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(fā)展迅猛，目前已有42個城市在進行軌道交通建設(shè)，規(guī)模大、范圍廣，“十三五”階段是建設(shè)城市軌道交通的黃金時期。地下連續(xù)墻作為一種安全性較高的明挖基坑擋土構(gòu)件，已廣泛應(yīng)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(xù)墻的深度越來越大，碰到的巖層也越來越復(fù)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(yīng)用于地下連續(xù)墻施工中，以達到在不同復(fù)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(xiàn)，雙輪銑槽機普遍地出現(xiàn)在城市基坑圍護結(jié)構(gòu)施工中。國內(nèi)外學(xué)者對銑槽機的應(yīng)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(qū)及堅硬花崗巖[4]、軟土地區(qū)[5]等不同地質(zhì)中的應(yīng)用做了總結(jié)分析。文獻[6-7]論述了南昌地區(qū)主要的地下連續(xù)墻入巖成槽技術(shù)。胡春環(huán)等[8]比較了液壓雙輪銑技術(shù)與液壓抓斗技術(shù)。陳剛[9]較詳細地闡述了抓銑結(jié)合工藝在超深地下連續(xù)墻施工中的應(yīng)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(yīng)地層地質(zhì)范圍廣等優(yōu)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(shè)備選用快速提高成槽技術(shù)的研究甚少。

南昌地區(qū)的巖層主要有泥巖、砂巖與泥質(zhì)粉砂巖，在這3種地層中施工地下連續(xù)墻成槽，屬泥質(zhì)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(shè)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(shè)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(shè)備選型、調(diào)整施工工藝，闡述地下連續(xù)墻在泥質(zhì)粉砂巖地層中采用雙輪銑快速成槽施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

南昌軌道交通3號線六眼井站地處西湖老城區(qū)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)全部采用地下連續(xù)墻，共有74幅地下連續(xù)墻。墻厚為1 m，標準槽段幅寬為6 m。地下連續(xù)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(xù)墻分2期施工，每期37幅。

1.2 工程、水文地質(zhì)

地下連續(xù)墻施工涉及復(fù)合地層(見圖1)自上至下依次為： 雜填土(層厚約3 m)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(zhì)粉砂巖(層厚約1.5 m)、中風化泥質(zhì)粉砂巖(層厚約13 m)。

泥質(zhì)粉砂巖是指泥質(zhì)成分(即顆粒粒徑小于0.005 mm的物質(zhì))占到粉砂巖總質(zhì)量的25%～50%。強風化泥質(zhì)粉砂巖單軸抗壓強度一般小于10 MPa，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙發(fā)育，巖體破碎，用鎬可挖。中風化的巖石裂隙比較發(fā)育，沿裂隙有較多的次生礦物生成，中風化泥質(zhì)粉砂巖為紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖面風化中等，巖體較完整，局部見少許垂直裂隙，少數(shù)鐵、錳質(zhì)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(zhì)量等級為Ⅳ級，局部夾青灰色鈣質(zhì)泥巖，穩(wěn)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(jié)構(gòu)外側(cè)主要以砂層內(nèi)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(qū)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(yè)建筑，其中，江西南華醫(yī)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(guān)系平面圖如圖3所示。

圖3 六眼井站周邊建筑位置關(guān)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(diào)研、現(xiàn)場調(diào)查、理論分析等相結(jié)合的方法，分析國內(nèi)外地下連續(xù)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(xù)墻施工工藝進行比選分析。

2.1 成槽機+旋挖鉆結(jié)合成槽施工工藝

成槽機+旋挖鉆機結(jié)合成槽工藝[10]： 旋挖可以在礫砂層、中風化泥質(zhì)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(xù)墻深度達33 m，鉆桿的垂直度不容易達到規(guī)范要求，導(dǎo)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(jié)構(gòu)侵限的風險極大。

