粒大量減少，同時，大塊巖渣摩擦碰撞刀盤，吸附在刀盤的黏粒被沖擊掉落，大大降低了糊刀的風險。現場更換錐齒刀盤如圖9所示。

圖9 現場更換錐齒刀盤Fig. 9 Replacement of conical tooth type cutterhead

5.4 泥水分離，調整泥漿指標，優化循環漿質量

泥漿質量指標主要有相對體積質量、黏度及含砂率。

1)當相對體積質量偏高時，泵的負荷增大，泵閥的磨損加快；相對體積質量偏低，分離設備很難充分發揮工效，且產生廢漿較多，廢漿外運的成本較高。

2)當黏度較低時，攜渣能力差，泥膜質量較差，影響槽段安全；黏度較高，影響分離設備的效果,刀盤上容易形成泥糊。

3)含砂率是泥漿內所含的砂和黏土顆粒的體積百分比。泥漿含砂率大時，會降低銑槽貫入度，增加沉淀，容易磨損泥漿泵和鉆錐等鉆具。

通過試驗分析，當泥漿指標控制為相對體積質量1.05～1.15、黏度20～25 s、含砂率<4%時，可以提高泥漿的攜渣能力，并減小巖石粉末和土層中的黏土附著在刀盤或已經形成的泥餅上的概率[14-15]，并且可以化解初步形成的泥餅。

為了降低泥漿中的含砂率，將后臺濾砂濾泥設備改為離心設備進行泥水分離，降低了漿液中的含砂量，循環漿質量得到提升，護壁、浮渣效果得到改善，提高了漿液的攜渣能力，同時為地下連續墻后續工藝的施工提供了保障。除砂機設備作業如圖10所示。泥水分離后的固、液相分別如圖11和圖12所示。

圖10 除砂機設備作業Fig. 10 Operation of sand filter

圖11 泥水分離后的固相圖Fig. 11 Solid slurry after separation

圖12 泥水分離后的液相圖Fig. 12 Liquid slurry after separation

5.5 反轉刀盤防結泥餅

在進尺達到巖層一半時，停止掘進，將銑輪刀盤反轉1 min，避免長時間單方向旋轉形成泥餅。當糊刀頻繁時，每進尺3～4 m即可將銑輪刀盤反轉。

5.6 增大設備轉矩，增強破巖能力

在設備選型時，考慮含黏粒較多的泥質粉砂巖條件，適當選擇大轉矩銑槽機，增強破巖能力。一次貫入深度大，增大了巖渣塊徑，可預防刀盤結泥餅及減小糊刀盤的概率，提升銑槽機的有效作業時間。

5.7 增大泵的功率，增強攜帶能力

在巖塊直徑增大、破巖效率增大的情況下，增大泥漿泵的功率，增強攜帶能力，減少巖渣滯留，可有效防止結泥餅，在殘渣少的工況下，進尺也能進一步加快。但在加大抽渣泵功率的同時，也要加大循環漿泵的功率與之匹配，保證泥漿液面的高度滿足規范要求。

6 優化施工工藝后的施工效果

6.1 1期地下連續墻成槽工藝調整后施工效果

通過采用5.1—5.5節的技術措施，并對刀盤、后配套泥漿處理設備進行更換、泥漿指標進行調整，有效提高了成槽速度，降低了“結泥餅”的頻率，成槽速度提升至2 m/h，單幅成槽時間降低至26.7 h，順利完成了1期地下連續墻的施工。1期第16—30幅地下連續墻成槽時間如圖13所示。

圖13 1期第16—30幅地下連續墻成槽時間Fig. 13 Grooving times of 16th to 30th underground diaphragm wall of Phase 1 of Liuyanjing Station

6.2 2期地下連續墻成槽工藝調整后施工效果

六眼井站2期地下連續墻施工前，具備再次選型的機會。

結合南昌地區既有資源，主機更換為德國寶峨BC40。德國寶峨BC40銑槽機施工作業如圖14所示。SC120與BC40關鍵參數對比如表2所示。2期37幅地下連續墻成槽時間如圖15所示。

圖14 德國寶峨BC40銑槽機施工作業Fig. 14 Operation of milling machine (Bauer Group)

表2 SC120與BC40銑槽機關鍵參數對比Table 2 Comparison of main properties between SC120 and BC40

經過對比，采用SG50成槽機+德國寶峨BC40銑槽機“抓銑”結合施工工藝，在銑槽機刀盤設置錐齒刀盤、后配套一致的情況下，德國寶峨BC40銑槽機在更小的占地尺寸的情況下擁有更大的轉矩以及泥漿運輸能力，可以更好地適應南昌泥質粉砂巖地層，成槽速度提升至2.75 m/h,平均成槽時間縮短為18 h，且單幅成槽時間穩定，與平均時間基本吻合。

圖15 2期37幅地下連續墻成槽時間Fig. 15 Grooving times of 37 underground diaphragm wall of Phase 2 of Liuyanjing Station

7 結論與討論

本文依托南昌軌道交通3號線六眼井站工程，通過對南昌地區較厚的泥質粉砂巖地層的性狀分析，并充分調研現有的巖層成槽設備性能，結合六眼井站前后2期地下連續墻的施工實踐得到以下結論：

1)復合地層中采用“抓銑”結合工藝對加快工程施工進度優勢顯著。

2)針對南昌地區較厚的泥質粉砂巖地層，錐齒型刀盤比標準平齒刀盤具有更好的破巖效果，可快速成槽且刀盤結泥餅的概率低。

3)在相同刀盤配置的情況下，選擇相適應的設備轉矩、相適應功率的泥漿泵系統更適合于該泥質粉砂巖地層，在增強破巖能力的同時能提高出渣效率，大大減小結泥餅糊刀盤的風險，施工速度進一步提升。

4)在泥質粉砂巖地層中，離心式泥水分離系統較振動濾砂機擁有更好的泥水分離效果，可有效保障槽段內泥漿性能。

通過采用相關的措施，改善了循環漿的質量、降低了刀盤的溫度、增強了破巖能力，加大了泵的出渣能力，大大降低了刀盤結泥餅的概率，加快了現場的施工進度，解決了南昌地區泥質粉砂巖雙輪銑槽機結泥餅、糊刀盤等降低成槽工效的難題，形成了適應南昌地區泥質粉砂巖地層的地下連續墻快速成槽施工技術，可以在南昌地區推廣應用，也可為類似地層和工程提供借鑒。

由于車站工期影響及相關準備不足，只針對銑槽機工藝在南昌地區泥質粉砂巖層中如何快速成槽做了分析討論，未對不同刀盤選型、配套設備及成槽參數等對成槽質量的影響進行分析，后續有待進一步研究。