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[摘 要]结合福州地铁二号线南门兜站围护结构硬岩成槽施工，分析对比几种地连墙硬岩成槽工艺，并重点介绍旋挖牙轮钻引孔，冲击钻修槽配合成槽机成槽工艺，为其他工程提供技术支持。
[关键词]地连墙；硬岩；旋挖牙轮钻
中图分类号：S211 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0085-02
前言
地铁车站围护结构主要有钻孔灌注桩及地下连续墙两种方式，地连墙具有施工振动小、噪音低、结构刚度大，对周围地基扰动小、适应地层范围广等特点应用广泛。地连墙硬岩成槽技术是技术难点，目前国内普遍采取的方式仍为大功率冲击钻辅助液压成槽机成槽工艺。由于冲击钻机功效低、泥浆数量大且难以处理，对场地环境、文明施工、施工进度形成主要制约。如何合理的选择机械设备，以满足施工质量、进度要求、成本显得十分必要。
1、工程概况
南门兜站位于城市中心主干道，周边高层建筑物多，影响范围内管线复杂，开挖过程中需穿越两层承压水及特殊性岩土风化岩和花岗岩球形风化（孤石），增加了施工难度。
2、地连墙成槽工艺对比分析
南门兜站在围护结构地连墙施工过程中，先后采用了传统液压成槽机挖取软土及强风化土体结合传统冲击钻凿岩成槽传统工艺；地质钻机超前引孔预处理岩层配合传统“冲、抓”工艺；大直径气动潜孔锤引孔+冲击钻凿岩辅助液压成槽机成槽工艺；旋挖牙轮钻引孔+冲击钻修孔辅助成槽机成槽工艺，并重点介绍旋挖牙轮引孔+冲击钻修孔辅助成槽机成槽工艺。
2.1 传统施工工艺
中微风化地质条件下采用成槽机抓取土层，冲击钻处理岩层的施工工艺，适合各种土层、岩层，但在硬岩地质条件下，功效较低，易出现孔斜、掉锤、卡钻、塌孔等问题。
2.2 超前处理冲击钻施工工艺
在地连墙引孔施工前，在需冲孔的位置采用岩芯钻机钻若干小直径孔，对岩层进行预破碎处理，改变岩体结构。此工艺增加了岩层的破碎程度，降低完整性，导向孔冲进施工时，岩层内有临空面，改变单元体的侧限条件，使岩体抗冲击能力降低。但此法需要设备多，需耗费大量人力、物力，且易出现钻具折断、振动、偏孔等问题，效果不理想。
2.3 大直径气动潜孔钻施工工艺
大直径气动潜孔锤主要由桩架、潜孔锤、空压机、钻杆等组成。 以施工三轴搅拌桩的螺旋钻机做桩架，以螺旋动力头做旋转动力，在特制的钻杆下悬挂风动式潜孔锤，潜孔锤冲击破碎岩石的同时，动力头带动钻杆及潜孔锤进行适度的钻压与回转钻进，既能研磨刻碎岩石，又能使潜孔锤击打位置不停变化，使潜孔锤底部的合金突出点每次都击打在不同位置，风动潜孔锤的空气既能冷却钻头又能将破碎的岩屑吹离孔底并排出孔口，达到快速破碎岩石的作用。具有钻进效率高，钻头寿命长、所需钻压低、扭矩小、转速低、钻孔垂直度高等优点。但由于动力介质和循环介质采用的是压缩空气，对孔壁支挡平衡作用差，护壁十分不利，且设备庞大，造价高，更换一次钻头费用就多达20余万，目前主要应用于国外一些发达国家。
2.4 旋挖牙轮钻施工工艺
由于旋挖钻机自动化程度高、环保高效、自带动力等特点，被众多非入岩及桩端进人强风化及中风化软质岩石工程项目作为首选设备得到广泛使用。而旋挖钻机轴压的施加能力仅为传统岩石掘进机的1/10一1/5，作用在岩石上的力必须超出岩石抗压强度极限的30%一50%，岩石才能顺利地从岩体上破碎下来，旋挖钻机自身不充足的加压能力很难达到岩石理想的破碎效果。如何利用机动性能良好的旋挖钻机达到高效破岩目标则成为工程界的一大难题。南门兜施围护桩施工过程中，将地连墙硬岩成槽引孔的设备改为旋挖牙轮钻，由牙轮钻引好孔以后，直接采用方锤修孔，液压成槽机清槽，效率显著提高。
