土压平衡盾构机磨桩施工技术

白枝奉

(中铁十六局集团北京城市轨道建设有限公司, 北京 101100)

土压平衡盾构机磨桩施工技术

白枝奉

(中铁十六局集团北京城市轨道建设有限公司, 北京 101100)

盾构磨桩施工不同于正常掘进，应充分考虑地质水文条件对盾构磨桩施工过程造成的影响。文章结合昆明地铁八标环城南路站～昆明火车站站区间的盾构施工,系统阐述利用土压平衡盾构机切削磨除侵限桩基的施工工艺和施工参数。首先结合昆明地铁地质条件,分析了磨桩施工过程中存在风险,在此基础上,提出了针对昆明地铁地质条件的磨桩施工技术,包括盾构机改造、掘进速度、盾构机姿态、磨桩过程中的辅助措施等。

土压平衡盾构机； 侵限桩基； 磨桩施工

随着城市基础建设设施的持续建设，地铁轨道交通呈现快速发展的趋势，但受到原先城市规划的制约，新的地铁隧道在施工过程中将不可避免地会部分穿越大型建(构)筑物桩基群、废桩群等。现有国内盾构施工中桩基处理普遍采用桩基托换加人工挖孔桩破除侵限桩基方法，这些方法存在着施工难度大、风险大、费用高、工期长等问题。

1 工程概况

昆明地铁首期工程土建八标段环城南路站～昆明火车站站盾构区间存在多处桩基侵限(表1)。如昆明站无柱雨棚桩基侵入隧道结构(图1)，昆明站执法大院房屋试桩基础侵入隧道结构(图2)，以及昆明站地下出站大厅和铁路局招待拆迁所遗留断桩、残桩。桩基形式多样，有预应力管桩、钻孔灌注桩、水泥土搅拌桩等，内含钢筋、钢绞线，厚20 mm直径500 mm的法兰等。由于原方案辅助人工挖孔桩凿除侵限桩基施工过程存在很多问题，后决定采用盾构机磨桩施工。

图1 昆明地铁左线Dk13+697.8处无柱雨棚与地铁隧道立面关系(单位：除标高为m外，其余均为mm)

图2 执法大院房屋整体基础与昆明地铁隧道立面关系(单位：除标高为m外，其余均为mm)

序号名称里程桩基形势桩长1昆明站无柱雨棚桩基右IDK13+993．246600mm灌注桩30m2执法大院房屋试桩右IDK14+018．789PC管桩400A，厚80mm16～18m3出站大厅和铁路局招待所遗留断桩、残桩IDK13+856．547～IDK13+517．984水泥土搅拌桩

2 地质水文情况

昆明地铁八标环昆区间结构顶埋深8～15 m，隧道盾构施工范围内穿越圆砾层、粉土粉砂层及黏土层。地下水水位为地表下1.00～2.50 m，潜水位为圆砾2层、粉砂3层水位，该两层含水层有水力联系。局部地段微具承压性。由于环昆区间隧道盾构施工范围内穿越圆砾层、粉土粉砂层及黏土层，其中粉土、粉砂层的塑流性、止水性差，在掘进中会产生排土不畅或造成砂层疏干现象，如果地下水压较高、含水量较多，会造成土仓土压不稳定、推力增大，甚至螺旋机喷涌，施工过程需采取相应的预防、控制措施。

3 风险评估分析

(1)构机切削磨桩过程中如果掘进速度过快，很容易造成盾构机卡住。切削、碾压磨断的钢筋混凝土将进入盾构机的螺旋输送机，螺旋输送机也有可能被卡住，使其无法正常运转，从而使以后的隧道无法正常掘进。

(2)盾构机可能受到严重损坏，影响后续工程施工。盾构机穿越多处桩基，刀具可能发生较严重损坏，影响后续掘进的切削能力。土压力传感器损坏，影响土压控制，影响地面和建筑物、管线的沉降控制。刀盘主轴承及驱动机构、传动机构由于受到冲击负荷影响可能造成损坏。

