盾構(gòu)機(jī)切樁風(fēng)險(xiǎn)分析與施工技術(shù)探究

殷雪峰

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

以大連市地鐵一期施工工程為例，引入對地鐵富水軟弱地層盾構(gòu)機(jī)直接切樁通過橋梁樁基風(fēng)險(xiǎn)分析與施工技術(shù)探究。以盾構(gòu)機(jī)切樁通過橋梁技術(shù)措施為主要內(nèi)容，通過拔樁方案將盾構(gòu)機(jī)改成切構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)工程順利開展。

1 工程概況

大連市地鐵一期施工工程，位于華北路、山東路區(qū)間，掘進(jìn)時(shí)華北路至山東路之間使用2 臺盾構(gòu)機(jī)，其最大直徑6.15 m，地鐵隧道直徑6.0 m，隧道上層覆蓋土層厚度11～170 m，主體長度1650 m。華北路至山東路盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)通過橋梁，該橋1998年設(shè)計(jì)并竣工完成。

工程面臨的難度較大，尤其是暗挖車站多。大連地鐵建設(shè)者堅(jiān)持“困難留給自己，方便讓給市民”的建設(shè)理念，為減少地鐵建設(shè)對城市交通、環(huán)境和市民生活的影響，在市中心中山路、黃河路、西安路等主干道下的地鐵車站絕大多數(shù)采用暗挖施工，49 座車站中采用暗挖施工的車站有17 座，車站區(qū)間暗挖施工比例高達(dá)77%。暗挖車站與明挖車站相比，對城市交通及環(huán)境影響小，但施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，工期也要增加一倍多。

大連市地鐵一期施工工程中，因場地較小、施工條件較差的原因，不能建設(shè)排渣井出渣。為解決這一問題，建設(shè)方充分利用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中其后方形成的通道，安裝、使用傳送帶運(yùn)送渣土，保證工程順利開展。

2 盾構(gòu)直接切樁通過橋梁樁風(fēng)險(xiǎn)探究

華北路至山東路盾構(gòu)區(qū)間通過橋梁范圍地貌為剝蝕低丘陵、冰磧丘陵，場地地形起伏較大，北側(cè)高、南側(cè)低。根據(jù)巖土的時(shí)代成因和工程特征，本場地的地層分為5 個(gè)主層。第一個(gè)地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層，主要是素填土和雜填土；第二個(gè)地層為第四系中更新統(tǒng)殘積層，主要是紅黏土；第三個(gè)地層為第四系中更新統(tǒng)冰磧層積層，主要是黏土和卵石；第四個(gè)地層為震旦系五行山群甘井子組白云質(zhì)灰?guī)r，主要是中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r石；第五個(gè)地層為震旦系五行山群南關(guān)嶺組石灰?guī)r，主要是中風(fēng)化石灰?guī)r和溶洞。由此可見，隧道頂部地質(zhì)比較軟弱，盾構(gòu)機(jī)直接切樁風(fēng)險(xiǎn)頗多，表現(xiàn)如下。

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)域含有砂層。在經(jīng)過橋梁時(shí)，其頂部砂層包含淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、淤泥質(zhì)土層和粉細(xì)砂層，這些砂層流動(dòng)性好，并且極易受到擾動(dòng)，從而造成砂層液化[1]。盾構(gòu)機(jī)在施工過程中，一旦擾動(dòng)砂層，造成其液化，就會(huì)使砂層坍塌，以至于盾構(gòu)機(jī)會(huì)涌滿砂土，造成盾構(gòu)機(jī)故障，掘進(jìn)工作不能正常進(jìn)行，影響工期；還可能引發(fā)地質(zhì)問題，使地面沉降，危及地面上行人和建筑物的安全，造成人身財(cái)產(chǎn)損失。

（2）盾構(gòu)直接切削樁體可能導(dǎo)致刀具損壞。在掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)刀盤會(huì)直接切割樁體，由于樁體本身強(qiáng)度比較大，而且其內(nèi)部有鋼筋，進(jìn)一步使樁體硬度增大，從而當(dāng)?shù)侗P切割樁體時(shí)，如果在切割速度過快或切割方向有偏差等情況下，刀盤各處受力不平衡，就可能會(huì)使刀盤崩裂或扭斷，影響工程進(jìn)度。

（3）切割橋梁樁體會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)變形。在施工過程中，盾構(gòu)機(jī)會(huì)經(jīng)過柔性土層、砂層，以及切割樁體，會(huì)產(chǎn)生在刀盤切割時(shí)受力不平衡，從而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)受到影響，一旦累積到一定程度，盾構(gòu)機(jī)扭矩過大，會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)變形，甚至造成盾構(gòu)機(jī)損壞，不能正常工作，影響工期。

