双轮铣成槽机的初步调查(王玉卿)

中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－51－双轮铣成槽机技术调查王玉卿（中铁隧道集团有限公司东黄项目部）摘要通过对双轮铣成槽设备在国内的水利、公路及地铁等多个项目的实际施工案例的技术收集和调查，阐述其设备的施工原理、施工特性、优缺点、与传统施工工艺上的经济性对比以及其主要的技术要点。关键词双轮铣成槽机优缺点刀具接头1.双轮铣成槽机的国外发展液压双轮铣槽机作为专用的地下连续墙施工设备，以其成槽施工效率高（较之抓斗法高2～3倍）、孔形规则(墙体垂直度可控制在3‰以下)、安全环保、适应地层地质范围广等优点已在发达国家普遍采用，我国1996年于三峡二期围堰工程首次引进，在国内先后被采用于多个重要工程，如水电工程小浪底工程、四川省冶勒水电站工程、穿黄项目、唐山大唐王滩电厂，公路工程有珠江黄埔大桥，地铁工程有深圳地铁一期工程3B标段老街站、广州地铁黄沙站等。但受施工成本、设备数量限制未在国内全面推广。2.双轮铣成槽机与传统成槽设备之间的差异2.1双轮铣的主要工作原理双轮铣设备的成槽原理是通过液压系统驱动下部两个轮轴转动，水平切削、破碎地层，采用反循环出碴。最大成槽深度可达150m，一次成槽厚度在800～2800mm之间。国内常用的双轮铣设备主要有德国宝娥公司、意大利卡沙特兰地地基设备有限公司、法国索莱唐日公司铣削式成槽机，成槽原理基本相同，现就国内市场占有较大图1双轮铣成槽机部件组成示意图中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－52－的德国宝娥公司生产的BC36型双轮铣成槽机为例介绍下其基本工作原理。双轮铣设备主要由三部分组成：由起重设备、铣槽机、泥浆制备及筛分系统等部分组成。主要工作部位为铣刀架，铣刀架是一个高12m、重36t带有液压和电气控制系统的钢制框架，下部安装3个液压马达，水平向排列，两边马达分别驱动两个装有铣齿的铣轮。铣槽时，两个铣轮低速转动，方向相反，其铣齿将地层围岩铣削破碎，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混合物排到地面泥浆站进行集中除砂处理、然后将净化后的泥浆返回槽段内,如此往复循环,直至终孔成槽。如图3为双轮铣成槽机铣削地层的原理示意。图3双轮铣铣削施工示意图图2B36双轮铣成槽机实物图中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－53－图4双轮铣施工工艺流程图图5双轮铣施工工艺示意图双轮铣槽机的铣头部分安装了一定数量的、用于采集各类数据的传感器，操作人员可以通过触摸屏，很直观地看到双轮铣槽机的工作状态（铣头的偏直状中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－54－况、铣削的深度、铣头受到的阻力），并进行相应的操作。操作员可以针对不同土层设定铣头的下降速度，通过控制铣头所受的压力来减少刮刀的磨损，并加快成槽速度。在铣削砂层时，速度可达6m/h，即出土量可达24m3/h；当铣削硬土层时，铣头的下降速度要放慢（避免铣头底部的轮轴受到过大的压力而造成硬石损坏轮轴上刮刀的合金部分），并作上下小幅运动，让铣轮上刮刀的合金部分能有效地铣削硬土层，破碎的石块能尽快地被吸走.在铣头沿高度的左右两侧各安装2块导向板，前后两侧各安装4块纠偏板。在地层多变地区，铣头在铣削时，往往会使前后、左右的刮刀产生受力不同的情况，造成铣头倾斜，从而引起槽孔的偏斜。此时，操作员通过触摸屏，控制液压千斤顶系统伸出或缩回导向板、纠偏板，调整铣头的姿态，并调慢铣头下降速度，从而有效地控制了槽孔的垂直度。双轮铣槽机可以在任何地层中开挖槽孔，不仅开挖槽孔的速度比液压抓斗快，而且槽孔的垂直度高；它还带有电子指示仪，可自动记录孔深、孔斜等情况，并通过触摸屏显示出来，在槽孔施工完成后，自动保存的测斜记录可全部打印出来，即可作为工程测斜资料。