淺談盾構(gòu)機(jī)利用空心樁 進(jìn)行常壓開倉的前景

李嘉駿

以成都軌道交通17號線一期9標(biāo)項目盾構(gòu)區(qū)間為例，首先介紹了在地下水豐富的砂卵石地層中盾構(gòu)開倉前使用常規(guī)的袖閥管注漿預(yù)加固土體失敗的案例，然后從失敗案例中逐步分析并總結(jié)出一種全新的施工工藝——在預(yù)開倉位置提前施工空心樁，盾構(gòu)機(jī)刀盤掘進(jìn)至空心樁，操作人員在空心區(qū)域常壓進(jìn)倉。

一、引言

盾構(gòu)法作為隧道挖掘最安全便捷的施工工藝，目前已不僅僅是用于地鐵施工，還廣泛運用于公路隧道、鐵路隧道，盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具是其最重要零部件之一，在盾構(gòu)掘進(jìn)中保證刀盤刀具優(yōu)良的運轉(zhuǎn)性能，是盾構(gòu)順利施工的前提。因此，盾構(gòu)開倉基本上是絕大多數(shù)盾構(gòu)隧道都要經(jīng)歷的事件，但在不穩(wěn)定地層中，開倉有著極高的施工風(fēng)險，尤其是帶壓開倉或者非硬巖地層常壓開倉。砂卵石地層中，由于地層之間空隙較大，帶壓開倉往往較難實現(xiàn)，一般的做法是提前在開倉區(qū)域用袖閥管對土體進(jìn)行注漿加固，然而在富水區(qū)域，袖閥管加固質(zhì)量較難保證。采用掏空混凝土樁作為平臺，既對掌子面進(jìn)行了隔離，同時形成了工人作業(yè)空間，同步利用井點降水，保證空心樁內(nèi)水位低下，保障開倉安全。本文重點介紹空心樁的由來及應(yīng)用，井點降水簡要帶過。

二、現(xiàn)場概況

1.水文地質(zhì)情況

成都軌道交通17號線一期9標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間全長約2220m，采用8.6m土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，主要穿越<3-8-3>密實卵石土層，圍巖等級為V級，地下水位平均為4.2m。隧道最大埋深17m，最小埋深約7.5m，最小曲線半徑600m，最大坡度34‰。卵石成分以花崗巖、灰?guī)r、砂巖為主，粒徑一般為20~200mm，卵石質(zhì)量大于70%，場地局部地段見漂石，漂石粒徑大于200mm。層厚較大，場地內(nèi)普遍分布，呈層狀分布于基巖之上。

2.常規(guī)工藝加固土體后的開倉情況

區(qū)間計劃常壓開倉換刀八次，第一次開倉時，項目人員按照既定的施工方案（袖閥管注漿加固土體+井點降水）做開倉前的準(zhǔn)備工作，開倉后，發(fā)現(xiàn)掌子面極不穩(wěn)定，存在較高的垮塌風(fēng)險，且土倉內(nèi)水位較高，未能降到刀盤中心以下區(qū)域；項目部對加固區(qū)域取芯觀察，發(fā)現(xiàn)芯樣破碎、水泥含量少，并不能達(dá)到預(yù)期加固的目的，第一次開倉換刀計劃以失敗告終。

三、空心樁常壓開倉

1.思路形成

分析開倉失敗的原因，主要有兩點：一是開倉位置周邊降水沒有達(dá)到預(yù)期效果，二是掌子面不穩(wěn)定。解決思路：（1）降水問題，將理論計算與其它成功開倉的項目進(jìn)行比較，尋求合適的計算系數(shù)，將水位降到刀盤中心以下位置；（2）確保掌子面穩(wěn)定有兩個思路，其一是通過地層加固使掌子面自身穩(wěn)定，但在富水砂卵石區(qū)域，三軸攪拌樁實施困難，袖閥管注漿效果一般；二是通過隔離掌子面（即在刀盤與掌子面之間加一道“墻”）達(dá)到預(yù)期效果，項目人員首先想到利用鋼板樁進(jìn)行隔離，這種方法高效且經(jīng)濟(jì)，但在砂卵石地層鋼板樁施打及拔出較困難，只能放棄，通過鋼板樁進(jìn)行思維發(fā)散，發(fā)現(xiàn)可以利用一排混凝土咬合樁對掌子面進(jìn)行隔離，而且掏空混凝土樁，施工人員還能在空心區(qū)域作業(yè)，增大作業(yè)面積，且通過計算空心樁受力滿足受力要求，如圖1所示。

