中铁隧道股份有限责任公司 郑州 450000
摘要：为解决盾构在穿越管桩区域掘进技术难点，以泥水盾构成功穿越高强度管桩案例为研究背景，对盾构直接掘进穿越管桩区域施工进行了系统研究，并提出了相应的控制措施、取得了较好的效果，为今后类似工程的施工提供了借鉴。
关键词： 地铁隧道；盾构掘进；管桩区域；刀具切削；
1.2穿越管桩区域概况
徐湖区间线路上管桩区域为H8地块还建楼房桩基，该房建桩基已施工完成，地面房屋暂停施工，待盾构穿越后避开区间隧道再重新施工桩基及地面结构部分；影响盾构施工管桩区域长80米，宽21m，覆土厚度约22m，区间左线于615环处刀盘进入管桩区域，665环处刀盘出管桩区域，区间右线于610环进入管桩区域，657环处刀盘出管桩区域。穿越地层主要为4-1b粉砂夹粉土、粉质黏土、4-2粉细砂。桩基为静压预应力管桩，桩径0.5m，设计桩长35m。管桩与区间隧道平面位置关系图见图1-4。
图1-4管桩与区间隧道平面位置关系图 图1-7 未拔除管桩位置平面图
84-89号桩距离排水箱涵及附近房屋较近，根据提供的图纸显示有6根管桩无法探挖拔除。未拔出管桩位置平面图见图1-7。
1.3管桩设计概况
管桩为静压应力PHC-A500-125型管桩，终压时，压桩力不小于3800KN，单桩竖向抗拔极限承载力标准值为740KN，抗拔特征值为370KN。管桩单桩承载力特征值为1900KN。管桩直径为500mm，有效桩长35m，埋深约6m。
管桩主筋为11根直径9mm的预应力钢筋，箍筋为直径5mm，间距80mm的钢筋，管桩混凝土强度等级C80，管桩内径250mm，壁厚125mm。管桩剖面图见图1-8。
图1-8预应力管桩剖面图
盾构机在切桩前进行刀盘改造及切桩工况分析，确保盾构机满足切桩掘进施工要求。切桩掘进施工过程中通过调整泥浆拌制参数、设备材料准备、同步注浆控制、施工监测等针对性措施，保证切桩施工
3.1刀盘改造及切桩工况分析
（1）刀盘改造
盾构机在进洞前按切桩工况考虑，因所切管桩强度为80Mpa，将原软岩刀盘进行重新配置增加带合金头的滚刀，以增加刀盘破桩能力，切桩时刀具与管桩为点接触受力集中，可能造成刀具合金受撞击破碎，因此采用增加全盘滚刀形式。刀盘配置示意见图3-1。
图4-1 盾构刀盘配置示意图
（2）盾构设计参数
盾构机设计参数见表3-1.
表3-1 盾构设计参数
（3）切桩工况分析
通过分析，盾构穿越时可能存在以下四种工况，见图3-2。其中概率最大为工况一；一端近似固定、一端活动，且处于隧道轮廓内。
图3-2切桩工况示意图
3.2切桩施工技术研究
盾构机掘进至切桩范围之前编制切桩掘进施工方案，设置盾构切桩掘进各项参数，确保盾构切桩掘进施工。
3.2.1泥浆制拌
盾构穿越前或进仓前需拌制高比重高浓度浆液，浆液拌制分两种：分别为盾构掘进循环浆液拌制、带压进仓浆液制拌。
（1）掘进循环浆液制拌
盾构穿越管桩区域位于粉细砂层，浆液经分离后黏度较低，且穿越管桩区域大部分地层经过拔桩扰动，拔桩后因用地问题未能及时进行注浆填充。在掘进过程中采用优质的盾构专用制浆剂，同时安排专人每2个小时对泥浆粘度和比重进行测试，泥浆粘度控制在25～30s，进浆比重控制在1.2～1.3之间，对超标泥浆及时进行调整或处理，以确保泥浆质量。
（2）带压进仓高粘度泥浆拌制
拔桩区域地层经过扰动，处于粉细砂层，且距离周边建筑物距离较近因此带压进仓前、提前拌制粘度不低于90s的高粘度浆液，、在掌子面前形成高质量泥膜。
3.2.2设备及主要材料准备
（1）设备检修
盾构穿越管桩区域前对盾构设备及配套设施进行全面检查，并对故障设备及时进行维修，保证盾构能够连续穿越管桩区域。
（2）设备配置及主要物资准备
