超深硬岩条件下双轮铣槽机施工工效研究

程培春 1、 2 郭瑞生 1 李喆 1 钟德武 2 邓玉柱 1 裴晟旭 1

中建一局集团安装工程有限公司 北京 102600

中国建筑一局（集团）有限公司 北京 100161

摘要：深圳LNG接收站项目基坑围护结构为1.5m厚地下连续墙，进入中、微风化硬岩层平均深度达到20~30m，采用双轮铣槽机进行施工。本文结合工程实例，对双轮铣槽机的施工工效影响因素进行了分析，同时提出了有效措施来提高施工工效。最后结合施工中的数据记录，对岩石强度与施工工效的关系进行了分析，可供类似项目参考。

关键词：地下连续墙；硬岩；双轮铣槽机；施工工效

引言:地下连续墙作为一种基坑围护结构，具有良好的截水、防渗、挡土作用，在地铁、房建、市政等建设领域的深基坑工程中应用十分广泛。目前国内在软土层中地下连续墙的应用已经相对成熟，但在岩层尤其是硬岩层中地下连续墙的施工应用相对有限^[1]，一般地下连续墙进入硬岩层大多在几米至十几米的深度，针对超深硬岩条件下的地连墙施工工效研究较少。

深圳LNG接收站项目地下连续墙入中、微风化硬岩深度平均达到20~30m，最深达到36m。本文以此项目为依托，详细分析了铣槽机在超深硬岩条件下的施工工效，提出了工效影响因素及工效提升措施，对岩石强度与施工工效的关系进行了数据分析，对其他项目的地连墙入岩施工有一定的借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

深圳LNG接收站项目位于深圳市大鹏湾东北岸迭福北片区，是西气东输二线工程的重要配套工程，功能定位是应急、调峰需要以及向粤港地区供应天然气，规模约300万吨/年。场地全部由填海造陆形成，陆域面积约26公顷，设四座下沉式LNG储罐。其中一期工程设置T-1201、T-1202共2座下沉式20万方储罐，储罐基坑直径达到100m，深度为50m。

1.2 工程地质条件

本工程场区位于距官湖山断裂带300米左右，属于填海造陆区域。详勘报告揭示：上层为新近填土，厚度为18米~36米不等；下覆海陆互相沉积层、冲洪积层、第四系风化残积层及基岩层。本工程范围内有四种不同岩性的基岩，由场地东侧到西侧方向（远离陆岸方向）依次为花岗岩、石英斑岩和砾岩，局部分布石英砂岩，而且基岩风化很不均匀，风化岩体中含风化夹层，主要表现为全风化岩层中夹强风化岩块、中风化岩层中夹微风化岩块。

根据地勘报告，本工程基岩强度极高。其中，花岗岩干燥状态抗压强度平均为60.54MPa，最高为89.90MPa；石英斑岩干燥状态抗压强度平均为52.36MPa，最大为61.10MPa；砾岩干燥状态抗压强度平均为46.46MPa，最大为63.30MPa；石英砂岩干燥状态抗压强度平均为84.35MPa，最大为90.30MPa。

场地内地下水主要为上层滞水、孔隙承压水和基岩裂隙水。其中，上层滞水稳定水位埋深为1.80~2.80m；孔隙承压水稳定水位埋深为-1.43~6.40m；基岩裂隙水稳定水位埋深为12.10~24.00m。

1.3 地连墙设计概况

基坑围护结构采用1.5m厚地下连续墙，地连墙槽段分为Ⅰ型槽段和Ⅱ型槽段，接头形式为套铣接头。地连墙成槽施工前进行槽壁加固，加固深度为地表至全风化岩层顶部，加固形式采用850mm三轴搅拌桩。每个基坑共设置72幅地下连续墙，连续墙深度达到54~62m，平均入中、微风化岩层深度为20~30m，垂直度要求达到1/600。

