土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中障礙樁的處理

白云峰

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司設(shè)備物資部，天津 300222)

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土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中障礙樁的處理

白云峰

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司設(shè)備物資部，天津 300222)

摘要：盾構(gòu)掘進(jìn)中遇到不明障礙物時(shí)，由于水文地質(zhì)條件的不同、地面環(huán)境及其周邊建筑物的影響，給障礙物的處理帶來了諸多困難。西安地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)中遇到侵線混凝土樁，詳細(xì)介紹了盾構(gòu)工作參數(shù)異常情況、機(jī)械狀態(tài)及反應(yīng)措施，對(duì)侵線樁采取挖孔破除的方法予以解決，有效保證了盾構(gòu)施工的安全。在遇到不明障礙物時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件、地面環(huán)境、設(shè)備狀況，進(jìn)行不同處置方案的比選，確定施工安全、工期短有利于設(shè)備維護(hù)的施工方案，安全快速的處理不明障礙物。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；侵線混凝土樁；設(shè)備保護(hù)；挖孔；鋼護(hù)筒

城市地鐵施工中，某些建(構(gòu))筑物的檔案資料因年代久遠(yuǎn)缺失或不詳，因線路設(shè)計(jì)期間的資料限制，設(shè)計(jì)中沒有標(biāo)明某些建筑(構(gòu))物的具體位置及相關(guān)資料，使其難于預(yù)先在盾構(gòu)施工前被處理，導(dǎo)致了盾構(gòu)掘進(jìn)中遭遇不明障礙物，給施工帶來了困難。本文以西安地鐵一號(hào)線TJSG2標(biāo)左線盾構(gòu)掘進(jìn)中遇不明侵線樁為例，闡述盾構(gòu)遇到不明侵線樁的處理方法及恢復(fù)掘進(jìn)后施工處理措施。

1 工程概況及水文地質(zhì)情況

1.1 工程概況

西安地鐵一號(hào)線一期工程土建TJSG-2標(biāo)共包括1站(后衛(wèi)寨車站)、2個(gè)區(qū)間(后衛(wèi)寨站～三橋站區(qū)間、三橋站～皂河站區(qū)間)。后衛(wèi)寨～三橋區(qū)間全長1 798.624 m，左線盾構(gòu)由后衛(wèi)寨車站始發(fā)，到達(dá)三橋車站，盾構(gòu)空推過站后二次始發(fā)，掘進(jìn)870 m到達(dá)三(橋)～皂(河)風(fēng)井吊出完成左線掘進(jìn)施工。

本工程左線盾構(gòu)由中國鐵建重工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，型號(hào)ZTE6250，輻條式刀盤開挖直徑6 280 mm，刀盤采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，額定扭矩4 700 kN·m、最大脫困扭矩5 700 kN·m、轉(zhuǎn)速0～2.75 rpm、驅(qū)動(dòng)功率3×250 kW，額定推力34 212 kN(30 MPa)、最大推力39 914 kN(35 MPa)、推進(jìn)速度0～80 mm/min。

1.2 水文地質(zhì)情況

盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層為：中砂層<2-4>地層為細(xì)砂，褐黃色，稍濕，密實(shí)，屬I級(jí)松動(dòng)土；<2-5-2>地層為中砂層,屬I級(jí)松土；<2-2>粉質(zhì)粘土層，呈透鏡體分布，中偏低壓縮性土，屬II級(jí)普通土；<2-6>地層為粗砂層，局部含8%～10%的礫、卵顆粒，卵石最大粒徑5 cm，屬I級(jí)松土。地下水位線在隧道底板10 m左右以下，盾構(gòu)施工不受影響。

不明侵線樁處地質(zhì)分布，土層分布3.5 m厚雜填土、5.5 m厚黃土狀土、2 m厚細(xì)砂、7 m厚中砂，盾構(gòu)穿越細(xì)砂、中砂地層，其土質(zhì)密實(shí)、砂質(zhì)純凈、隧道上部為細(xì)砂層、下部為中砂層。地下水位埋深30.6 m，盾構(gòu)掘進(jìn)不受地下水影響。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)異常的處理