2.4.1牙轮钻钻头结构
牙轮钻头按牙齿的固定方式分为：镶齿、铣齿，按密封类型分为：橡胶密封和金属密封、按牙轮数量分为：单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头。
2.4.2牙轮钻钻头破岩机理
牙轮钻头依靠牙齿破碎岩石，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头绕钻头轴线作顺时针方向公转和逆时针方向自转，牙齿与井底的接触单齿、双齿交错进行。单齿接触井底时，牙轮的中心处于最高位置；双齿接触井底时则牙齿的中心下降。牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作纵向振动，使牙齿产生冲击力，以冲击方式破碎岩石。
2.4.3牙轮钻头的优缺点
优点： 冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击又有滑动引起的剪切，破岩效率高，适应地层范围广，适合在所有地层中钻进，钻头自洗效果好，钻头成本较低。
缺点： 由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低。由于存在薄弱环节（如锁紧部位与轴承密封），经常会出现牙轮脱落，同时轴承在高转速下寿命短，因此牙轮钻头不适合高转速，一般适合在 200 转/分以下。
2.4.4旋挖牙轮钻施工工艺原理
旋挖钻机钻进坚硬岩石层时采用气举反循环钻进施工工艺，局部空气反循环钻进施工工艺利用局部空气-泥浆反循环方式来清除基础孔底部的岩渣。
原理：旋挖钻机配备用牙轮或滚刀作为切削刀具的钻具，且全部没入孔内的泥浆中，进行硬岩钻进。由空气压缩机输出的气体经过旋挖钻机动力头上方的气龙头进入切削钻具，且在接近钻具底部的时候与排渣管内的泥浆相互混合，形成比重比较小的气、水、岩渣的混合液，并在排渣管内以极快的速度上升，这样由于排渣管上下出口之间的压力差，高压空气将会从排渣管的上方出口外溢，因此能够带动排渣管内的泥浆自下而上的高速流动，直至从排渣管内流出。排渣管下方的出口将会形成负压，并且形成巨大的抽吸力，把基础孔内的岩渣抽吸离孔底，经由排渣管排出，流出之后的岩渣因为流通面积的增大，岩渣的流动速度减小，将会沉淀在钻头上方的储渣筒内。沉淀后析出的多余的水自流到孔壁与钻头的间隙，回流至孔底，形成往复循环。由于岩石被钻头一旦破碎就离开了孔底。避免了钻头切削齿的重复破碎，钻进效率大大提高，钻头的使用寿命也得到了相应的提高，且综合钻进成本降低。
结语
多年來，围护结构硬岩成槽一直是地连墙施工中的难点，一直迟迟没有突破，目前国内围护结构硬岩成槽还主要为冲击钻引孔、冲击钻方锤修孔、成槽机修槽工艺，但是对于工期压力大、环保以及场地文明施工要求高、地连墙入岩较深、岩层强度大的区域并不适用。
本次南门兜站做出了大胆的尝试，在地连墙施工过程中，开始采用的仍然是国内应用比较多的传统“冲、抓”结合的方式成槽，在施工过程中进行不断的优化，在原有工艺基础上进行超前地质钻机引孔施工，在效果不理想的情况下，我们进行了两次突破。①将原有的“冲、抓”结合的方式中的冲击钻引替换优化为潜孔锤引孔②在潜孔锤费用较高的情况下进一步优化，提出了牙轮钻+旋挖钻辅助成槽机成槽技术，使工期得到了大大提高，具有较高的应用意义，尤其是在围护结构入岩、岩层单轴饱和抗压强度达到80MP以上的工程具有很好的借鉴意义，当然，此工法仍在完善之中，无论从设备方面还是工艺方面还需要进一步优化，望所有工程技术人员进一步努力早日实现地铁围护结构入岩实现新的突破。