因此，液压双轮铣槽机是在硬土层中图6双轮铣纠偏板图7双轮铣挖掘显示中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－55－构筑地下连续墙的先进设备。2.2双轮铣的主要优缺点根据其工作原理和与传统连续墙成槽设备的对比，表现出双轮铣成槽主要有一下工作优点和特性：①对地层适应性强，更换不同类型的刀具即可在淤泥、砂、砾石、卵石及中硬强度的岩石、混凝土中开挖。②钻进效率高，在松散地层中钻进效率20～40m3/h，在中硬岩石中钻进效率1～2m3/h。③孔形规则(墙体垂直度可控制在3‰以下)。④运转灵活，操作方便。双轮铣的履带式起重机可自由行走，不需要轨道，在控制室可方便安全操作。⑤排碴同时即清孔换浆，减少了混凝土浇筑准备时间。⑥自动记录仪监控全施工过程，同时全部记录。⑦低噪音、低震动，可以贴近建筑物施工。但同时由于工艺和设备限制其存在一定的局限性：①不适用于存在孤石、较大卵石等地层，此种地层下需和冲击钻或爆破配合使用。②受设备限制连续墙槽段划分不灵活，尤其为二期槽段。③对地层中的铁器掉落或原有地层中存在的钢筋等比较敏感。④设备维护复杂且费用高。⑤设备自重较大对场地硬化条件要求较传统设备高。2.3双轮铣和传统施工工艺的施工进度和经济性对比双轮铣设备施工进度与传统的抓槽机和冲孔机在土层、砂层等软弱地层中优势并不十分明显，大约为抓槽机的2～3倍，抓槽机成孔效率约在10m3/h，双轮铣成槽速度在此种地层中效率在20～30m3/h。但进入岩段话，双轮铣才显出其优势，在岩层段选择合适刀具，在中风化岩层中（60MPa以下），施工效率可达10m3/h，在微风岩层（60MPa～120MPa）中1～2m3/h。在此种地层中抓槽机基本无法使用，必须采用冲桩机来完成，冲孔速度在中风化岩层中约每班4～6m，效率在0.3～0.5m3，若在微风化地层中微风化地层中钻进就异常中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－56－困难，每班进尺仅能维持在几十公分上下，效率极低。成本上分析对比：双轮铣成槽成本根据地层不同，约在1000～1500元，是正常施工工艺的1.5～2倍，在软弱地层没有优势，但在连续墙深度大、精度要求高、岩性较硬的地层，方显优势。以下各表为调查和收集的部分实际施工案例方面的数据统计，表1～4。表1双轮铣在深圳老街车站工作情况地层情况上层的软土层，全风化到强风化的岩石层，中风化到微风化的岩石层。经现场调查勘测，地下水位约在地表下2.5m呈静态分布,岩石的最大单轴强度为138MPa。设计要求地下连续墙需貫入到下层硬岩中。平均工作量:工作效率和材料消耗土层8.3m3/h,抓斗岩层3.05m3/h(0.67～6.94m3/h),铣槽机BC25钠基土消耗量：17.39kg/m3牙齿消耗量：总数4,678个(每立方米岩石平均1.5个)表2双轮铣在岩石开挖中的工作情况表（小浪底工程）地层情况小浪底河床砂卵石覆盖层70多米深，中间有1～4m的夹砂层，基岩主要为紫红色细砂岩和黏土岩。总进尺(m)总耗时(h)平均进尺(m/h)效率(m3/h)接头孔59.03112.90.521.76主槽孔332.74523.150.641.60平均（总计）391.77636.050.621.65表3双轮铣在地铁黄沙站工作情况表地层情况地层为广州常见地层，上层主要为回填土、粘土层等，16m后开始入岩，连续墙总深为34m，岩层主要为中风化、微风化泥质粉砂岩。刀具型号平齿刀施工情况强风化、中风化泥质粉砂岩中4m/h(约11m3/h),微风化地层情况下0.2～1m/h（0.56～2.8m3/h，视换刀的及时情况而定）,总体施工进度基本在4天一幅（包括成槽、下钢筋笼和灌混凝土），幅宽7m。表4双轮铣在黄浦大桥南锚碇的工作情况表地层情况为大桥沉锚井，46m深，平面为圆形直径70m，墙宽1.2m，入微风化混合岩6m，约12138m3。中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－57－刀具型号锥齿刀施工情况软岩段每小时5～6m(16.8～20.16m3/h)，硬岩段约1m/h(3.36m3/h)，总工期为3个月，平均进度134m3/天。