铣槽机在地下连续墙入岩成槽施工中的应用

1工程概况
1.1工程情况
福州轨道交通1号线上藤站位于福州市仓山区六一南路南北方向的中藤路下，上藤路东北侧。
车站为地下3层岛式车站，主体结构外包长137.6m，宽23.2m。开挖深度标准段为22.3～22.7m，南端头井段基坑深度约为24.1m，北端头井段基坑深度约为24.9m，本车站附属结构主要为4个出入口和3个风井。1#～4#出入口基坑深度分别约7m和10m，1#风井基坑深度约为14m，2#风井基坑深度约为15m，车站围护结构采用地下连续墙加内支撑体系围护形式。根据周围环境条件，基坑开挖的保护等级为一级基坑。
主体结构工程设计使用年限为100年，安全等级为一级。主体围护形式采用地下连续墙，槽段最深34.5m，最浅28m，地下连续墙厚0.8m，共计58幅。
上藤站在盾构施工阶段南端头井为三叉街—上藤站区间的盾构接收井，北端头井为上藤站—达道站区间的始发井（此区间为下穿闽江段）。由于上藤路道路宽度不够，无转弯半径，而且受11kV架空高压电线影响，盾构机到达上藤站南端后由路面转运至北端不具备条件，因此只能采取盾构机站内过站。我项目部通过与业主方及设计方屡次沟通，对车站的主体结构侧墙进行了减薄处理。经设计方上海市轨道交通隧道工程设计研究院验算，在增加钢筋用量的基础上将地下3层的侧墙厚度由900mm改为800mm，这样就可将中柱与侧墙的净距由6400mm增加至6500mm，以满足Φ6480mm盾构机实现站内过站的要求。
从Φ6480mm盾构机尺寸与结构净空尺寸6500mm来看，我项目部认为主体结构尺寸已达到极限，施工控制要点必须放在围护结构即地下连续墙施工上。在施工中必须确保地下连续墙不能侵入结构界限，为后续的主体结构施工创造有利条件。这样，地下连续墙垂直度控制尤为关键。
1.2地质情况
1.2.1地质勘查报告上藤站地岩面变化较大，极不均匀，风化岩层强度较高，地下连续墙成槽过程中，不仅需要穿越残积砾质黏土层、全风化花岗岩层，还需穿越散体强风化花岗岩层、碎块状强风化花岗岩层及强度较高的中等风化花岗岩层。
地下连续墙施工的关键在于成槽，但是入岩段的成槽速度相当缓慢，极有可能造成槽壁坍塌而影响地下连续墙的施工质量，而地下连续墙垂直度控制尤为关键。因此成槽施工是本工程地下连续墙施工的重点控制工序。从地质断面分布情况看，在残积砾质黏土层中单纯采用抓斗成槽完全可行，但在进入全风化花岗岩层后功效就将大为降低，在进入散体强风化花岗岩层和碎块状强风化花岗岩层后，单纯使用液压抓斗无法成槽，在中等风化花岗岩层中更是不能使用普通成槽机直接抓土成槽。
1.2.2实际施工地质情况
我项目部在上藤站基坑土方开挖过程发现碎块状强风化花岗岩有标高抬高现象。碎块状强风化花岗岩强度较高，普通挖机根本无法挖动，必须采用镐头机进行破碎凿除。
1.3周边环境
本工程位于福州市区，环境较为复杂，上藤路现状为东南—西北向的单行道，路幅宽约11m，车流量较小。西侧为多层居民楼（商铺）距离基坑为25.1m；福泰饼厂距离基坑最近为20.9m。东侧为太平巷市场综合楼、福州市第二医院（距离为43.5m）、工地项目部。北侧为上藤路、太平巷、万春巷道路交叉口，北侧为临时用地。
2选用铣槽机原因分析
2.1合同履约情况分析
我项目部于2011年5月与福州地铁有限责任公司签订福州市轨道交通1号线07合同段工程合同，工作内容包括两车站（上藤站、三叉街站），两区间（上藤站—三叉街站区间、达道站—上藤站区间）的土建结构施工，合同总工期为2011年5月5日至2013年11月4日。
