不同地層中多種破巖輔助工法的雙輪銑成槽工效分析

劉智勇 王 瑋 沈 婕 丁小彬

1. 廣州地鐵集團有限公司 廣東 廣州 510330； 2. 華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510641

雙輪銑槽機因在巖層中進尺能力強、成槽質(zhì)量高、成槽深度大、糾偏能力強以及施工污染小等優(yōu)點而成為目前世界上一種先進的地下連續(xù)墻成槽裝備[1-4]。相較于軟弱地層，雙輪銑在堅硬巖層中的進尺優(yōu)勢更加突出。劉加峰[5]以福州軌道交通1號線為依托，闡述了雙輪銑槽機在堅硬花崗巖地層中成槽的可行性；沈婕等[6]研究表明，花崗巖地層中雙輪銑在引孔條件下的成槽效率比不引孔的最多可以提高3倍；詹濤等[7]分析了泥質(zhì)砂巖地層雙輪銑快速成槽技術(shù)，實踐表明采用“抓銑”結(jié)合工藝能有效提升雙輪銑成槽效率；陳伊亭[8]針對雙輪銑在強、中風化泥巖中成槽效率低的問題，提出了“兩鉆一抓”工藝，該工藝不僅有效提升雙輪銑的成槽效率，還能降低地下連續(xù)墻施工對周邊環(huán)境的影響；王科[9]在富水卵石地層比較了雙輪銑成槽工藝和液壓抓斗配合三軸攪拌樁成槽工藝，實踐表明雙輪銑的成槽工效較高且對周邊環(huán)境影響較??；劉智勇等[10]針對大傾角溶區(qū)極硬灰?guī)r地層中地下連續(xù)墻成槽效率較低的問題，提出成槽機、沖擊鉆與雙輪銑相結(jié)合的工藝，該工藝能有效提高地下連續(xù)墻的成槽效率、質(zhì)量并降低施工成本；羅反蘇等[11]針對高黏度堅硬地層，提出了旋挖鉆、成槽以及雙輪銑配合的地下連續(xù)墻成槽工藝。

目前，關(guān)于雙輪銑在地下連續(xù)墻成槽應用中的研究已十分詳盡，但大部分研究只針對單一地層，很少對不同地層中雙輪銑的成槽工效分別進行研究與對比，亦很少對不同工藝的雙輪銑成槽工效的差異性進行研究、解釋與說明。本文以廣州地鐵18、22號線番禺廣場與沙溪地鐵站地下連續(xù)墻的施工數(shù)據(jù)為依托，對比分析了花崗巖風化層與泥質(zhì)砂巖風化層這2種地層中地下連續(xù)墻的不同施工工藝、引孔機械與多種型號雙輪銑的成槽工效，并在此基礎之上，從設備的性能、工作機理與地層條件等方面進一步分析了不同地層、工法與不同型號雙輪銑成槽工效差異性的影響因素，旨在為類似地層中地下連續(xù)墻施工方案、引孔機械與雙輪銑型號的選取提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

番禺廣場車站主體基坑的開挖深度為40 m（標高為－32.234 m），車站采用厚1 200 mm的地下連續(xù)墻，并加5道內(nèi)支撐支護；地下連續(xù)墻嵌固深度約4.5 m，總長約44.5 m，支撐設置臨時型鋼立柱，立柱基礎采用直徑1 600 mm旋挖樁，立柱嵌固深度約10 m，總長約50 m。沙溪地鐵站為地下3層的四線島式越行站，總長度為465.350 m，標準段寬度為34.1 m，車站底板埋深為28.0～30.0 m，車站及停車線段均采用明挖順作法施工，基坑開挖深度為28.20～30.20 m，采用厚1 200 mm的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻深度為33.20～35.20 m。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