2.2 成槽機+沖擊鉆結(jié)合成槽施工工藝

成槽機+沖擊鉆結(jié)合成槽工藝： 在地下連續(xù)墻成槽施工中應(yīng)用較早，工藝較成熟，在地層適應(yīng)性上，沖擊鉆適宜在中風化泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)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(yīng)地層范圍廣[11]，本站點回填土、礫砂、中風化泥質(zhì)粉砂巖均適用，作業(yè)效率高，雖然在土層中效率優(yōu)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(shè)備無法比擬的；同時成槽(孔)質(zhì)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(zhì)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(xù)墻采用工效高、成槽質(zhì)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(shè)備選型

3.1 刀盤選型

根據(jù)市場調(diào)研，國內(nèi)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(jié)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(jīng)驗數(shù)據(jù)，結(jié)合六眼井站地下連續(xù)墻中風化泥質(zhì)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(xù)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(jīng)濟合理性，機型滿足現(xiàn)場施工即可[12-13]。從轉(zhuǎn)矩和泥漿泵流量2個指標進行分析，結(jié)合巖層特性及南昌地區(qū)既有資源，主機選用意大利土力SC120銑槽機，主要設(shè)備參數(shù)見表1。意大利土力銑槽機施工作業(yè)如圖7所示。

表1 意大利土力SC120銑槽機主要參數(shù)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(yè)Fig. 7 Trench cutter operation (Soilmec S.p.A.)

4 施工中出現(xiàn)的難題及原因分析

4.1 施工中出現(xiàn)的難題

六眼井站1期前15幅地下連續(xù)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(jié)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(jié)，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(xù)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(jù)以往施工經(jīng)驗，SC120銑槽機在其他地區(qū)巖層中成槽速度可達到2.5 m/h，實際施工中未能達到預(yù)期效果，針對施工過程中的各環(huán)節(jié)，結(jié)合工程地質(zhì)，根據(jù)現(xiàn)場渣樣及設(shè)備性能綜合分析，總結(jié)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(zhì)粉砂巖中泥質(zhì)成分(即顆粒粒徑小于0.005 mm的物質(zhì))占到粉砂巖總質(zhì)量的25%～50%，黏粒含量大，在銑輪擠壓和高熱的工況下，易產(chǎn)生泥餅，若不及時清理，會出現(xiàn)糊輪，造成進尺緩慢。

2)泥質(zhì)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(shè)備細顆粒篩分能力差，三級篩分設(shè)備中除泥機篩分最小粒徑為0.01 mm，遠大于泥質(zhì)顆粒0.005 mm，造成循環(huán)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(zhuǎn)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(jié)泥餅易糊刀，降低切削能力；同時，站址中風化泥質(zhì)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(yù)期。

5)循環(huán)泥漿溫度高，不能對刀盤有效降溫，為刀盤結(jié)泥餅糊刀盤提供了條件。

5 泥質(zhì)粉砂巖銑槽機快速施工措施

5.1 “抓銑結(jié)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(xiàn)象的出現(xiàn)，進度受到一定約束，銑槽機的優(yōu)勢未能得到體現(xiàn)。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(yè)，2類設(shè)備前后抓取同一槽段的砂土地層和巖層，充分發(fā)揮銑槽機在巖層施工的優(yōu)勢，從而提高成槽工效，加快施工進度。根據(jù)槽段軟土層的厚度，結(jié)合成槽機的生產(chǎn)能力，配置1臺SG50成槽機。

5.2 利用循環(huán)漿溫度，冷卻刀盤，防結(jié)泥餅

將循環(huán)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(huán)漿能快速降溫；及時在循環(huán)泥漿中注入新配置漿液，確保進入槽內(nèi)的循環(huán)漿處于低溫狀態(tài)。

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(jié)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?，F(xiàn)場更換錐齒刀盤如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場更換錐齒刀盤Fig. 9 Replacement of conical tooth type cutterhead

5.4 泥水分離，調(diào)整泥漿指標，優(yōu)化循環(huán)漿質(zhì)量

泥漿質(zhì)量指標主要有相對體積質(zhì)量、黏度及含砂率。

1)當相對體積質(zhì)量偏高時，泵的負荷增大，泵閥的磨損加快；相對體積質(zhì)量偏低，分離設(shè)備很難充分發(fā)揮工效，且產(chǎn)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(zhì)量較差，影響槽段安全；黏度較高，影響分離設(shè)備的效果,刀盤上容易形成泥糊。