①盾构穿越管桩区域前提前将应急设备及物资放置于管桩区域，以备应急时使用。
②考虑管桩切断后掉落土仓内，可能需进仓打捞，需配置液压钳或钢筋切断设备，以便对断桩进行打捞。
3.2.3同步注浆控制
注浆量控制在理论注浆量1.3～1.8倍之间，砂浆胶凝时间控制在6～9h，确保地层空隙填充密实。同步注浆浆液配比见表3-3
表3-3盾构掘进过程中同步注浆配合比
注：根据掘进情况进行优化调整
（1）同步注浆
A.注浆压力
为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据计算和经验，注浆压力取值为：0.3～0.5MPa。
B.注浆量
注浆量一般为理论注浆量的1.3～1.8倍，注浆量计算根据曲线地段及砂性地层段，取4.9～6.9m3/环（环宽1.2m）。
（2）二次注浆控制
为了确保盾构安全穿越管桩施工，在管桩区域及前后20环位置，采用特殊管片即在管片上增加注浆孔（由原来的一环6个，增加到一环16个），在盾构切桩通过时利用注浆孔对地层进行二次补浆，弥补同步注浆的不足和减少地表沉降。
双液浆配比及性能，水灰比1：1；水泥浆：水玻璃1：1凝结时间50～70s。
3.2.4施工监测
（1）穿越管桩期间对地表及周围建筑物进行加密监测，每天监测次数不少于3次，如出现卡刀盘或堵仓现象加大监测，同时地面设专人值守，观察地面情况，如有明显沉降、塌陷或冒浆情况应及时上报，防止地表沉降及塌陷。
（2）盾构穿越后对监测点继续进行监测，监测时间不少于15天，直到变形稳定为止。
（3）对建筑物的监测项目包括：建筑物沉降、建筑物倾斜、建筑物裂缝。测点布置在建筑物的转角或拐角处。监测频率必须保证在盾构切口前30米和盾构尾后50米内为每天2次，盾尾通过7天后监测为1天1次，恢复正常监测频率；根据监测沉降情况实时调整优化掘进参数，指导洞内掘进施工。
3.2.5盾构切桩掘进
（1）因不确定具体管桩位置，盾构进入管桩区域后严格控制掘进速度及推力，以免在刀具接触管桩后因冲击力过大导致刀具异常损坏，掘进速度控制在10～15mm/min。
（2）严格控制土仓顶部压力（±0.1bar），穿越管桩前对前期掘进段进行总结，精确计算土仓顶部压力，并根据地表沉降监测情况及掘进循环情况对设定压力值（2.0bar）进行适当修正保证压力设定与地层及埋深匹配。
（3）刀盘转速采用低转速、小扭矩切削桩体，减小刀具对桩体的冲击力。
（4）推力暂控制在2100t～2500t，根据具体施工情况调整。
（5）切桩区域位于340m/350m曲线半径，严格控制盾构姿态，因不确定桩体侵入隧道内长度，需保证盾构四组油缸推力均匀。在穿越管桩前将盾构姿态调整至最佳状态，隧道轴线为11.8‰下坡，垂直趋势控制在+5～+10mm以内，保证盾构整体处于水平状态，确保切桩时刀盘于桩体垂直。水平姿态根据340m/350m曲线半径进行预偏（20～40mm），确保在切削桩体时不调整姿态。
（6）掘进过程中开启碎石机，确保有大块混凝土进入泥浆门处时可将其破碎，减少堵仓现象发生。
盾构穿越管桩区域切桩掘进参数设置如下表3-5。
表3-5 盾构切桩参数设置
3.2.6掘进切桩情况
（1）左线掘进情况
2017年1月5日左线盾构掘进至610环，停机对设备进行全面检查维修。
停机前掘进参数为：速度40～50mm/min，推力1500～2000t，刀盘转速1.0～1.3rpm，扭矩2700～3200KN•M，土仓压力2.0～2.2bar。
2017年1月9日左线盾构停机4天后恢复掘进611环，盾构停机位置地层为粉细砂层，长时间停机导致盾壳外围地层收敛，恢复掘进后推力从2400t～2000t递减，推进至615环后推力降低至2000t左右；611环～615环掘进速度为15～20mm，推力在2400～2000t，扭矩在1500～2000 KN•M。