上藤站地下连续墙合同开工日期为2011年5月5日，由于受前期动拆迁、管线搬迁、名树保护等各方面原因影响，实际开工日期为2012年6月18日，致使实际开工日期较原合同约定开工日期滞后逾1年。为响应业主方2015年城运会前地铁通车的目标，我项目部按业主要求采取赶工措施，增加设备投入，引进铣槽机进行施工，以加快工程进度，实现阶段性工期要求。将原合同中地下连续墙施工采取抓斗成槽机与冲击钻机配合的方式改为抓铣结合并配置冲击钻机以辅助地下连续墙施工。具体方法为采用重型液压抓斗成槽机进行地下连续墙成槽施工，液压抓斗施工入全风化岩层，待液压抓斗抓不动后，立即改用铣槽机接着成槽施工至设计标高，同时冲击钻机在铣槽机维护期间进行辅助成槽施工，确保工程施工不停滞，使业主方2015年城运会前地铁通车的目标成为可能。
2.2施工工艺和机械选择分析
目前国内地下连续墙成槽机械主要有三种：双轮铣槽机、抓斗成槽机、冲击式钻机，其主要特点见表1。


比较以上三种成槽机械主要特点，结合现场地质情况、周边环境、施工工期、施工质量以及经济成本情况等，决定采取抓铣结合的方式进行施工，同时冲击钻机在铣槽机维修期间辅助使用。具体分析情况如下：
2.2.1地质条件分析
根据《福州市轨道交通1号线工程（上藤站）岩土工程勘查报告》（详勘），我项目部在进行上藤站地下连续墙施工筹划时将上藤站每幅地下连续墙入散体状强风化岩深度进行列表，最浅入岩5.3m，最深达16.2m，平均超过12m。
对于此种地质条件，再根据目前国内地下连续墙成槽机械选型，可以有2套施工方案进行施工。第1套施工方案：采用抓斗成槽机与冲击钻机配合使用的方式进行施工；第2套施工方案：采取抓铣结合并配置冲击钻机以辅助地下连续墙施工的方式进行施工。通过分析，计划采用第1套方案即抓斗成槽机挖至散体状强风化花岗岩至挖不动后再用2台冲击式钻机进行冲击钻孔至设计标高，钻孔成排孔布置形成整幅地下连续墙后再下钢筋笼、浇筑混凝土。同时为防止工期上存在严重滞后的情况发生，备用方案为第2套方案，采取抓铣结合的方式进行施工，即用抓斗成槽机挖至抓不动，然后用铣槽机成槽至设计标高。此备用方案的前提条件是在施工导墙时应先将导墙施工成][形，以满足铣槽机的地面荷载要求。
2.2.2周边环境分析
从工程周边环境图上看出，本工程周边临近福州市第二医院和居民区，而根据工期安排，地下连续墙必须日夜连续施工才能确保业主方要求2015年地铁通车的节点目标，施工中要严格控制施工产生的振动和噪声对周边居民方面带来的影响，尤其针对福州市第二医院方面提出施工产生振动不能影响其精密医疗仪器正常的使用，并保证不至于损坏等特殊要求，因此从施工工艺和机械设备选择上需要综合考虑来采取合理的施工方法避免因施工扰民发生投诉而造成工程停滞现象的产生。而本工程地下连续墙设计上要求必须满足入强风化花岗岩4.5m以上或入中风化花岗岩2m以上的条件，这样势必在进行成槽入岩施工时将会产生冲击、振动和噪声。比较铣槽机、抓斗成槽机和冲击式钻孔机成槽施工的特点，铣槽机具有低冲击、低振动和噪声小的特点恰好能解决以上问题，因此本工程选择铣槽机进行日夜施工。
2.2.3施工工期分析
上藤站第1幅地下连续墙A-10采用成槽机与2台冲击钻机配合施工，于2012年8月3日7：58开始，至2012年8月11日1：10距设计标高还差6m，共耗时8d。总结第1幅地下连续墙的施工过程，我项目部又认真重排地下连续墙施工工期并多次召开专题会议，认为若依此方法施工，上藤站地下连续墙共58幅，约需耗时464d，显然业主方要求2015年城运会前地铁通车的目标根本不可能完成，而与业主方所签订合同约定工期为2011年5月5日至2013年11月4日，实际上藤站因受前期动拆迁、管线搬迁、保护古树等各方面原因的影响，致使开工日期较原合同约定开工日期滞后逾1年（即2012年6月18日完成主体结构区域内拆迁工作后才进场施工）。本着为工程着想的目的经慎重考虑决定举全公司之力，克服困难，将福州地铁07标作为公司重点，立即从上海调拨1台铣槽机及相应配套设备至上藤站进行地下连续墙施工。