番禺廣場地鐵站基坑深度范圍內(nèi)的土層由上至下依次為人工填土、淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖以及微風化花崗巖，且花崗巖風化層中分布少量安山巖。微風化花崗巖平均強度為80 MPa，局部高達114 MPa，屬于極硬巖，但水理性質(zhì)較差，遇水易崩解。場地水文地質(zhì)條件中等復雜，主要含水層是第四系海陸交互相砂層及部分破碎風化層。沙溪站基坑深度范圍內(nèi)的土層由上至下依次為人工填土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖殘積土層、全風化泥質(zhì)砂巖、強風化泥質(zhì)砂巖以及中風化泥質(zhì)砂巖。中風化泥質(zhì)砂巖巖體較破碎，富水性差，透水性弱。場地水文地質(zhì)條件復雜，主要含水層是砂層和破碎風化層。

2 復合地層雙輪銑槽機的成槽工效

番禺廣場與沙溪地鐵站地處花崗巖與泥質(zhì)砂巖交會帶，地層分布復雜多變。番禺廣場地鐵站基坑地下連續(xù)墻共204幅，計劃8個月完成施工，平均每個月完成26幅，項目采用寶峨MC96、BCS40等2種型號的雙輪銑；沙溪地鐵站基坑地下連續(xù)墻共124幅，計劃5個月完成施工，平均每月完成25幅，項目采用徐工XTC80/85、中聯(lián)ZC32與寶峨BCS40等3種型號雙輪銑，設備參數(shù)如表1所示。

本文所涉及地下連續(xù)墻的成槽工藝有：“成槽機＋沖擊鉆”“成槽機＋雙輪銑”以及“成槽機＋引孔機械＋雙輪銑”等3種。一般情況下，堅硬巖層以上的地層采用成槽機進行成槽，堅硬巖層及以下采用沖擊鉆、雙輪銑或引孔機械配合雙輪銑進行成槽施工。堅硬巖層中，傳統(tǒng)的沖擊鉆成槽工藝是利用沖擊鉆破碎堅硬巖體，再利用成槽機抓取巖屑。雙輪銑成槽工藝則是使用雙輪銑在堅硬巖層中直接成槽，雙輪銑切削、破碎巖體，循環(huán)泥漿將巖屑帶出。然而，巖層中單采用雙輪銑槽機時不但進尺效率較低還會產(chǎn)生極大的機械磨損[12]，所以雙輪銑施工前應先采用沖擊鉆、沖孔樁機、旋挖鉆或潛孔鉆等引孔機械進行引孔，雙輪銑每次切割的槽段內(nèi)應引2～3個孔為宜。

表1 雙輪銑槽機的配置參數(shù)

傳統(tǒng)沖擊鉆成槽工藝的工效為巖層厚度與沖擊鉆有效工作時間的比值。雙輪銑工效為雙輪銑的單獨工作效率，即不考慮流水作業(yè)的影響，其值為巖層厚度與雙輪銑有效工作時間的比值。上述均不包含傳統(tǒng)成槽機的工作時間，采用“成槽機＋引孔機械＋雙輪銑”工藝時，亦不包含引孔機械工作時間。沖擊鉆與雙輪銑的有效工作時間為機械的總工作時間扣除機械維修時間和其他中斷時間所得。

2.1 “成槽機＋引孔機械＋雙輪銑”成槽工藝

軟弱地層中，雙輪銑成槽效率比傳統(tǒng)成槽機僅高2～3倍，而在巖層中可達4～6倍[12]。因此，軟弱地層采用成槽機直接進行成槽，而在巖層中則采用雙輪銑槽機。傳統(tǒng)的成槽機利用自身質(zhì)量對巖土體進行沖擊，成槽機抓斗嵌入巖土體后進行抓削，施工中可通過提高抓斗質(zhì)量與改變斗齒角度以提高成槽機進尺效率。在花崗巖與泥質(zhì)砂巖中則先采用引孔機械如沖擊鉆、潛孔鉆、旋挖鉆或沖孔樁機等破碎巖體，降低巖體強度，再使用雙輪銑進行成槽，旨在提高雙輪銑成槽效率與降低雙輪銑的機械損耗。

