上海隧道工程有限公司 上海市 200000
摘要：论述铣槽机与旋挖钻破岩原理；复杂地质构造对设备功效的影响；岩石通过不同压力断裂时间与压力函数，观察并记录岩石岩粒大小，裂纹延伸方向、长度、角度、裂缝宽度；在矿山井和工作井，对比分析不同品牌的铣槽机工作效率，选择最优设备组合施工；
关键词：铣槽机；旋挖钻；地连墙；功效选择；破岩统计；凝灰岩
1.铣槽机与旋挖钻机原理
铣槽机由液压系统和电气控制系统组成钢制框架，两边马达带动两个装有铣齿的滚筒，底部安装3个液压马达，水平向排列。铣槽时，两个滚筒低速转动，方向相反，铣齿将底层围岩铣削破碎，中间液压马达驱动泥浆泵，通过铣轮中间的吸砂口将钻掘出的岩渣与泥浆排到地面泥浆站进行集中处理后返回槽段内，往复循环，直至终孔成槽。铣槽机垂直度保持与槽段轴线一致，并由两个独立的测斜仪检测，其数据由驾驶室内的电脑处理并显示在液晶屏上，驾驶员可随时监控并通过改变铣槽机的转速来实现对铣槽机垂直度的调整。根据工程实际情况采用的为宝娥BC-30铣槽机。
旋挖钻机岩层(岩心钻)的成孔作业,依靠大加压力将钻具截齿压入岩石，在强大的动力头输出扭矩的作用下，使岩石产生剪切破碎[1]。旋挖钻机在施工过程中，通过动力头的旋转驱动钻杆，带动钻具旋转，在加压载荷与旋转扭矩的作用下，钻具与岩石的接触面之间就会产生剪切力，实现剪切破。岩钻杆上一般会有三至四个锁点，通过机锁点可把每节钻杆锁住，完全把加压力传递给钻具，加压载荷的传递效率较高，能在具与岩体之间产生较大的剪切力，实现硬岩的钻进。
.png)
图1钻机斗齿示意图
2.铣槽机与旋挖钻机配合引孔在江北矿山井地连墙技术应用
2.1工程概况
温州市域铁路S2线一期工程土建SG5标段黄华站至灵昆站区间北起黄华镇，南至灵昆镇，工程起止里程为DK47+653.4～DK54+700.0，线路全7046.6m。包括：过江隧道DK47+770.72~DK52+654.25全长4883.53m，采用盾构法（江中段约2.6公里）+矿山法（江北穿岩段约0.6公里）+明挖法（其余段约1.6公里）施工。桥梁起止里程为DK52+631.6~DK54+700.00（灵昆特大桥），总长约2公里。本论文工程为江北明挖段第一区DK48+520-DK48+570段50米，成“凸”型部置，尺寸38米*10米+12米*21米，深度19.2-21.7米，坡度2.8%。
围护结构采用φ650三轴搅拌桩、1000厚地连墙、灌注桩进行地基加固。支撑系统包括第一道支撑采用钢筋混凝土800×800mm支撑，支撑水平间距6m；第二道～第六道支撑采用Φ800mm钢管支撑，支撑水平间距为3m。主体结构DK48+520～DK48+558段38米采用双孔双层矩形结构，宽14.114～14.024m、高12.148～18.768m；DK48+558～DK48+570段12米采用双孔双层矩形结构，宽19m、高21.832m。该段地连墙27幅，幅宽1000，直线槽段采用5.5米分幅，首开、闭合、顺开；L型槽段采用5米，顺开或者闭合。结构混凝土强度等级采用C45，抗渗标号P8。选用不同品牌双轮铣槽机和旋挖钻机，不同组合情况下工作效率。
2.2工程地质及水文
根据岩土勘察报告，揭示凝灰岩，浅灰色、灰白色，中等风化，凝灰质结构，块状构造，主要由石英及长石等矿物组成[2]，节理裂隙较发育，岩芯呈短柱状，节长10～50cm，裂隙面充填褐色锈斑，敲击声脆。拟建工程区地表水主要瓯江及瓯江支流，区域内河道纵横交织，其水位、流量受大气降水影响较大，在丰水期向四周排泄，枯水期由地下水补给。场地范围内与工程有关的地下水主要为松散岩类孔隙潜水、松散岩类孔隙承压水和基岩裂隙水，地层主要以填筑土、淤泥、碎石土、含砾黏土、全风化岩、强风化岩、中风化岩等土层为主，地下连续墙入中风化岩深度2.7m~12.8m。