从第1幅未完成的地下连续墙就开始采取第2套方案即抓铣结合的方式进场成槽施工，具体方法为先采用抓斗成槽机成槽至抓不动，然后再用铣槽机成槽至设计标高，同时为赶进度，在铣槽机因在岩层掘进时过度使用而进行维修期间，采用与冲击钻机配合使用的方法进行施工，力求使成槽施工不停滞，从第1幅地下连续墙至第58幅地下连续墙结束仅耗时94d，节约工期370d，完成业主方要求2015年城运会前地铁通车的节点目标成为了可能。
福州轨道交通1号线另一个标段为盾构闽江过江接收站，同为地下3层，地下连续墙幅数相差不多，其地下连续墙施工采用的是第1套施工方案（即抓斗成槽机与冲击钻机配合使用的方式）进行施工，实际耗时约14个月。
2.2.4成槽施工质量分析
成槽施工是地下连续墙施工中必须控制的关键工序，成槽施工质量的优劣决定了地下连续墙的质量。采取第2套抓铣结合方案施工，铣槽机进行地下连续墙成槽时槽壁垂直度高，槽壁光滑平整，不易塌方，为后期主体结构顺利施工又能赢得施工时间。而采取第1套抓斗成槽机配合冲击钻孔方式施工时，槽段垂直度差，槽壁不平整，易塌方影响周边环境。
尤为关键的是本工程盾构机由于施工场地周边环境限制，只能采取在地下3层站内过站的方式进行移动，必须确保地下连续墙不能侵限，因此从成槽施工质量分析，采用铣槽机进行成槽施工应为首选方案。
2.2.5经济成本分析


（a）使用铣槽机进行地下连续墙成槽施工时混凝土导墙的施工不同于抓斗成槽机施工导墙，我公司选用的铣槽机型号为宝峨CBC-33型，为德国宝峨公司生产，自重达130t，其施工工艺见图1。由于铣槽机施工时紧贴槽壁而且质量超过成槽机约53t，因此成槽施工前混凝土导墙施工尤为关键。使用铣槽机进行成槽施工导墙必须做出][形，并设置圈梁，在导墙施工上会增加少量成本。
（b）铣槽机及其配套设备规格高、数量多、调迁费用大。
（c）铣槽机及其配套设备维护保养复杂、费用高。
（d）铣槽机及其配套设备耗材均为进口产品，进货时间长，费用较大，其中铣齿总耗量8337个。
综合以上分析，采用铣槽机进行成槽施工从有形经济成本上来看费用较大，但如采用第1套抓斗成槽机配合冲击钻孔方式施工，在地下连续墙施工工期上要延长超过1年，同时地下连续墙施工质量较差将增加混凝土方量以及由此造成的混凝土的凿除费用，极大地制约了后续主体结构的施工质量和施工进度；而且工地周围居民楼较多，还有医院以及一些危房，因为振动、噪声而引起扰民并造成工程停滞不前的无形成本增大，两者比较实际费用相差不大。
3铣槽机的施工效果
现在上藤站已经结构封顶，并且先期由三叉街始发到达上藤站的下行线盾构机已经顺利完成了站内过站的任务。由我项目部施工的标段与福州市轨道交通1号线另一标段比较，采取抓铣结合的方式进行施工是非常合理的。我公司在整个地下连续墙施工阶段采取了实际行动积极履行合同义务，在上藤站主体结构封顶后，另一标段地下连续墙施工还未全部结束。
从上藤站地下连续墙施工效果来看，决定采取抓铣结合的方式在福州轨道交通1号线上藤站进行施工是正确的。铣槽机在针对入岩施工方面无论在工程质量还是进度上都取得了成功，尤其在声誉方面赢得了福州市工程界的好评。