2.2 地下連續(xù)墻不同成槽工藝的工效對比

在花崗巖風化地層中，對比了地下連續(xù)墻的“成槽機＋沖擊鉆”“成槽機＋雙輪銑”及“成槽機＋引孔機械＋雙輪銑”等3種成槽工藝的施工工效，工效對比列于表2和圖1中。泥質(zhì)砂巖地層中對比了“成槽機＋雙輪銑”與“成槽機＋引孔機械＋雙輪銑”等2種成槽工藝的工效，工效對比列于表3和圖2中。

在花崗巖風化層中，“成槽機＋沖擊鉆”與“成槽機＋雙輪銑”工藝相比，雙輪銑的成槽工效遠超沖擊鉆。中風化花崗巖中寶峨BCS40雙輪銑的成槽效率是沖擊鉆的4.1倍，寶峨MC96是其4倍；而微風化花崗巖中寶峨MC96與BCS40雙輪銑的工效是沖擊鉆的3.1倍。沖擊鉆引孔時容易出現(xiàn)偏孔，需對鉆孔進行糾偏，因而造成了沖擊鉆成槽效率較低的問題。雙輪銑槽機有良好的糾偏系統(tǒng)，自動化程度較高且出渣較快，所以成槽效率高、質(zhì)量好，成槽天數(shù)降幅最多可達19 d。

其中，LCCIi為i單元的土地資源承載力指數(shù)；Pia為i單元現(xiàn)實人口數(shù)量。根據(jù)LCCIi的大小就可以量化區(qū)域的土地承載力狀況，進行評價分級。

表2 花崗巖中不同成槽工藝工效對比

表3 泥質(zhì)砂巖中不同成槽工藝工效對比

圖1 花崗巖中不同成槽工藝工效對比

圖2 泥質(zhì)砂巖中不同成槽工藝工效對比

相較于“成槽機＋雙輪銑”工藝，“成槽機＋引孔機械（沖擊鉆）＋雙輪銑”工藝雙輪銑進尺效率有了極大提升。寶峨BCS40雙輪銑成槽工效最多提高了51%，寶峨MC96最多提高了123%，并且設備檢修次數(shù)下降，更換鉆齒數(shù)最大降至原來的0.097，機械損耗得以有效降低。這是由于沖擊鉆先于雙輪銑破壞巖體，使堅硬巖體局部呈破碎狀態(tài)，銑齒更易貫入巖體進行切割與磨削，雙輪銑銑輪轉(zhuǎn)動阻力得以降低，因此不僅提高了雙輪銑的進尺效率，還降低了銑齒與銑輪的磨損量。另外，寶峨MC96雙輪銑的發(fā)動機額定功率為570 kW，大于BCS40的354 kW，即在銑輪扭矩相同的情況下，MC96的極限破巖能力強于BCS40，因而引孔后MC96雙輪銑的進尺效率有更大的提升。

在泥質(zhì)砂巖風化層中，“BCS40雙輪銑＋沖擊鉆＋成槽機”的工效高于傳統(tǒng)成槽工藝，但提升幅度僅為30%～35%，這是由于泥質(zhì)砂巖巖體強度相對較低（中風化泥質(zhì)砂巖為8 MPa），傳統(tǒng)的成槽機不存在進尺困難的問題，因而雙輪銑成槽的優(yōu)勢無法凸顯。

可見，在正常成槽過程中，“成槽機＋引孔機械＋雙輪銑”工法具有工效大、成槽質(zhì)量高以及雙輪銑機械損耗較小的優(yōu)點。

2.3 雙輪銑配合不同引孔機械的工效對比

在花崗巖風化層中采用“成槽機＋引孔機械＋雙輪銑”的地下連續(xù)墻成槽工藝，其中雙輪銑型號為寶峨MC96型，引孔機械采用沖孔樁機、旋挖鉆、潛孔鉆以及沖擊鉆，各種工法的工效列于表4與圖3中。