圖1 空心樁受力驗算圖

2.工藝原理

在提前設(shè)定好的開倉里程施工一排混凝土鉆孔樁（根據(jù)現(xiàn)場需求設(shè)置2~3根空心樁），混凝土樁長位于盾構(gòu)機(jī)刀盤底部2m，能將整個刀盤包裹起來，掏空區(qū)域底部位于刀盤中心下方1m。空心樁既是臨時支護(hù)，也可作為盾構(gòu)換刀人員的操作平臺、換氣通道，在空心樁內(nèi)施工，良好的施工環(huán)境是施工安全及開倉換刀質(zhì)量的前提保證。在空心樁成型后進(jìn)行井點降水，使得水位在刀盤中心以下，確保作業(yè)空間，如圖2及圖3所示：

圖2 空心樁常壓開倉布置圖a

圖3 空心樁常壓開倉布置圖b

3.工藝流程

樁基施工采用旋挖鉆及其配套設(shè)備，降水井施工采用沖擊鉆及其配套設(shè)備，水平運輸采用叉車及裝載機(jī)，垂直運輸采用汽車吊。

先提前確定開倉位置，再施做樁基，然后進(jìn)行降水井施工及降水作業(yè)，最后出空土倉渣土、開倉。需要特別說明的是，為了減少開倉停機(jī)時間，最少需要在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)開倉里程前一周，完成降水井施工并開始降水，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)指定位置后便可直接開倉。具體工藝流程為：確定開倉位置→施工準(zhǔn)備，測量放樣→樁基施工→降水井施工→降水→盾構(gòu)到達(dá)、清土倉、開倉→恢復(fù)掘進(jìn)。

4.空心樁施工步驟及關(guān)鍵點

由于樁基施工工藝較為成熟，下述內(nèi)容只針對在富水砂卵石地層中施工空心樁需要重點注意的事項。

（1）平整施工場地

將雜物清出場外并平整壓實，如若存在軟弱地質(zhì)則需要進(jìn)行換填。

（2）鋼護(hù)筒埋設(shè)

鋼護(hù)筒由8毫米鋼板制作而成，長約2-3m（根據(jù)實際情況調(diào)整），頂面高出地面0.5m左右，其半徑大于樁半徑10cm左右。為了防止護(hù)筒壁滲水或流失泥漿，在鋼護(hù)筒周圍1m用粘土夯填。

（3）泥漿制備

（4）測量定位、鉆機(jī)就位

（5）鉆進(jìn)

（6）鋼筋籠制作與安裝

鋼筋籠由兩部分組成，一部分是常規(guī)鋼筋籠、另一部分是玻璃纖維鋼筋籠（盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)域），玻璃纖維筋段在下，普通鋼筋段在上，利用U型卡連接。

①鋼筋籠制作

玻璃纖維筋柔性大剛度差，給制作和安裝帶來諸多不便：由于柔性大加強(qiáng)箍筋不能達(dá)到預(yù)期的效果，玻璃纖維筋籠成品質(zhì)量差，橢圓度大，吊裝時難以成型。措施：在制作的過程中，加強(qiáng)箍筋采用普通鋼筋與纖維筋配合使用，在后期當(dāng)鋼筋籠被豎向吊起時，割掉加強(qiáng)鋼箍筋。鋼筋籠最好在開倉點現(xiàn)場制作，免去了運輸難度大的問題。

②鋼筋籠的吊裝

為確保骨架起吊時不變形，玻璃纖維筋籠起吊前應(yīng)在加強(qiáng)骨架處焊接三角支撐，加強(qiáng)骨架的剛度。使用兩點吊裝方式，第一吊點設(shè)置于骨架的頭部，第二點設(shè)在骨架中點到三分點之間（該吊點應(yīng)位于普通鋼筋加強(qiáng)箍筋處，前后還應(yīng)各有一個普通鋼筋加強(qiáng)箍筋、并采用鋼管將3個普通鋼筋加強(qiáng)箍筋連起來，目的是增加玻璃纖維筋籠的整體剛度利于起吊）。