3.双轮铣成槽机的主要技术要点3.1双轮铣的刀具形式双轮铣成槽设备铣轮上刀具可根据地层的岩性和强度进行调换铣轮和刀具，主要的刀具型式有三种：平齿、锥齿和滚齿。表5双轮铣刀具类型序号刀具型号实用地层备注1平齿主要使用于土层、砂层以及单轴抗压强度在30MPa以下的土层和软岩地层2锥齿30MPa～120MPa岩层3滚齿120MPa以上岩层图8双轮铣铣轮平齿施工照片（广州地铁黄沙站）图9双轮铣铣轮锥齿照片（穿黄项目）中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－58－图7双轮铣泥浆循环示意图3.2双轮铣成槽过程的泥浆控制和分离3.3双轮铣成槽混凝土浇注施工控制双轮铣成槽的混凝土的浇注和常规联系墙施工工艺上的完全相同，主要浇注方法为导管法，混凝土配合比也与常规相同，但从我们穿黄项目二期槽段的成槽效率较低的现象分析，主要存在两个原因：搭接长度偏大，最大40公分（圆形竖井内外搭接不同）和工序安排二期槽段施工时，一期槽段强度已上来，造成铣削较困难；在未改变混凝土配比的情况下调整施工顺序，有效减少了二期槽段铣削的难度。建议采用前期强度低的缓凝混凝土。3.4双轮铣成槽接头形式常用的连续墙的接头从工艺上均能实现于双轮铣成槽种，如拔管式套接法、平接法、工字钢接头、接头槽法等，但国内目前常用的接头方式主要有两种：双轮铣套铣接头（平接）和工字钢接头，以前者为居多（目前调查的仅有一例采用工字钢接头），从各工程实例分析，两种均能满足防渗和围护要求。①双轮铣套铣接头（平接）中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－59－图13双轮铣接头清洗刷图10双轮铣套铣接头施工示意图图11工字钢接头示意图图12工字钢接头实物图主要工序为：在进行I序槽孔开挖时，超出接头孔中心线10～20cm，Ⅱ序槽孔开挖时，必须将I序槽孔超出接头孔中心线10cm～20cm的混凝土用双轮铣铣削干净，形成新鲜的混凝土接触面,然后浇注二期混凝土。主要使用的工程有三峡二期工程防渗墙、小浪底工程、黄沙站、穿黄项目、黄埔大桥和大唐浅湾电站等。②工字钢接头工字钢接头施工目前仅有深圳老街车站使用，老街站地下连续墙之间的接头设计采用700x350x10mm的工字钢搭接。首先施工两端装有工字钢的双雌槽段，然后将相邻的雌雄槽段或者双雄槽段的钢筋笼吊放至接头处进行搭接。工字钢的搭接设计图如图11所示，图12所示为实物图。除了常规的双轮铣成槽顺序外增加接头刷洗工序，因为竖向的接头浸没在泥浆中，同时也偶有外逸的砼，这样接头的表面就无可避免地受到污染及粘上杂物，在浇筑砼之前必须使用装有钢丝刷的接头刷来清理干净（图13）。4.双轮铣成槽机的主要案例及参考资料中隧集团有限公司广州指挥部06年度第一次片区生产技术交流会－60－大唐王滩电厂大唐王滩电厂位于河北省唐山市乐亭县王滩镇海港开发区境内,三号港地西侧。该工程循环水泵房地下连续墙厚度为0.8m，总长度为180.5m，其中前墙墙底标高为-31.5m，墙顶标高为-10.0m,其余三面墙底标高为-27.0m，墙顶标高为-8.1m。为保证三号港池西岸线地基土的自身稳定及前护岸墙的稳定，在循环水泵房南北两侧修建地连墙护岸，地连墙护岸分前墙和后墙两部分。前墙长度为2×80m，厚度1.2m，墙深35.7m。后墙长度2×80m，深度18m，厚度0.8m。地层自上而下分别为近代河流沉积或人工挖掘回填土，岩性主要为粉细砂、粉土，粉细砂及粉质粘土。地下水为第四系孔隙潜水，水位平均标高0.80～1.0m。该工程目前已施工完成300水平延米的地下连续墙,槽孔平均铣削深度可达31米,经实测槽孔垂直度均控制在2‰以内,最大垂直偏离5cm,孔型规则、成槽精度完全符合设计要求，且在持续进给铣削过程中无任何冲击和振动，大大改善了操作人员的工作环境和劳动强度，在该工程粉细砂、粉质粘土地层中铣削成槽效率可达3-4h/孔,铣削进给速度25～30cm/min。小浪底工程：小浪底河床砂卵石覆盖层70多米深，中间有1～4m的夹砂层，基岩主要为紫红色细砂岩和黏土岩。小浪底工程中使用的双