空心樁法常壓開倉和大開口刀盤修復技術研究

張瀚華

（中交第二航務工程局有限公司，武漢430000）

1 工程概況

成都地鐵17 號線鳳～溫區間，區間單線長度約1.4 km。穿越密實卵石土。隧道坡度3‰，下穿地鐵4 號線隧道后在鳳溪河站和地鐵4 號線換乘。最小間距約3 m，穿越前進行刀盤修復和查換刀工作，以確保順利下穿。本項目使用的盾構機在成都富水砂卵石地層施工中多項技術指標為國內首次。比如，開挖直徑為8.6 m、刀盤采用大開口率（45%）、周邊圓弧過渡區域接近直角、帶式螺旋機排土，出土理念由以往的“先破碎再排除”更改為“整體直接排出”，顛覆傳統認知和理念，首次探索實屬不易。空心樁維護土體開倉的方法也是在復雜的地質條件中刀盤、刀具磨損過快不得不采取的施工措施，此技術是國內首創。

2 換刀和刀盤修復方案設計研究

采用降水條件下開倉檢查，同時輔以隔離樁（素樁）+空心樁加固處理，在刀盤進入隔離樁樁體25 cm 時開倉，確保開倉位置盾構機周邊土體穩定。

2.1 隔離樁加固范圍

開倉位置先采用沖擊鉆施工隔離樁，用于對刀盤前沿掌子面加固，采用φ1.2 m 素樁（C25）4 根，φ1.8 m 空心（內徑1.2 m）鋼筋混凝土樁（C25）3 根，單條隧道范圍內布置7 根，從隧道中心線往兩側布置。樁底深入隧道底以下1 m。隔離樁避開聯絡通道開挖邊緣1 m 以上。

2.2 隔離樁施工

1）打圍，安裝圍擋。在預加固里程范圍按施工所需場地大小安排施工打圍，并按要求設置安裝圍擋。

2）測量放線。根據地質情況，嚴格按照方案的間距和位置放樣，確定鉆孔的中心位置。

3）施工順序。鉆孔樁施工及機具定位使用，護樁應布置4 個點，4 個點采取對位十字相連確定樁基中心。按阿拉伯數字編號1～7 號，逐一施工，在已灌注成樁鄰近樁位鉆孔時，施工間隔不小于36 h。

4）埋設護筒。要求孔口以下3 m 采用鋼護筒作為護壁。

5）化學泥漿護壁。3 m 以下范圍采用化學泥漿護壁。

6）成孔檢查和清孔。鋼護筒內徑比鉆孔直徑大200 mm。清孔應分2 次進行。

7）混凝土灌注。導管受壓最大值的確定按照下式計算：

式中，P為導管可能受到的最大壓力，kPa；γc為混凝土拌和物的重度（取25 000 N/m3）；Hc為導管內混凝土最大高度，m；γw為內部液體重度（取11 000 N/m3）；Hw為內部液體深度，m。最終計算得P=0.5 MPa。

8）注意事項。導管接縫位置充水15 min 不漏水即為合格。單樁的灌注時間不能超過2 h。現場技術人員應提前聯系好商品混凝土供應商。單節導管長度不得超過4 m，以2～3 m 為宜。在澆筑過程中用測繩對孔內進行試探，根據能接觸到的混凝土部位計算目前混凝土澆筑的高度，再根據孔內已安裝的導管長度和應插入混凝土內導管的長度2 個數據進行核對，決定是否可以拔導管。

2.3 空心樁施工

為檢查刀盤外緣磨損情況，且在外緣磨損較嚴重的情況下具備刀盤修復的安全作業條件，擬在盾構隧道的兩側及中間各施工1 根φ1.8 m 的空心鋼筋混凝土檢查樁。中間空心部分直徑1.2 m，鋼筋籠主筋采用φ25 mm 螺紋鋼，沿圓周均布14 根，箍筋采用φ10 mm 圓鋼，間距20 cm。盾構機穿越段選用相應直徑的玻璃纖維筋，與螺紋鋼采用卡扣連接。

φ1.8 m 檢查樁成孔方法與隔離樁施工相同，成孔后清孔，下放鋼筋籠澆筑混凝土。在樁基混凝土開始初凝時采用旋挖鉆從樁中心鉆孔形成1.2 m 直徑的空心。旋挖鉆定位采用和成孔時相同的方法，確保鉆桿中心與樁中心重合。鉆孔過程中向樁孔內補入清水以防止塌孔。