1.4 地连墙施工机械设备

由于本工程场地地质条件复杂，且存在超大体量的岩层成槽，故选用世界上最为先进的地连墙成槽设备——双轮铣槽机。双轮铣槽机刀架底部装有两个铣轮，由自身的液压马达带动两个铣轮做由外向内的垂直运转，利用铣轮上的锯齿进行泥土或基岩的切削^[2]，土体或岩层被破碎成小碎块后，由安装在两个铣轮之间的大功率泥浆泵将混有碎块的泥浆抽排至后台除渣系统，从而实现持续的成槽进尺。

为保证地连墙的施工进度及施工质量，本工程引进5台德国宝峨BC40双轮铣槽机和2台意大利土力SC-135双轮铣槽机投入地连墙成槽施工，另外引进5台德国宝峨BG38旋挖钻机辅助施工。

2 施工工效影响因素

2.1 岩石强度、硬度及完整性

对于铣槽机施工来说，岩石的强度、硬度及完整性等指标是影响施工工效的决定性因素。根据地勘报告，微风化花岗岩强度最高达到89.90MPa，但由于地质勘探孔的随机性和局限性，不能全面反映铣槽时的岩石状态。根据施工过程中的岩石取样，微风化花岗岩的平均强度达到94MPa，最高数值达到136MPa；根据旋挖钻机取得的岩样，岩石的完整性极好，RQD指标最大可达到92，基本为完整岩芯；另外，在岩石中发现了大量的石英、砾石等矿物，造成了岩石整体硬度大大增加。

由于岩石的强度、硬度及完整性过高，造成铣槽机铣齿在钻进过程中难以将完整的岩石破碎切削，加之铣槽过程时岩石周边均为受限状态，入岩阻力增加，故铣槽机施工工效随岩石强度、硬度和完整性的增加而显著降低，且机械设备及钻齿的损耗量会极大增加，进一步降低了施工工效。

2.2 地层情况的不均匀性

本工程场地一侧临海，一侧靠近山体，且存在岩石破碎带，造成岩体复杂多变，难以准确预估。一方面，岩层高低起伏剧烈且不可预见，同一槽段内高差最高达到8m，造成岩面坡度极大，另一方面同一水平面的岩石强度与硬度也具有很强的不均匀性。造成施工时双轮铣槽机两个铣轮受力状态不一致，极易发生偏孔情况。

本工程地连墙作为永久结构，垂直度要求达到1/600，远高于规范中的1/300标准^[3]。当垂直度偏差超过容许值后，需要及时进行纠偏，而在硬岩中纠偏效果差，需消耗大量时间，造成施工周期延长，整体施工工效减低。

本工程岩层上部局部存在淤泥层、粘土层及遇水易软化的全风化层等，整体上为“上软下硬”的状态。双轮铣在淤泥质土层或软土层中施工时，易产生“糊轮”现象^[4]，造成工效降低、难以进尺，而人工清理糊轮需消耗大量时间，进一步降低施工工效。

2.3 机械有效工作时间

有效工作时间，即为铣槽机投入正常铣槽施工作业的时间，有效工作时间越长，每天施工进尺量越大。铣槽机施工作业过程中，存在大量的移机、换齿加油、维修保养等时间，造成有效工作时间的减少，严重影响施工工效。

2.4 机手技能及机械状况

由于国内铣槽机应用不够广泛，且铣槽机性能操作较为复杂，故铣槽机司机施工经验与水平参差不齐，“人”的因素对铣槽施工工效影响也不容忽略。另外，机械设备的新旧程度、性能质量等是制约施工工效的重要因素，铣槽机的良好状况是施工能力得以发挥的前提条件。