2.1 異常情況確定

盾構(gòu)左線始發(fā)后一切較為順利，在2011年3月18號(hào)下午15：40左右，盾構(gòu)掘進(jìn)到126環(huán)時(shí)，千斤頂行程600 mm時(shí)突然發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩增大，盾體有振動(dòng)，刀盤跳閘后不能啟動(dòng)；強(qiáng)制脫困后扭矩達(dá)到4 500 kN·m(額定4 700 kN·m)，由于盾構(gòu)主司機(jī)經(jīng)驗(yàn)不足，認(rèn)為是地質(zhì)原因，在未向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)的情況下，采用脫困扭矩(泵出口泵壓340 bar、額定350 bar，1 bar=100 kPa)，強(qiáng)行推進(jìn)到1 200 mm時(shí)，刀盤急停無法脫困(泵出口泵壓350 bar)，螺旋機(jī)也卡死不能旋轉(zhuǎn)。檢查螺旋機(jī)出渣口發(fā)現(xiàn)直徑25 mm螺紋鋼及混凝土塊，螺旋機(jī)通過伸縮、正反轉(zhuǎn)多次后脫困，再次旋轉(zhuǎn)螺旋機(jī)，仍有鋼筋、混凝土塊排出。

針對(duì)掘進(jìn)參數(shù)異常的實(shí)際情況，結(jié)合前125環(huán)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及地質(zhì)資料，查看地面位置，除刀盤前方約10 m處有高50 m左右的燈桿外無建筑物，掘進(jìn)地層無地下水影響且地層相對(duì)穩(wěn)定，具備常壓開倉條件。晚上19時(shí)開始組織開倉，開啟倉門在倉門口觀察，發(fā)現(xiàn)在刀盤前方左上角有一鋼筋混凝土材質(zhì)構(gòu)筑物，且有鋼筋外漏。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)疑似混凝土樁，如圖1所示，刀盤切入約300～400 mm，掌子面(土倉內(nèi)約60%渣土)穩(wěn)定。經(jīng)過約15 min情況確認(rèn)后立即關(guān)閉倉門，確定處理方案。

圖1 刀盤切樁圖

2.2 處理方案

2.2.1 嘗試回收刀盤

(1)回收推進(jìn)油缸千斤頂50～60 mm。

(2)通過盾構(gòu)機(jī)保壓系統(tǒng)向土倉加壓至頂部壓力0.8～1.0 bar，加壓過程中土倉任一傳感器的壓力不得超過3 bar。

(3)啟動(dòng)推進(jìn)泵，回收鉸接油缸20～30 mm，密切注意鉸接壓力，同時(shí)繼續(xù)往土倉加氣。

(4)伸出推進(jìn)千斤頂，與原始值比較，確定回收量，鑒于當(dāng)前鉸接油缸行程最小值為61 mm(D組)，刀盤回縮量最大值20～30 mm。

(5)通過螺旋輸送機(jī)適當(dāng)?shù)呐懦鐾羵}部分渣土，然后利用刀盤脫困模式啟動(dòng)刀盤，嘗試緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，若不能轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，嘗試3～5次。

2.2.2 向土倉注膨潤土保壓

為防止地面沉降，及時(shí)向土倉內(nèi)注入膨潤土，保持頂部土倉壓力在1.2 bar。

2.2.3 向盾體周邊注膨潤土

刀盤經(jīng)脫困嘗試，由于盾構(gòu)機(jī)切樁較深，刀盤無法啟動(dòng)，鑒于此時(shí)盾構(gòu)機(jī)所在位置(盾構(gòu)機(jī)在馬路綠環(huán)帶下方)，不能長期無壓(欠壓)停機(jī)，采用從中盾預(yù)留徑向注漿孔向盾體周邊注膨潤土方案，暫時(shí)保壓1.0～1.2 bar，以防盾體被裹死。

3 侵線樁處理方案確定

3.1 侵線樁調(diào)查

走訪當(dāng)?shù)鼐用?、了解樁基及附近建筑情況，向本地專家咨詢，根據(jù)專家信息進(jìn)一步走訪相關(guān)施工單位及在檔案館查詢侵線樁位置的建筑資料。最終資料表明，該侵線樁為廢棄橋樁，是西安運(yùn)行立交橋前一代橋梁樁基，直徑1.2 m、深度20 m(樁底在隧道底板以下)，調(diào)查資料顯示，原部分橋樁與隧道線路一致，在侵線樁前部還有6根侵線樁。

3.2 方案比選

地面探溝挖出廢棄樁頭，經(jīng)測(cè)量確定了侵線樁與隧道的相對(duì)位置關(guān)系，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)里程確定了刀盤切樁的深度、刀盤與侵線樁的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示，并依此制訂侵線樁處理方案[1-2]。

圖2 侵線樁與刀盤位置關(guān)系示意圖

方案1：1#、2#侵線樁采用人工同時(shí)挖孔破除，兩樁同時(shí)施工、工期可控，預(yù)計(jì)26～30 d完成。能較快施工完成侵線樁的破除工作，破樁完成后可通過豎井檢修刀盤、更換崩損刀具；該工法便于清理土倉內(nèi)的殘余混凝土塊及鋼筋，利于盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)，規(guī)避了機(jī)械沖樁損壞刀盤的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)地面環(huán)境及其余6根侵線樁的位置情況，人工探孔確定樁基位置，采用沖孔進(jìn)行機(jī)械破除，破除后回填M5砂漿。