2.3设备配置优化在地连墙中运用
本工程选用徐工、德国宝俄和中联双轮铣进行对比分析，双轮铣槽机铣轮上的铣齿根据地层适用性分为平齿、锥齿和滚齿。土层、强风化泥灰岩层及30MPa以下岩层宜选用平齿，30～100MPa岩层（中风化泥灰岩层）宜选用锥齿，100MPa岩层（微风化泥灰岩层）以上宜选用滚齿。根据地质情况，江北矿山井连续墙成槽设备的铣头选用锥齿，但是中间设置活动齿，可以在每次到达开挖槽底部的时候，通过机械导向装置向上翻转，切割两个切割轮之间的脊状岩。
.png)
图2江北矿山井地质剖面图
2.4岩石破裂函数
F(σ11；σ22；μ)=μ/2（σ11+σ22）+
.png)
/2*（σ11-σ22）
（1）式中：σ11、σ22——无量纲的主应力，σ11＞σ22；
σ——无量纲的内聚力；
F——集中的线载荷；
L——刀刃与岩石的接触长度。
当F(σ11；σ22；μ)=σ时，F(σ11；σ22；μ)达到其最大值，即Fmax，此时，岩石由开裂点开始，产生裂纹，方向由下式确定：φ1,2=γ1±(π/4-φ/2)
（2）式中：φ1，φ2——分别代表楔刃两边开裂面的法线与x轴的夹角；
γ1——最大主应力平面的法线与x轴的夹角；
φ——内摩擦角，tanφ=μ。
2.5多种工法在地连墙结果分析
针对江北矿山井岩层较硬，岩层起伏变化较快，分布形式复杂。厚度、硬度均有增大发展趋势，采用单独双轮铣槽机、单独旋挖钻机、联合运用，对比功效，选出最优配置[3]。事实揭示：在淤泥、含砾石黏土土层，成槽机速率0.95-2.16m/h,进入碎石层后，成槽机无法再作业或者效率极低，转换使用双轮铣槽机。在中风化岩石强度不大于50MPA，速度达到0.81m/h；在微风化岩石中岩石强度不小于50-95MPA，速度达到0.61m/h。地墙DQ19Z-3采用该工法（德国宝俄MC96+徐工旋挖钻XR550D配合引孔）施工，成槽时间6.2天，检修次数5次，更换锥齿49个，相比地墙DQ20-6采用单独双轮铣不引孔均有所提高[4]。具体表现在：
（1）中风化钻进速率提高52.46%，弱风化钻进速率46.94%；（2）成槽时间提前3.2天，加快34.04%；（3）减少更换个数14个，减少率22.2%；（4）检修次数减少2次，减少率28.57%
结语：
本文分析了双轮铣冲击破岩的基本原理，运用用岩石断裂函数，确定岩石破裂的最大冲击力与裂纹扩展方向。运用分析对比方法，确定了旋挖钻引孔和不引孔两种工况在不同设备组合下的功效问题，结合业主工期和项目成本核算要求，最终择优确定了江北矿山井和盾构接收井的施工方法——德国宝俄MC96+徐工旋挖钻XR550D配合引孔。
参考文献：
[1]黄磊.下部为岩石的地下连续墙冲抓破岩成槽施工[J].施工技术,2003,32(9):10-12.
[2]李万莉，刘祥勇等.液压双轮铣槽机铣削岩土受力的试验探究[J].振动与冲击,2016,35(19):119-124.
[3]陈志敏.双轮铣槽机锥形铣齿在复杂硬岩地层施工中的改进[J].建筑机械化,2016(2):63-65.
[4]罗海燕，杨双锁，王婧，等.基于正交试验的深基坑变形影响因素及特征机理研究[J].科学技术与工程,2017,24(16):287-291.
作者简介：吴波成，助理工程师，上海隧道工程有限公司浙江分公司