3 提高施工工效措施

3.1 施工工艺及施工安排优化

本工程地连墙施工的最大挑战为硬岩成槽，国内硬岩层中施工地连墙往往选择工艺较为成熟、施工成本较低的冲击钻，或者辅以地连墙液压抓斗^[5,6]；随着双轮铣槽机从国外的引进，部分项目往往采用“抓铣结合”的地连墙施工方式，即在岩层以上部分采用液压抓斗成槽，岩层部分采用双轮铣槽机进行施工^[7,8]。由于本项目上部软土采用了搅拌桩进行了槽壁加固，不适合采用液压抓斗施工；另外工期紧、任务重，施工工效较低的冲击钻同样不适合，故无法采用“抓铣结合”、“冲抓结合”或“冲铣结合”的施工方式。

考虑设计要求接头形式为套铣接头，本工程地连墙施工工艺主要采用双轮铣槽机铣槽施工。但考虑到场地岩石强度高、完整性好，铣槽机在硬岩中直接施工进尺速度较慢。为提高施工工效，考虑铣槽机进入岩层施工且进尺速度明显下降后，暂停施工，改用旋挖钻机进行岩层预先引孔，创造岩石临空面后再继续采用铣槽机进行岩层铣槽，可显著提高岩层铣槽工效。

铣槽机施工过程中插入了旋挖钻机的引孔施工，为避免铣槽机因等待旋挖钻机引孔导致施工停滞，当旋挖钻机进行当前槽段的引孔施工时，铣槽机移机至其他槽段进行上部软弱层施工，待引孔完成后再回到当前槽段继续进行岩层铣槽。通过在多个槽段间进行合理的施工流水，可避免旋挖钻机引孔施工占用关键线路，节约总体工期，提升总体工效。

3.2 钻齿选型

双轮铣槽机铣轮上的钻齿根据地层适用性主要分为平齿、锥齿、滚齿。土层、砂层及30MPa以下的岩层宜采用平齿，30~120MPa的岩层宜采用锥齿，120MPa以上的岩层宜采用滚齿^[10]。根据地质特点及目前市场上铣齿的供应情况，本工程选用适合硬岩中施工的锥齿。

由于岩石强度高、硬度大，施工过程中，进行了多种厂家的截齿尝试。经过比选，美国肯纳DS05-59X截齿综合性能良好，具有较强的强度和耐磨性能，使用寿命较长，在硬岩层中施工工效相对较高。

3.3 垂直度控制

由于场地地层条件的不均匀性，铣槽机施工过程中常常遇到斜岩、软硬岩不均等情况，极易造成垂直度偏差，而设计要求地连墙垂直度偏差不大于1/600，施工质量要求极高，控制难度大，主要从预防与纠偏两方面进行垂直度偏差控制。

预防措施：铣槽过程随时观察自带纠偏系统的显示界面，观察成槽垂直度偏差；成槽至岩土交界面及岩层中时，容易发生偏斜，每成槽一定深度后，将刀架提起，采用超声波成槽检测仪检查成槽情况。

纠偏措施：当垂直度偏差过大时，及时进行纠偏处理，铣槽机刀架分布有12块液压纠偏板，可进行槽壁修整纠偏。在硬岩中发生较大成槽偏差时，仅靠机械自带的纠偏系统难以完全实现自动纠偏，此时利用吊车对铣槽机刀架施加一个水平方向的力，辅助铣槽机进行纠偏。

通过施工过程中对成槽垂直度的控制，可有效降低成槽纠偏的频率及耗时，提升铣槽机铣槽的施工工效。

3.4 保养及维修

由于场地内基岩厚度大、强度高，极易造成机械损耗甚至损坏，因此及时对机械设备进行保养维修对提高其施工工效至关重要。但过于频繁的保养、换齿及维修等，会浪费较多的施工耗时，造成有效工作时间减少，总体工效可能反而减低。为最大限度地提升铣槽机施工工效，在施工过程中经过比较分析，确定了最优的提铣保养频率：在土层及软岩中施工时每6~8小时将铣槽机刀架提起，进行检查、换齿、保养等；在硬岩层中将频率提高至每3~4小时一次；当发现铣槽机进尺速度突然降低或出现其他异常情况时，应立即提升铣槽机刀架，检查完毕后方可继续施工。