（7）灌注混凝土

（8）取芯（成空心樁）

取芯是在混凝土灌注之后尚未終凝之前進(jìn)行的一道工序。取芯的關(guān)鍵在于取芯的時間：取芯過早，混凝土強(qiáng)度低，容易將鋼筋一起絞上來，破壞樁的完整性，達(dá)不到預(yù)期的效果；取芯過晚，混凝土強(qiáng)度高，增加機(jī)械設(shè)備的損耗，降低施工速度。根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況來看，最佳取芯時間為混凝土剛好達(dá)到終凝狀態(tài)時。

另外一點需要注意的是，空心樁要同軸，方便控制刀盤進(jìn)入空心樁的范圍，盡可能增大人的活動空間。

5.井點降水重點注意事項

（1）降水井施工及降水必須在樁基施工完成后。

（2）洗井：建議空壓機(jī)洗井。

（3）降水井計算：根據(jù)《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》：①基坑降水總涌水量Q=πK（2H0-S0）S0/ln（1+R/r0），②單井出水能力q0=120πrslk1/3。

四、空心樁常壓實際運用

1.空心樁常壓開倉效果

成都軌道交通17號線9標(biāo)項目，第一次使用空心樁進(jìn)行常壓開倉，便達(dá)到預(yù)期效果，掌子面極其穩(wěn)定，且人員操作空間較大，安全順利地完成換刀任務(wù)。在后面的幾次換刀過程中，依舊采取此方案，無一失敗，如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入空心樁實際效果圖

2.經(jīng)濟(jì)比選情況

對比一：袖閥管注漿加固土體。

以成都軌道交通17號線一期9標(biāo)項目為例，按照常規(guī)做法，單個換刀點需要施工1200m袖閥管，費用約30萬元，若采取空心樁常壓開倉方式，樁基施工費用約40萬元（2m空心樁1.4m取芯小計69m，1.2m素樁小計23m，1.4m素樁小計46m，降水井小計105m），但樁基加固比袖閥管加固節(jié)約工期約5天，每天按5萬元管理的成本計算，采用空心樁開倉單次可節(jié)約30+5×5-40=15萬元。

對比二：帶壓開倉。

以珠海興業(yè)快線南段2標(biāo)為例，目前在礫質(zhì)粘性土進(jìn)行了一次帶壓開倉換刀，成本約538萬元【泥膜制作20萬元；進(jìn)倉服務(wù)費（76倉），費用53.2萬元；換刀周期約26天，管理費及勞務(wù)費290萬元；設(shè)備租賃費139萬（龍門吊10萬/月，泥水處理系統(tǒng)租金120萬/月，地下水平運輸20萬/月，地上運輸設(shè)備10萬/月）；水電費27.3萬（31.5萬/月）；生活辦公費8.7萬（10萬/月）】。若換成空心樁常壓開倉，成本約為309.5萬元【樁基施工費用40萬元；渣土處置費9.2萬元；路面硬化及破除外運費用5萬元；交通圍蔽費用3萬元；換刀服務(wù)費7萬元；換刀周期約10天，管理費及勞務(wù)費179萬元；設(shè)備租賃費53萬元；水電費10萬元；辦公費3.3萬元】。

節(jié)省費用538-309.5=228.5萬元，工期節(jié)省16天。

五、結(jié)語

利用空心樁進(jìn)行常壓開倉，已經(jīng)在中國交建承建的成都地鐵17號線全線標(biāo)段推廣應(yīng)用，并得到了各參建方的高度認(rèn)可，亦有多個兄弟施工企業(yè)前來交流學(xué)習(xí)。

越來越多的城市使用盾構(gòu)法掘進(jìn)隧道，我們所面對的是國內(nèi)豐富多變的地層，刀盤、刀具適應(yīng)性得不到保障，若在盾構(gòu)掘進(jìn)后發(fā)現(xiàn)刀盤、刀具適應(yīng)性較差而需要改造，刀具還好說，最多進(jìn)行帶壓開倉換刀，刀盤就非常麻煩，只能挖豎井改造刀盤，那會是一項非常麻煩的工作，而空心樁的應(yīng)用，讓地下安全改造刀盤的想法成為現(xiàn)實。

利用空心樁常壓開倉，不僅適用于富水砂卵石地層，經(jīng)過周密籌劃后，也可以延伸到各種軟弱地層使用，更可在地表空曠區(qū)域代替風(fēng)險極大的帶壓開倉作業(yè)。并且該方法實施流程相對簡單，效果明顯，一定會有廣闊的推廣前景。