在616环掘至600mm时推力从2200t增加至2500t，掘进速度在15～20mm/min，刀盘转速1.1～1.3 rpm，扭矩增加到1700～2600KN•M，土仓压力在2.0～2.2bar，判断切削到桩体。
617-644环速度30mm降至15mm/min，刀盘转速1.2～1.3rpm扭矩2600～2000 KN•M，推力2200～2600T，左线切桩掘进参数统计见表3-6。掘进过程中出现出渣不畅、堵管等现象；在2017年1月15日带压进仓打捞障碍物。
表3-6左线盾构穿越管桩区域施工参数表
（2）右线掘进情况：
2017年2月16日右线盾构掘进至592环，进入管桩区域，停机对设备进行全面检查维修，同时制备粘度30s浆液，以保证穿越管桩区域时掌子面的稳定及环流携渣能力。
进入管桩区域前掘进参数：速度30～50mm/min，推力1900～2100T，刀盘转速0.9～1.1rpm，扭矩2500～3000KN•M，土仓顶部压力2.0bar，埋深20m。
2017年2月17日掘进至601环时掘进速度突然下降至15～20mm/min，刀盘转速0.9～1.1rpm，扭矩在3000～3500KN•M，土仓压力1.9～2.0bar，推力2100～2500t，初步判断盾构切削到桩体。
2017年2月17日至2017年2月22日掘进602环～644环期间，掘进速度15～20mm，推力2300～2800t，扭矩2500～3300KN•M，右线切桩掘进参数统计见表3-7。掘进期间泥浆循环不畅，判断存在堵仓现象，2017年2月23日带压进仓打捞障碍物。清理出的钢筋等见图3-3
表3-7 右线盾构穿越管桩区域施工参数表
3.3仓内障碍物处理
根据盾构机过管桩区域掘进情况，判断桩体被切断后，部分桩体被破碎，破碎后的混凝土块及钢筋缠绕集中在泥浆门处，导致后续掘进泥浆循环困难，为保证后续掘进工作正常，现场组织进行带压进仓作业，对仓内的障碍物进行打捞。
图3-3清理出的管桩钢筋
3.4小结
（1）盾构切桩前，如条件允许，原则上须拔除桩体，拔除后采用30%水泥砂土搅拌后回填，并在原桩位上预埋3根袖阀管进行注浆加固。
（2）在盾构切桩施工中，通过采取刀盘刀具改造，能满足切桩施工要求。切桩结束后进仓打捞是必备措施，泥水盾构切桩过程中，可能需要进仓打捞钢筋。
（3）泥水盾构切桩施工中建议掘进速度5～10mm/min，同步注浆量为理论注浆量的1.4-1.8倍，掘进速度小于5mm/min时进仓打捞管桩钢筋
（4）土压平衡盾构切桩施工中，通过采取正反转螺旋输送机、加入膨润土或泡沫的方式改良渣土，加固螺旋输送机内壁等措施，可避免螺旋输送机被卡。
（5）在螺旋输送机出土口设几处观察口兼异物探取口，便于快速解决螺旋输送机处被卡的钢筋、混凝土块。
（6）通过施工实践，土压平衡盾构切桩掘进时，最大推力是正常段施工的116%；最大扭矩是正常段推进时的123%。切桩时平均推力是正常段推进的110%；平均扭矩是正常段推进的111%。
（7）盾构切桩施工前，对风险较大的建（构）筑物下方桩体，须进行托换等加固措施。
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论文作者:谢建生
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/20
标签：盾构论文; 管桩论文; 区域论文; 推力论文; 注浆论文; 泥浆论文; 浆液论文; 《基层建设》2019年第24期论文;