方案2：采用人工挖孔破除1#樁、機(jī)械破除2#樁。為了施工安全，首先人工破除1#樁，檢修刀盤、更換崩損刀具、清理土倉并完成豎井回填后，機(jī)械沖孔破除2#樁，預(yù)計(jì)工期45～50 d。2#樁距離盾構(gòu)刀盤較近，沖樁的沖擊力會(huì)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)造成影響；施工處于道路中心，沖樁泥漿對(duì)環(huán)境有一定影響。

方案3：機(jī)械沖除2#樁后，盾構(gòu)刀盤切削通過1#樁，預(yù)計(jì)工期22～25 d。該工法除對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)影響外，因該工程刀盤為輻條式刀盤，強(qiáng)行切樁會(huì)造成刀盤、刀具的損壞，有設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)后續(xù)施工工期影響的風(fēng)險(xiǎn)極高，風(fēng)險(xiǎn)難以控制。

方案4：2#樁拔出施工、1#樁人工挖孔破除，工期預(yù)計(jì)40～45 d。無該侵線樁的相關(guān)資料，難以確定拔樁的相關(guān)機(jī)械，拔樁對(duì)場(chǎng)地要求較高，侵線樁位于交通主干道處、車流量大，施工空間不足，該方法不可取。

經(jīng)過以上分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定采用方案1的方法進(jìn)行侵線樁的破除施工。

4 方案的實(shí)施

4.1 井壁施工

人工挖孔間距30 cm。為提高挖孔的安全性，井口采用10 mm鋼板制作?2.8 m、長度5 m的鋼護(hù)筒，如圖3所示。兩孔開挖間隔2 d進(jìn)行， 1#井護(hù)壁施工完成后開挖2#樁，1#、2#樁間土體挖除，2#樁施作護(hù)壁時(shí)，兩孔間空隙處支模灌注C25素混凝土。

2011年4月5日施工人員進(jìn)場(chǎng)，采用孔徑2.4 m的圓孔將1#、2#侵線樁體圍蔽，護(hù)壁厚度200 mm，護(hù)壁后的直徑2.0 m。1#井護(hù)壁豎向至前盾上，保證施工結(jié)束后能轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，同時(shí)通過豎井檢查刀具崩損情況。

人工挖孔深度至隧道頂部以上800 mm，護(hù)壁形式采用鋼筋速凝混凝土(加入速凝劑)護(hù)壁，隧道上800 mm及隧道洞身部分采用纖維速凝砼做護(hù)壁，以在樁基處理完后盾構(gòu)機(jī)能切削通過。

護(hù)壁施工原則：根據(jù)地質(zhì)情況，上部黃土狀土體范圍內(nèi)每開挖1 m施作一次護(hù)壁，下部砂層土質(zhì)部分每開挖0.5 m施作一次護(hù)壁。人工挖孔至盾構(gòu)機(jī)深度范圍內(nèi)土體時(shí)，西側(cè)以盾構(gòu)機(jī)為一側(cè)護(hù)壁，側(cè)面按正常施工施作護(hù)壁。盾構(gòu)機(jī)正面的護(hù)壁用玻璃纖維鋼砼代替鋼筋砼。

4.2 鑿除侵線樁的施工

侵線樁采用人工用風(fēng)鎬從上往下逐段鑿除的方法，如圖4所示。首先鑿除樁周圍的砂土，用電動(dòng)葫蘆將砂土吊到地面，每段挖孔深度0.5～1.0 m，挖孔完成后綁扎鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)壁施工，護(hù)壁施工10～12 h后破除樁中心混凝土后割除鋼筋。根據(jù)工作量及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整作業(yè)周期，上午破樁、下午挖孔及護(hù)壁施工，保證護(hù)壁的強(qiáng)度滿足施工要求，以保證施工安全。

挖孔施工每班做好安全交底，保證每次開挖深度土層不大于1.0 m、砂層不大于0.5 m，施工中專人檢查護(hù)壁鋼筋網(wǎng)的施工及混凝土澆筑，保證護(hù)壁的施工質(zhì)量。砂土吊運(yùn)中做好安全防護(hù)，保證施工人員的安全；每班檢查電動(dòng)葫蘆剎車、鋼絲繩的安全性。監(jiān)測(cè)人員每天監(jiān)測(cè)井口變形位移及燈桿的變形，保證挖孔施工的安全。