（4）盾構(gòu)機(jī)切割橋梁過程中有可能被卡住。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)，會(huì)切割樁體以及鋼筋等硬金屬，造成鋼筋等扭曲環(huán)繞在盾構(gòu)機(jī)上，若沒有及時(shí)清除這些堅(jiān)硬物體，任其在盾構(gòu)機(jī)上積累，會(huì)堵塞盾構(gòu)機(jī)螺旋機(jī)，使其無法排出土料，機(jī)器不能正常工作，甚至燒損。

3 盾構(gòu)機(jī)直接切樁通過橋梁施工技術(shù)探究

3.1 改善刀盤性能

在盾構(gòu)機(jī)開始掘進(jìn)前，施工單位工程管理部門就應(yīng)該充分考慮拔樁難度，做好一次性切除橋樁的準(zhǔn)備，此舉是為了提升刀盤的抗磨損能力，并對之進(jìn)行升級加工。經(jīng)常選用的方式有兩種。

第一種是旨在通過提高刀盤的耐磨性能、保護(hù)刀具、提高刀具使用次數(shù)，減少更換刀具頻率，從而整體性改變刀具的方式。具體做法是將盾構(gòu)機(jī)中軟基中的刀盤側(cè)面的堆焊高度更換為高度為6～8 mm 的耐磨性網(wǎng)格紋理[2]；同時(shí)增加保徑刀，將之安裝在刀盤側(cè)面，在原來刀盤耐磨條保護(hù)基礎(chǔ)上，又增加一層保護(hù)措施，即使是在最易受磨損的掘進(jìn)過程中，刀盤外徑的抗磨損能力也能有所提升。

第二種是焊接貝殼狀的合金材料刀具，安裝位置定在37～39 mm 刀具的軌跡之處。在開挖直徑由于滾刀的磨損而變得不能達(dá)標(biāo)時(shí)，又或由于切樁不合適而導(dǎo)致的盾體障礙，此時(shí)為有效推進(jìn)工程進(jìn)程，需要將邊緣位置磨損的刀具進(jìn)行切割或削磨。例如，將滾刀固定在距離刀盤175 mm 的高度上，從而改善刀盤的結(jié)構(gòu)和滾刀的磨損力。

3.2 確定施工范圍的方式

通過分析相同種類材料的地面沉降數(shù)據(jù)，可以得知沉降反應(yīng)發(fā)生的起止位置是在盾構(gòu)機(jī)前方約10 m 處的位置到盾構(gòu)機(jī)后方約30 m 的位置，因?yàn)閿?shù)據(jù)始有沉降反應(yīng)的位置是在機(jī)頭10 m 處，沉降反應(yīng)穩(wěn)定的位置是在機(jī)頭后30 m。用左右線的影響范圍表示就是左線618 環(huán)，右線624 環(huán)。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)的確定

（1）掘進(jìn)速度。首先，盾構(gòu)機(jī)在前進(jìn)至距離樁基礎(chǔ)30 cm 時(shí)需減慢掘進(jìn)速度，保持在3～4 cm/min，這樣就可以保證有足夠時(shí)間調(diào)整準(zhǔn)備盾構(gòu)機(jī)[3]。之后當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在距離樁基礎(chǔ)10 cm 時(shí)需再次減慢掘進(jìn)速度，保持在2～3 cm/min，同時(shí)控制好盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入方向和把握好與隧道軸線角度，以保證盾構(gòu)機(jī)以良好姿態(tài)進(jìn)行切樁施工。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)緊貼橋梁樁基礎(chǔ)時(shí)，以10～15 mm/min 慢速切磨，以減小對樁體的擾動(dòng)。在掘進(jìn)施工過程中，施工人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注監(jiān)測盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)并根據(jù)新生成的參數(shù)指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)施工。

（2）刀盤轉(zhuǎn)速。刀盤轉(zhuǎn)速是掘進(jìn)參數(shù)的一個(gè)重要組成部分，如果刀盤轉(zhuǎn)速過快，容易造成刀盤崩壞和地面沉降；而轉(zhuǎn)速過慢會(huì)使刀盤貫入度過大，使得扭矩過大，影響切樁。因此，針對這一情況，切樁期間應(yīng)將刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.8 r/min，施工過程中根據(jù)施工人員所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

（3）其他掘進(jìn)參數(shù)。在掘進(jìn)過程中，需時(shí)刻檢查盾構(gòu)機(jī)推力，保持在1400 t 以內(nèi)；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整幅度在水平方向±20 mm，豎直方向0～30 mm；刀盤扭短保持小于15 MPa（150 bar）；盾尾間隙60～80 mm；在掘進(jìn)過程中，必須保持注入發(fā)泡劑，調(diào)整好土體狀態(tài)，需要時(shí)適當(dāng)加水。

3.4 對出土量進(jìn)行精確測量

為了更精確地做到掘進(jìn)進(jìn)尺與橋梁出土量的尺寸匹配，需要用到千斤頂對出土量進(jìn)行控制。從理論上來說，每環(huán)掘進(jìn)出土量約在46.4 m2，對于砂層松方的系數(shù)應(yīng)該保持在1.1 前后。這樣計(jì)算，在挖掘過程的出土量則小于50 m2。在工程施工過程中，為準(zhǔn)確反映施工的土量并做到嚴(yán)格控制，需要做好對土斗的清理工作，防止出現(xiàn)誤差問題。

