盾構機切樁風險分析與施工技術探究

殷雪峰

（中鐵十九局集團有限公司，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機直接切樁通過橋梁樁基風險分析與施工技術探究。以盾構機切樁通過橋梁技術措施為主要內容，通過拔樁方案將盾構機改成切構方案，實現工程順利開展。

1 工程概況

大連市地鐵一期施工工程，位于華北路、山東路區間，掘進時華北路至山東路之間使用2 臺盾構機，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區間內通過橋梁，該橋1998年設計并竣工完成。

工程面臨的難度較大，尤其是暗挖車站多。大連地鐵建設者堅持“困難留給自己，方便讓給市民”的建設理念，為減少地鐵建設對城市交通、環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，車站區間暗挖施工比例高達77%。暗挖車站與明挖車站相比，對城市交通及環境影響小，但施工難度大，安全風險高，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，不能建設排渣井出渣。為解決這一問題，建設方充分利用盾構機掘進過程中其后方形成的通道，安裝、使用傳送帶運送渣土，保證工程順利開展。

2 盾構直接切樁通過橋梁樁風險探究

華北路至山東路盾構區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，北側高、南側低。根據巖土的時代成因和工程特征，本場地的地層分為5 個主層。第一個地層為第四系全新統人工堆積層，主要是素填土和雜填土；第二個地層為第四系中更新統殘積層，主要是紅黏土；第三個地層為第四系中更新統冰磧層積層，主要是黏土和卵石；第四個地層為震旦系五行山群甘井子組白云質灰巖，主要是中風化白云質灰巖石；第五個地層為震旦系五行山群南關嶺組石灰巖，主要是中風化石灰巖和溶洞。由此可見，隧道頂部地質比較軟弱，盾構機直接切樁風險頗多，表現如下。

（1）盾構掘進區域含有砂層。在經過橋梁時，其頂部砂層包含淤泥質粉細砂層、淤泥質土層和粉細砂層，這些砂層流動性好，并且極易受到擾動，從而造成砂層液化[1]。盾構機在施工過程中，一旦擾動砂層，造成其液化，就會使砂層坍塌，以至于盾構機會涌滿砂土，造成盾構機故障，掘進工作不能正常進行，影響工期；還可能引發地質問題，使地面沉降，危及地面上行人和建筑物的安全，造成人身財產損失。

（2）盾構直接切削樁體可能導致刀具損壞。在掘進過程中，盾構機刀盤會直接切割樁體，由于樁體本身強度比較大，而且其內部有鋼筋，進一步使樁體硬度增大，從而當刀盤切割樁體時，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，就可能會使刀盤崩裂或扭斷，影響工程進度。

（3）切割橋梁樁體會造成盾構機變形。在施工過程中，盾構機會經過柔性土層、砂層，以及切割樁體，會產生在刀盤切割時受力不平衡，從而導致盾構機工作狀態受到影響，一旦累積到一定程度，盾構機扭矩過大，會造成盾構機變形，甚至造成盾構機損壞，不能正常工作，影響工期。

（4）盾構機切割橋梁過程中有可能被卡住。盾構機在掘進時，會切割樁體以及鋼筋等硬金屬，造成鋼筋等扭曲環繞在盾構機上，若沒有及時清除這些堅硬物體，任其在盾構機上積累，會堵塞盾構機螺旋機，使其無法排出土料，機器不能正常工作，甚至燒損。

3 盾構機直接切樁通過橋梁施工技術探究

3.1 改善刀盤性能

在盾構機開始掘進前，施工單位工程管理部門就應該充分考慮拔樁難度，做好一次性切除橋樁的準備，此舉是為了提升刀盤的抗磨損能力，并對之進行升級加工。經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、保護刀具、提高刀具使用次數，減少更換刀具頻率，從而整體性改變刀具的方式。具體做法是將盾構機中軟基中的刀盤側面的堆焊高度更換為高度為6～8 mm 的耐磨性網格紋理[2]；同時增加保徑刀，將之安裝在刀盤側面，在原來刀盤耐磨條保護基礎上，又增加一層保護措施，即使是在最易受磨損的掘進過程中，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標時，又或由于切樁不合適而導致的盾體障礙，此時為有效推進工程進程，需要將邊緣位置磨損的刀具進行切割或削磨。例如，將滾刀固定在距離刀盤175 mm 的高度上，從而改善刀盤的結構和滾刀的磨損力。