2.4 進樁和填倉

1）開倉前停機保壓。當隔離樁強度達到20 MPa 及以上時盾構機刀盤切入隔離樁，盾構機刀盤進入隔離樁30 cm。

2）填倉處理。修復完成后方可采用惰性漿液進行填倉，土倉內填滿以后上部壓力控制在0.02～0.04 MPa。惰性漿液的配合比：中粗砂700 kg∶Ⅱ級粉煤灰370 kg∶鈉基膨潤土360 kg∶水500 kg。

2.5 復推參數控制

復推時，充分考慮填倉時注入惰性漿液的量，減少注水；控制掘進速度不小于40 mm/min、推力25 000～30 000 kN、扭矩8 000～10 000 kN·m。

推進時注意控制土倉內情況，復推第一環，土倉土位控制在整體高度的1/3 位置，避免由于干燥和改良效果不好而堆積，刀盤扭矩過大而調停。異常調停會造成嚴重后果，如刀盤電機剪切銷斷裂失效，如果無法有效處理堆積的砂卵石土會導致異常開倉。

2.6 刀盤修復

2.6.1 刀盤修復準備

將刀盤外周需安裝保徑刀區域內的耐磨板（120 mm×120 mm×10 mm）碳刨拆下，然后將碳刨處打磨平整；刀盤其余2 處輻條No.2、No.8 安裝合金保徑刀時，將需安裝區域內的耐磨板先參照此方法碳刨拆除并將碳刨處打磨平整。

2.6.2 刀盤修復方案

在圖1 標識“●”位置處（共10 處）安裝2 道圓環保護刀。因為刀盤出廠時保護刀數量不足，采用HARDOX×400 耐磨鋼板，在砂卵石中磨損很快，8 m 盾構機刀盤轉動一周保護刀走過的路程遠遠大于小盾構機，因此，必須增加帶合金的保護刀，合金耐磨性能優于耐磨鋼板，更換保護刀后此部位可正常使用至施工結束。

在圖1 標識“▲”位置處（共8 處）安裝一道圓環保護刀。安裝刀盤（No.2、No.8）輻條處的合金保徑刀。安裝刀盤（No.3、No.5、No.11）輻條處的圓環保護刀。此處加裝保護刀的原因同上，只是考慮成交錯分布，既可以保證效果，又合理節約了一定數量的保護刀，因此，采用交錯布置的方式焊接處理。

在刀盤外圈擋板位置，將部分擋板割除，完成后打磨切口處，可堆耐磨焊將此部位加強。在刀盤邊緣刮刀與擋板間隙內焊接擋塊填充，完成后在擋塊上堆耐磨焊加強；擋塊的寬度按實際測量尺寸確定，若測量尺寸小于10 mm 無須補板。此處為刀盤的最薄弱環節，最容易磨損且惡化[1]。當盾構機向前掘進時挖掘后堆積的土體會擠壓至這個部位，此大開口刀盤在圓弧過渡處呈90°略帶圓弧狀，不同于常規的大圓弧過渡刀盤，渣土堆積到此為止后十分不易進入進渣口排出，刀盤轉動和被擠壓使砂卵石密實摩擦，此處磨損損壞的程度會遠比其他部位嚴重。因此，必須增加耐磨性能，通過焊接擋板并加焊耐磨層來實現。這解決了迎土面的耐磨問題。

在擋塊上方安裝圓環保護刀。此處安裝的保護刀和土體的接觸面同上述保護刀一致，可以認定是上述保護刀的補充，是處理邊緣刮刀外周的特殊保護形式。保護刀可保護此處，在刀盤和周邊被擠壓過的砂卵石摩擦過程中更不易磨損，充分發揮合金保護刀的耐磨特性。

圖1 刀盤修復示意圖

3 采用空心樁施工的意義

不同于以往常規做法，空心樁的結構和尺寸決定了人員在其中可以自由上下和轉身；30 mm 玻璃纖維筋混凝土護壁，可以抵抗刀盤前方和周邊土體的擠壓和剪切，8 m 級刀盤比6 m 級刀盤在開倉作業時更不利；頂部為鋼筋混凝土空心結構，可以保證樁的整體性良好，保證樁不會土體被切斷；空心部位直通地面，可以保證空氣流通，新風順暢地進入土倉內，土倉內熱量也會隨空氣流通排出，從而降低溫度；保護刀等材料和工具可通過空心樁吊裝到位；焊割設備可通過空心樁接至地面電源或氣瓶；復推后通過空心樁快速填充盾體上部因復推擾動超方導致的空洞，避免地面塌陷。

4 結語

經過實踐檢驗。采用空心樁法開倉，周邊土體穩定安全，刀盤被保護刀加強后，刀盤磨損得到有效控制。因此，空心樁法開倉和刀盤修復技術是有效可行的，使后續工程得以順利完工。