圖3 鋼護(hù)筒安裝 圖4 挖孔與護(hù)壁

4.3 盾構(gòu)檢查

1#樁破除到露出刀盤約1 m時(shí)，首次檢查刀盤、刀具狀況，如圖5、圖6所示，所見為切刀局部崩刃，刀盤、刀梁無異常變化。刀梁、刀盤圈及周邊刀具沒有大的損傷，表明刀盤刀具可滿足后續(xù)施工要求。1#樁破除到隧道底部0.5 m以下，井壁滿足強(qiáng)度要求時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，對(duì)刀盤、刀具進(jìn)行全面的檢查，以排出因切樁造成的刀盤、刀具的損壞，清理土倉內(nèi)的混凝土塊、鋼筋。

圖5刀具檢查 圖6切刀崩刃

刀盤、刀具檢查完畢后，在刀盤切割范圍內(nèi)回填盾構(gòu)掘進(jìn)的渣土，刀上部用M5素混凝土砂漿回填，地面以下2 m回填原開挖土，并恢復(fù)原地面綠化。

4.4 盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)

侵線樁處理期間，對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行全面維修保養(yǎng)，檢查更換液壓油濾芯及處理試掘進(jìn)期間的遺留問題，保證設(shè)備處于良好狀態(tài)。侵線樁全部處理完畢后，做好設(shè)備恢復(fù)掘進(jìn)準(zhǔn)備后，嘗試低速(0.2～0.4 rpm)啟動(dòng)刀盤，確定刀盤扭矩正常后，啟動(dòng)螺旋機(jī)并檢查螺旋機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，盾構(gòu)聯(lián)動(dòng)滿足掘進(jìn)條件后，開始掘進(jìn)。刀盤轉(zhuǎn)速0.8～1.0 rpm，刀盤扭矩控制在2 200～2 600 kN·m，不宜超過3 000 kN·m，推進(jìn)速度控制在10～15 mm/min，逐步建立土壓到設(shè)定值。掘進(jìn)中觀察螺旋機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，螺旋機(jī)有異響或扭矩突變時(shí)，反轉(zhuǎn)螺旋并伸縮，以便于排除螺旋機(jī)內(nèi)的混凝土塊、鋼筋等異物。掘進(jìn)6環(huán)后，刀盤已通過挖孔樁區(qū)域，以正常的掘進(jìn)參數(shù)掘進(jìn)。

5 結(jié)束語

(1)在穩(wěn)定地層中，人工挖孔破除盾構(gòu)隧道侵線樁的施工方法，利于控制工期，對(duì)地面環(huán)境及交通影響較小，同時(shí)有利于設(shè)備的保護(hù)及設(shè)備的檢修。

(2)盾構(gòu)在掘進(jìn)中出現(xiàn)扭矩、推力等掘進(jìn)參數(shù)異常時(shí)應(yīng)及時(shí)停機(jī)查明原因，以防對(duì)盾構(gòu)造成不必要的傷害；盾構(gòu)在遇障礙物停機(jī)時(shí)應(yīng)做好保壓及相應(yīng)的設(shè)備保養(yǎng)工作。

參考文獻(xiàn)

[1]趙紅專.人工挖孔在破除突遇障礙樁的施工中的新應(yīng)用[J].四川建材,2012(3):53-54

[2]楊曉強(qiáng)，溫克兵.盾構(gòu)施工中遇不明侵線橋樁處理方案探討[J].工程機(jī)械與維修,2013(4):172-174

On the Treatment of Blocking Piles in the Course of Tunneling with a Soil-Pressure-Balanced Shield

Bai Yunfeng

(Department of Equipment and Supplies of the 18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Tianjin 300222,China)

Abstract:When unidentified obstacles are met with in the course of tunneling with a shield,the treatment of the obstacles tend to be rather difficult due to the difference in hydrologic and geological conditions,the ground environments, and the influence of the buildings around.When the Xi'an Subway is built with a shield,some boundary-invading concrete piles are met with.Introduced in detail in the paper are the abnormal working parameters and the mechanical states of the shield, and the counter-measures adopted. The boundary-invading piles are removed by means of digging holes and demolishing them, upon the basis of which the safe construction of the shield is fully ensured. When unidentified obstacles are met with in the course of tunneling with a shield,various construction schemes should be compared and the best one should be chosen according to the specific geological conditions, the ground environment and the state of the equipment so as to ensure the safe construction with the shield, shorten the construction duration and favor the maintenance of the equipment and the safe and quick treatment of the unidentified obstacles.

Key words:construction with a shield;boundary-invading concrete pile;protection of equipment;dig holes;steel protective ring

中圖分類號(hào)：U455.39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)02-0067-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.019

作者簡介：白云峰(1972—)，男，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)備管理工作785592004@qq.com

收稿日期：2015-12-24