[关键词]地连墙；硬岩；旋挖牙轮钻
中图分类号：S211 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0085-02
前言
地铁车站围护结构主要有钻孔灌注桩及地下连续墙两种方式，地连墙具有施工振动小、噪音低、结构刚度大，对周围地基扰动小、适应地层范围广等特点应用广泛。地连墙硬岩成槽技术是技术难点，目前国内普遍采取的方式仍为大功率冲击钻辅助液压成槽机成槽工艺。由于冲击钻机功效低、泥浆数量大且难以处理，对场地环境、文明施工、施工进度形成主要制约。如何合理的选择机械设备，以满足施工质量、进度要求、成本显得十分必要。
1、工程概况
南门兜站位于城市中心主干道，周边高层建筑物多，影响范围内管线复杂，开挖过程中需穿越两层承压水及特殊性岩土风化岩和花岗岩球形风化（孤石），增加了施工难度。
2、地连墙成槽工艺对比分析
南门兜站在围护结构地连墙施工过程中，先后采用了传统液压成槽机挖取软土及强风化土体结合传统冲击钻凿岩成槽传统工艺；地质钻机超前引孔预处理岩层配合传统“冲、抓”工艺；大直径气动潜孔锤引孔+冲击钻凿岩辅助液压成槽机成槽工艺；旋挖牙轮钻引孔+冲击钻修孔辅助成槽机成槽工艺，并重点介绍旋挖牙轮引孔+冲击钻修孔辅助成槽机成槽工艺。
2.1 传统施工工艺
中微风化地质条件下采用成槽机抓取土层，冲击钻处理岩层的施工工艺，适合各种土层、岩层，但在硬岩地质条件下，功效较低，易出现孔斜、掉锤、卡钻、塌孔等问题。
2.2 超前处理冲击钻施工工艺
在地连墙引孔施工前，在需冲孔的位置采用岩芯钻机钻若干小直径孔，对岩层进行预破碎处理，改变岩体结构。此工艺增加了岩层的破碎程度，降低完整性，导向孔冲进施工时，岩层内有临空面，改变单元体的侧限条件，使岩体抗冲击能力降低。但此法需要设备多，需耗费大量人力、物力，且易出现钻具折断、振动、偏孔等问题，效果不理想。
2.3 大直径气动潜孔钻施工工艺
大直径气动潜孔锤主要由桩架、潜孔锤、空压机、钻杆等组成。 以施工三轴搅拌桩的螺旋钻机做桩架，以螺旋动力头做旋转动力，在特制的钻杆下悬挂风动式潜孔锤，潜孔锤冲击破碎岩石的同时，动力头带动钻杆及潜孔锤进行适度的钻压与回转钻进，既能研磨刻碎岩石，又能使潜孔锤击打位置不停变化，使潜孔锤底部的合金突出点每次都击打在不同位置，风动潜孔锤的空气既能冷却钻头又能将破碎的岩屑吹离孔底并排出孔口，达到快速破碎岩石的作用。具有钻进效率高，钻头寿命长、所需钻压低、扭矩小、转速低、钻孔垂直度高等优点。但由于动力介质和循环介质采用的是压缩空气，对孔壁支挡平衡作用差，护壁十分不利，且设备庞大，造价高，更换一次钻头费用就多达20余万，目前主要应用于国外一些发达国家。
2.4 旋挖牙轮钻施工工艺
由于旋挖钻机自动化程度高、环保高效、自带动力等特点，被众多非入岩及桩端进人强风化及中风化软质岩石工程项目作为首选设备得到广泛使用。而旋挖钻机轴压的施加能力仅为传统岩石掘进机的1/10一1/5，作用在岩石上的力必须超出岩石抗压强度极限的30%一50%，岩石才能顺利地从岩体上破碎下来，旋挖钻机自身不充足的加压能力很难达到岩石理想的破碎效果。如何利用机动性能良好的旋挖钻机达到高效破岩目标则成为工程界的一大难题。南门兜施围护桩施工过程中，将地连墙硬岩成槽引孔的设备改为旋挖牙轮钻，由牙轮钻引好孔以后，直接采用方锤修孔，液压成槽机清槽，效率显著提高。
2.4.1牙轮钻钻头结构