为避免糊轮现象的频繁出现导致进尺速度降低，施工中在满足规范要求的前提下严格控制泥浆比重、粘度等指标，不满足使用要求及时置换，防止造成泥浆泵堵塞影响施工。

3.5 专家培训及交底

铣槽机在国内的应用范围不够广泛，为避免复杂地质条件下操作机手水平不够熟练，影响施工，铣槽机司机选用施工经验相对丰富的成熟机手，并邀请宝峨专家针对操作要点对机手进行作业培训，提升能力素养。

对场地内的总体地质条件及各个槽段的地勘钻孔图，向机手进行详细的交底，使机手对场地地层条件做到心中有数。施工过程中，管理人员对机手工作状态进行不定时的检查，提高机手的注意力，防止因机手走神造成操作失误，影响施工进度。

4 铣槽机工效统计分析

4.1 记录方法

铣槽机施工过程中，为详细分析施工工效，指导施工组织，对施工过程进行详细的原始施工记录。采用一机一记录的形式，机手自己记录一份、管理人员记录一份，两份记录综合反映施工情况，记录完全涵括了施工的操作、移机、加油、机手交班等，做到记录真实准确性。

4.2 岩石强度与施工工效的关系

根据铣槽机施工的施工记录，结合地质勘探资料，得到岩石强度与铣槽机施工工效的对应关系，详见图1。值得一提的是，在计算施工进尺速度时，考虑了机械换齿、保养、维修等正常的施工耗时，得到的数据可以较为真实地反映施工情况。

图1岩石强度与铣槽机施工工效的关系

从图中可以看出，尽管铣槽机施工受多种因素影响，其施工进尺速度呈现一定的偶然性，但总体趋势上与岩石强度具有显著的负相关关系，即随着岩石强度的增加，铣槽机进尺速度明显降低。结合本工程施工情况，得到铣槽机在岩层中的施工工效表，供类似工程参考。

表1 铣槽机岩层施工工效参考

注：选用时参考当地地质条件与施工经验。

5 结语

在深圳LNG接收站项目的地连墙施工中，岩石的强度和硬度、地层的不均匀性、机械有效工作时间及机手与机械设备等是影响铣槽机入岩施工工效的主要因素，其中岩石强度对入岩工效起决定性作用。为提高铣槽机施工工效，可从施工工艺及施工安排、钻齿选型、垂直度控制、机械维修保养等多方面采取相应措施。通过研究岩石强度与铣槽机施工工效的关系，为其他类似工程提供了一定的参考。

参考文献

[1]缪绍勇,王国庆,严融.嵌岩式地下连续墙施工的研究与实践[J].建筑施工,2005,27(7):1-4.

[2]陆鸿飞.双轮铣槽机在城市基坑工程上的应用——以杭州望江路过江隧道为例[J].建筑与装饰,2020,(6):162,164.

[3]建筑地基基础工程施工质量验收规范:GB 50202-2018[S],2018.

[4]罗业华.双轮铣槽机在地下连续墙施工中的应用[J].港工技术,2020,57(3):87-90.

[5]翁厚洋,刘凤华,马西峰.超深基坑大深度入岩地下连续墙施工技术[J].施工技术,2014,(11):115-118.

[6]丁国明.地下连续墙成槽入岩施工工艺[J].商品与质量,2016,(46):235.

[7]陈刚.超深地下连续墙的抓铣结合成槽施工[J].建筑施工,2014,36(1):6-7.

[8]姚国君,向何明.抓钻铣结合工艺在超深入泥岩地下连续墙中的应用[J].四川建材,2020,46(1):89-90.

[9]陈晓忠.双轮铣槽机与引孔设备配合技术在地连墙施工中的应用[J].国防交通工程与技术,2020,18(2):69-73.