表4 MC96雙輪銑配合不同引孔機械的工效

圖3 MC96雙輪銑配合不同引孔機械的工效

沖孔樁機利用卷揚機將鉆頭提升到一定高度，突然釋放并依靠鉆頭的質(zhì)量沖擊巖體，巖體在沖擊荷載的作用下局部發(fā)生破碎使得巖體強度降低；旋挖鉆在鉆進巖體時鉆頭不斷旋轉(zhuǎn)，由于極硬巖石脆性特性突出，因此在旋轉(zhuǎn)掘進過程中，巖石沿鉆孔內(nèi)壁不斷破損，鉆進過程中巖體碎屑被帶出，巖體強度降低。沖擊鉆與潛孔鉆也是利用鉆頭提供的沖擊力破損巖體，但不同的是潛孔鉆與沖擊鉆在破損巖石后還會進行回轉(zhuǎn)，這將進一步破壞巖體和降低巖體強度?？梢姡阢@、潛孔鉆以及沖擊鉆破碎極硬巖體的能力要大于沖孔樁機的。因此，在旋挖鉆、潛孔鉆以及沖擊鉆引孔后，雙輪銑銑輪的成槽阻力減小、磨損降低，銑齒更容易貫入巖體進行成槽，對應的成槽工效為沖孔樁機引孔條件下的2～3倍。

2.4 不同型號雙輪銑的工效對比

泥質(zhì)砂巖風化層中采用“成槽機＋引孔機械＋雙輪銑”工藝進行地下連續(xù)墻成槽，引孔機械采用沖擊鉆，多種型號雙輪銑的工效數(shù)據(jù)列于表5與圖4。在泥質(zhì)砂巖中，中聯(lián)ZC32型雙輪銑的成槽工效最低，BCS40雙輪銑的成槽工效最高。寶峨BCS40雙輪銑的銑輪最大扭矩為2×100 kN·m，大于中聯(lián)與徐工雙輪銑的最大扭矩，在銑齒型號相同的情況下，BCS40雙輪銑銑齒貫入巖體的能力更強，銑齒對巖體進行更多地切削與破碎而并非單純的刮磨，因此寶峨BCS40雙輪銑的破巖能力更強且所產(chǎn)生的銑齒磨損更小[7]。

表5 泥質(zhì)砂巖中不同型號雙輪銑工效對比

圖4 泥質(zhì)砂巖中不同型號雙輪銑的工效對比

正是由于有效破巖能力的不同，中聯(lián)與徐工雙輪銑的成槽工效要低于BCS40雙輪銑，并且更換銑齒的個數(shù)遠超寶峨BCS40。可見，當?shù)刭|(zhì)條件與引孔機械相同時，破巖能力較強（扭矩大）的雙輪銑能有效提高雙輪銑的成槽工效并降低雙輪銑機械損耗。

3 結(jié)語

1）“成槽機＋雙輪銑”工法在巖層中的成槽效率優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。在花崗巖風化層中，寶峨BCS40雙輪銑與MC96雙輪銑的成槽效率是沖擊鉆成槽效率的3倍以上，可以縮短工期，降低施工風險；在泥質(zhì)砂巖風化層中，寶峨BCS40雙輪銑配合沖擊鉆的工效略高于傳統(tǒng)成槽工藝。

2）雙輪銑在引孔條件下進尺效率有了極大的提升。相較于僅使用雙輪銑的情況下，引孔條件下寶峨BCS40雙輪銑成槽工效最多提高了51%，MC96最多提高了123%，并且設備檢修次數(shù)下降，更換鉆齒數(shù)最大降至原來的0.097。

3）不同的引孔機械破巖能力不同，因此不同引孔條件下雙輪銑的成槽工效存在差異。由于旋挖鉆、潛孔鉆以及沖擊鉆的破巖能力強于沖孔樁機，故寶峨MC96雙輪銑配備旋挖鉆、潛孔鉆或沖擊鉆時，成槽工效是配備沖孔樁機時的2～3倍。

4）當在泥質(zhì)砂巖地層中配備引孔機械時，采用破巖能力強的寶峨BCS40雙輪銑有助于提高成槽工效并降低雙輪銑的機械損耗。

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