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據，可以得知沉降反應發生的起止位置是在盾構機前方約10 m 處的位置到盾構機后方約30 m 的位置，因為數據始有沉降反應的位置是在機頭10 m 處，沉降反應穩定的位置是在機頭后30 m。用左右線的影響范圍表示就是左線618 環，右線624 環。

3.3 掘進參數的確定

（1）掘進速度。首先，盾構機在前進至距離樁基礎30 cm 時需減慢掘進速度，保持在3～4 cm/min，這樣就可以保證有足夠時間調整準備盾構機[3]。之后當盾構機在距離樁基礎10 cm 時需再次減慢掘進速度，保持在2～3 cm/min，同時控制好盾構機進入方向和把握好與隧道軸線角度，以保證盾構機以良好姿態進行切樁施工。當盾構機緊貼橋梁樁基礎時，以10～15 mm/min 慢速切磨，以減小對樁體的擾動。在掘進施工過程中，施工人員應時刻關注監測盾構機施工參數并根據新生成的參數指導盾構機施工。

（2）刀盤轉速。刀盤轉速是掘進參數的一個重要組成部分，如果刀盤轉速過快，容易造成刀盤崩壞和地面沉降；而轉速過慢會使刀盤貫入度過大，使得扭矩過大，影響切樁。因此，針對這一情況，切樁期間應將刀盤轉速控制在0.8 r/min，施工過程中根據施工人員所監測的數據進行實時調整。

（3）其他掘進參數。在掘進過程中，需時刻檢查盾構機推力，保持在1400 t 以內；盾構機姿態調整幅度在水平方向±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；在掘進過程中，必須保持注入發泡劑，調整好土體狀態，需要時適當加水。

3.4 對出土量進行精確測量

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

3.5 確保注漿量體積

（1）注漿的數量。保障單液漿與雙液漿被同步注入，同時保證，在注漿壓力小于0.6 MPa 的條件下[5]，每環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。盾構機注漿時，采用雙液漿與單液漿混合的注入方式。因此，在盾構機施工時，盾尾位置可注入單液的砂漿，同時，利用盾構機上配備的雙液注漿設備，在掘進環倒數第二環的位置同步注入雙液漿。

（3）漿液的配比。標準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。按照這個標準，在盾構機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，可以防止漿液從縫隙位置流出；第二種，針對局部間隙較大位置處的壓力問題，需要對管片進行合理選型，控制好掘進軸線，使尾刷與盾殼保持在合理距離；第三種，向盾構機的盾尾注入油脂，對于已經出現的問題，要強化油脂注入量，并加大壓力。

3.6 做好對地面的監測和巡查工作

（1）監測頻率。工作人員對地面進行監測時，需要在盾構機通過橋梁時進行。當監測過程中出現沉降報警時，需要沉降到至少40 mm 的位置，進一步提高監測頻率，及時反饋相關數據，對下一步的施工方向做出安排。當盾構機通過后也要繼續保持監測，在一切正常情況下，可以調低監測頻率，大約在3 次/d，監測數據連續保持3d 后，即可停止對其監測。

（2）安排地面值班和巡查。在盾構通過橋梁時，不僅是監測工具在作業，還需要掌握盾構機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場值班，也需要相關項目的部門進行每日不少于2 次的巡查工作。

3.7 關于二次補充注漿

在橋梁的位置，需要進行二次補充注漿。二次注漿的時間應該控制在盾構機機體全部離開橋梁橋體后。進行二次補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]，據沉降監測反饋數據，將水玻璃原液1 m3注入50 L，并每隔兩環注入6 m3漿液的配比進行注入。

3.8 實施效果

當盾構機通過橋梁樁基時，負責項目的管理人員需要嚴格按照操作標準進行施工，盾構機減速位置應該在到達樁體前50 cm。此時，盾構機的刀盤在切樁時應保持些微顫動，已出土中有少量鋼筋，掘進的參數在合理區間，周圍建筑物的沉降在預期內，地面巡視無明顯異常，螺旋機和盾構機的出土無誤，左右線盾構機可成功通過橋梁。

4 結語

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。在現實操作中，技術人員通過對盾構機進行適當改造，選取合適的注漿方法，計算選用科學的掘進參數，避免損壞周邊建筑物，產生征地拆遷等問題，橋梁樁基被盾構機成功切通。這一舉措不僅使得工程順利進行，降低施工成本和資源浪費，更是對居民的影響降到最低，產生了極好的經濟和社會效益。本文中采用的例證和相關數據，相信會對類似條件下盾構直接切樁通過樁基的施工工程提供一定借鑒。