牙轮钻头按牙齿的固定方式分为：镶齿、铣齿，按密封类型分为：橡胶密封和金属密封、按牙轮数量分为：单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头。
2.4.2牙轮钻钻头破岩机理
牙轮钻头依靠牙齿破碎岩石，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头绕钻头轴线作顺时针方向公转和逆时针方向自转，牙齿与井底的接触单齿、双齿交错进行。单齿接触井底时，牙轮的中心处于最高位置；双齿接触井底时则牙齿的中心下降。牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作纵向振动，使牙齿产生冲击力，以冲击方式破碎岩石。
2.4.3牙轮钻头的优缺点
优点： 冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击又有滑动引起的剪切，破岩效率高，适应地层范围广，适合在所有地层中钻进，钻头自洗效果好，钻头成本较低。
缺点： 由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低。由于存在薄弱环节（如锁紧部位与轴承密封），经常会出现牙轮脱落，同时轴承在高转速下寿命短，因此牙轮钻头不适合高转速，一般适合在 200 转/分以下。
2.4.4旋挖牙轮钻施工工艺原理
旋挖钻机钻进坚硬岩石层时采用气举反循环钻进施工工艺，局部空气反循环钻进施工工艺利用局部空气-泥浆反循环方式来清除基础孔底部的岩渣。
原理：旋挖钻机配备用牙轮或滚刀作为切削刀具的钻具，且全部没入孔内的泥浆中，进行硬岩钻进。由空气压缩机输出的气体经过旋挖钻机动力头上方的气龙头进入切削钻具，且在接近钻具底部的时候与排渣管内的泥浆相互混合，形成比重比较小的气、水、岩渣的混合液，并在排渣管内以极快的速度上升，这样由于排渣管上下出口之间的压力差，高压空气将会从排渣管的上方出口外溢，因此能够带动排渣管内的泥浆自下而上的高速流动，直至从排渣管内流出。排渣管下方的出口将会形成负压，并且形成巨大的抽吸力，把基础孔内的岩渣抽吸离孔底，经由排渣管排出，流出之后的岩渣因为流通面积的增大，岩渣的流动速度减小，将会沉淀在钻头上方的储渣筒内。沉淀后析出的多余的水自流到孔壁与钻头的间隙，回流至孔底，形成往复循环。由于岩石被钻头一旦破碎就离开了孔底。避免了钻头切削齿的重复破碎，钻进效率大大提高，钻头的使用寿命也得到了相应的提高，且综合钻进成本降低。
结语
多年來，围护结构硬岩成槽一直是地连墙施工中的难点，一直迟迟没有突破，目前国内围护结构硬岩成槽还主要为冲击钻引孔、冲击钻方锤修孔、成槽机修槽工艺，但是对于工期压力大、环保以及场地文明施工要求高、地连墙入岩较深、岩层强度大的区域并不适用。
本次南门兜站做出了大胆的尝试，在地连墙施工过程中，开始采用的仍然是国内应用比较多的传统“冲、抓”结合的方式成槽，在施工过程中进行不断的优化，在原有工艺基础上进行超前地质钻机引孔施工，在效果不理想的情况下，我们进行了两次突破。①将原有的“冲、抓”结合的方式中的冲击钻引替换优化为潜孔锤引孔②在潜孔锤费用较高的情况下进一步优化，提出了牙轮钻+旋挖钻辅助成槽机成槽技术，使工期得到了大大提高，具有较高的应用意义，尤其是在围护结构入岩、岩层单轴饱和抗压强度达到80MP以上的工程具有很好的借鉴意义，当然，此工法仍在完善之中，无论从设备方面还是工艺方面还需要进一步优化，望所有工程技术人员进一步努力早日实现地铁围护结构入岩实现新的突破。