3)含砂率是泥漿內(nèi)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(zhì)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(jīng)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(shè)備改為離心設(shè)備進行泥水分離，降低了漿液中的含砂量，循環(huán)漿質(zhì)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(xù)墻后續(xù)工藝的施工提供了保障。除砂機設(shè)備作業(yè)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(shè)備作業(yè)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(zhuǎn)刀盤防結(jié)泥餅

在進尺達到巖層一半時，停止掘進，將銑輪刀盤反轉(zhuǎn)1 min，避免長時間單方向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。

5.6 增大設(shè)備轉(zhuǎn)矩，增強破巖能力

在設(shè)備選型時，考慮含黏粒較多的泥質(zhì)粉砂巖條件，適當選擇大轉(zhuǎn)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(yù)防刀盤結(jié)泥餅及減小糊刀盤的概率，提升銑槽機的有效作業(yè)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(jié)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(huán)漿泵的功率與之匹配，保證泥漿液面的高度滿足規(guī)范要求。

6 優(yōu)化施工工藝后的施工效果

6.1 1期地下連續(xù)墻成槽工藝調(diào)整后施工效果

通過采用5.1—5.5節(jié)的技術(shù)措施，并對刀盤、后配套泥漿處理設(shè)備進行更換、泥漿指標進行調(diào)整，有效提高了成槽速度，降低了“結(jié)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(xù)墻的施工。1期第16—30幅地下連續(xù)墻成槽時間如圖13所示。

圖13 1期第16—30幅地下連續(xù)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(xù)墻成槽工藝調(diào)整后施工效果

六眼井站2期地下連續(xù)墻施工前，具備再次選型的機會。

結(jié)合南昌地區(qū)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(yè)如圖14所示。SC120與BC40關(guān)鍵參數(shù)對比如表2所示。2期37幅地下連續(xù)墻成槽時間如圖15所示。

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

表2 SC120與BC40銑槽機關(guān)鍵參數(shù)對比Table 2 Comparison of main properties between SC120 and BC40

經(jīng)過對比，采用SG50成槽機+德國寶峨BC40銑槽機“抓銑”結(jié)合施工工藝，在銑槽機刀盤設(shè)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?lián)碛懈蟮霓D(zhuǎn)矩以及泥漿運輸能力，可以更好地適應(yīng)南昌泥質(zhì)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(wěn)定，與平均時間基本吻合。

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

7 結(jié)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(qū)較厚的泥質(zhì)粉砂巖地層的性狀分析，并充分調(diào)研現(xiàn)有的巖層成槽設(shè)備性能，結(jié)合六眼井站前后2期地下連續(xù)墻的施工實踐得到以下結(jié)論：

1)復(fù)合地層中采用“抓銑”結(jié)合工藝對加快工程施工進度優(yōu)勢顯著。

2)針對南昌地區(qū)較厚的泥質(zhì)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(jié)泥餅的概率低。

3)在相同刀盤配置的情況下，選擇相適應(yīng)的設(shè)備轉(zhuǎn)矩、相適應(yīng)功率的泥漿泵系統(tǒng)更適合于該泥質(zhì)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(jié)泥餅糊刀盤的風險，施工速度進一步提升。

4)在泥質(zhì)粉砂巖地層中，離心式泥水分離系統(tǒng)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(nèi)泥漿性能。

通過采用相關(guān)的措施，改善了循環(huán)漿的質(zhì)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(jié)泥餅的概率，加快了現(xiàn)場的施工進度，解決了南昌地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖雙輪銑槽機結(jié)泥餅、糊刀盤等降低成槽工效的難題，形成了適應(yīng)南昌地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖地層的地下連續(xù)墻快速成槽施工技術(shù)，可以在南昌地區(qū)推廣應(yīng)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(guān)準備不足，只針對銑槽機工藝在南昌地區(qū)泥質(zhì)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(shè)備及成槽參數(shù)等對成槽質(zhì)量的影響進行分析，后續(xù)有待進一步研究。