3.5 確保注漿量體積

（1）注漿的數(shù)量。保障單液漿與雙液漿被同步注入，同時(shí)保證，在注漿壓力小于0.6 MPa 的條件下[5]，每環(huán)同步注入的單液漿在8 槽以上，而雙液漿不少于3 槽。

（2）注漿的方式。盾構(gòu)機(jī)注漿時(shí)，采用雙液漿與單液漿混合的注入方式。因此，在盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，盾尾位置可注入單液的砂漿，同時(shí)，利用盾構(gòu)機(jī)上配備的雙液注漿設(shè)備，在掘進(jìn)環(huán)倒數(shù)第二環(huán)的位置同步注入雙液漿。

（3）漿液的配比。標(biāo)準(zhǔn)的同步注雙液漿漿液的比例為，水灰比1∶1，水泥漿∶水玻璃（原漿）=5∶1。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在盾構(gòu)機(jī)的盾尾同步注漿漿液中每槽漿液各材料中用量為：300～400 L 水，150 kg 水泥，290 kg 粉煤灰，80 kg 膨潤土，以及500 kg 沙。

（4）漏漿問題的3 種防治方法。第一種，在管片縱縫粘貼泡沫條，可以防止?jié){液從縫隙位置流出；第二種，針對局部間隙較大位置處的壓力問題，需要對管片進(jìn)行合理選型，控制好掘進(jìn)軸線，使尾刷與盾殼保持在合理距離；第三種，向盾構(gòu)機(jī)的盾尾注入油脂，對于已經(jīng)出現(xiàn)的問題，要強(qiáng)化油脂注入量，并加大壓力。

3.6 做好對地面的監(jiān)測和巡查工作

（1）監(jiān)測頻率。工作人員對地面進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，需要在盾構(gòu)機(jī)通過橋梁時(shí)進(jìn)行。當(dāng)監(jiān)測過程中出現(xiàn)沉降報(bào)警時(shí)，需要沉降到至少40 mm 的位置，進(jìn)一步提高監(jiān)測頻率，及時(shí)反饋相關(guān)數(shù)據(jù)，對下一步的施工方向做出安排。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過后也要繼續(xù)保持監(jiān)測，在一切正常情況下，可以調(diào)低監(jiān)測頻率，大約在3 次/d，監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)保持3d 后，即可停止對其監(jiān)測。

（2）安排地面值班和巡查。在盾構(gòu)通過橋梁時(shí)，不僅是監(jiān)測工具在作業(yè)，還需要掌握盾構(gòu)機(jī)期間橋體和周邊建筑物的具體狀況，因此，需要施工管理人員在現(xiàn)場值班，也需要相關(guān)項(xiàng)目的部門進(jìn)行每日不少于2 次的巡查工作。

3.7 關(guān)于二次補(bǔ)充注漿

在橋梁的位置，需要進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。二次注漿的時(shí)間應(yīng)該控制在盾構(gòu)機(jī)機(jī)體全部離開橋梁橋體后。進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿的方式是雙液漿注漿方式，在保持注漿壓力小于0.5 MPa 的條件下[6]，據(jù)沉降監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)，將水玻璃原液1 m3注入50 L，并每隔兩環(huán)注入6 m3漿液的配比進(jìn)行注入。

3.8 實(shí)施效果

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過橋梁樁基時(shí)，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的管理人員需要嚴(yán)格按照操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，盾構(gòu)機(jī)減速位置應(yīng)該在到達(dá)樁體前50 cm。此時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的刀盤在切樁時(shí)應(yīng)保持些微顫動(dòng)，已出土中有少量鋼筋，掘進(jìn)的參數(shù)在合理區(qū)間，周圍建筑物的沉降在預(yù)期內(nèi)，地面巡視無明顯異常，螺旋機(jī)和盾構(gòu)機(jī)的出土無誤，左右線盾構(gòu)機(jī)可成功通過橋梁。

4 結(jié)語

大連市地鐵一期施工工程中，存在隧道中有橋樁侵入的問題。在現(xiàn)實(shí)操作中，技術(shù)人員通過對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造，選取合適的注漿方法，計(jì)算選用科學(xué)的掘進(jìn)參數(shù)，避免損壞周邊建筑物，產(chǎn)生征地拆遷等問題，橋梁樁基被盾構(gòu)機(jī)成功切通。這一舉措不僅使得工程順利進(jìn)行，降低施工成本和資源浪費(fèi)，更是對居民的影響降到最低，產(chǎn)生了極好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文中采用的例證和相關(guān)數(shù)據(jù)，相信會(huì)對類似條件下盾構(gòu)直接切樁通過樁基的施工工程提供一定借鑒。