掘进的桩尖、断桩头可能随着盾构机一起前进造成地层超挖，影响地面沉降的控制以及后续房屋、管线的安全。

4 磨桩施工技术

4.1 磨桩掘进前盾构机改造

(1)刀盘均采用面板式(防止土体塌方)。

可根据磨桩多少，更换安装10把以上滚刀，加焊30把先行刀，采用耐磨刀具，以利于更好地切削磨桩；最好选择可前后移动的液压主驱动刀盘，方便盾构机被卡住、铰住时脱困处理；刀盘上安装两个刀具磨损检测装置。

(2)螺旋输送机最大出料尺寸为520 mm×340 mm，1个带蓄能器的卸料液压控制闸门出土口，具备在停电时自动关闭的紧急功能 ；螺旋输送机具有前后伸缩功能 ，并且在螺旋机两侧有2个维保口，方便检查维护。

(3)配备泡沫发生系统。

可向刀盘、土仓压力板、螺旋输送机内注入泡沫剂、分散剂等，以达到渣土改良效果，从而确保推进安全顺利。

4.2 磨桩施工过程控制

4.2.1 加强盾构磨桩施工过程参数控制

盾构机磨桩施工，最大的风险在于地表沉降的控制，做好地表沉降控制主要做好“护头、护尾、保姿态”工作，加强掘进参数控制。

盾构机磨桩施工时采用土压平衡模式，控制压力为理论计算土压力+0.01～0.02 MPa。盾构机磨桩施工过程中必须严格控制出土量，考虑土层的松散系数，盾构机磨桩施工时的实际出土体积控制在48 m3。

(1)掘进速度控制。

在推进至桩基6 m左右时放慢推进速度，推进速度控制在25 mm/min左右，盾构机在接近桩基时，再次放慢推进速度，控制在10～15 mm/min左右减少磨桩对桩基础的影响。

(2)加强同步注浆和二次注浆。

同步注浆原则：我部盾构隧道管片壁后理论空隙为2.61 m3，要求实际每环注浆量控制在4.7 m3以上，注入率180 %以上，注浆压力在0.35 MPa左右。根据建构筑物沉降情况，及时进行二次注浆，确保壁后空隙填充饱满，减少地面沉降。

(3)盾构机姿态控制。

盾构机磨桩施工时左右存在软硬不均，为防止盾构机偏头，可适当增加局部千斤顶推力，并充分利用铰接油缸，使盾构姿态与设计线路更加吻合。盾构机磨桩施工时刀盘扭矩大，滚动角可以通过改变刀盘旋转方向调节。

(4)盾构磨桩过程中辅助措施。

利用盾构机上的泡沫发生系统，向刀盘、土仓或者螺旋机内注入一定量的泡沫剂、分散剂或者其他高分子聚合物，防止产生“烧砖”、结“泥饼” 现象，或者发生喷涌事件。

(5)加强盾构机在掘进中的保护。

利用数据监控和采集系统随时将掘进过程中的数据参数反馈到地面，以便指挥中心及时发出调整掘进参数的指令。加强设备巡检、维护保养，使设备处以良好的工作状态，确保盾构机磨桩施工顺利进行。

(6)加强建构筑物监测。

设置建(构)筑物沉降、位移观测点，监测频率为6 h/次。采集监测数据后及时进行处理，根据监测点管理基准和变形变化速率mm/d控制要求综合判断结构和建筑物的安全状况，及时回馈指导施工，调整施工参数，达到安全、快速、高效施工之目的。

5 结论

昆明地铁环昆区间盾构磨桩施工期间刀盘扭矩相对变大，成小幅周期规律性波动变化，未对建(构)筑物造成停业、歇业影响。我部多处磨桩施工地表、建(构)筑物最大沉降值-17 mm，建(构)筑物的沉降、倾斜度在允许范围内。

磨桩施工的实际过程有很大的不可预见因素，施工时还要做好盾构设备、技术措施、沉降监测、应急预案等各方面的准备。周密策划、精心施工是可以使地铁盾构在滇池断陷盆地地质条件下成功穿越建(构)筑桩基础的保证。

[1] 杨自华,钟志全.泥水盾构穿越桩基础掘进施工[J].建筑机械化,2007,(9):51-53

[2] 黄巍.浅析盾构机穿越多层房屋桩基基础施工风险及应对措施[J].建设监理,2007,(6):90-92

白枝奉(1982～)，男，工程师，主要从事地铁盾构施工技术管理及研究工作。

U455.43

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[定稿日期]2015-02-05