全斷面穿越橋樁盾構(gòu)機改造技術(shù)研究

周璇

摘要：文章以盾構(gòu)全斷面掘削橋梁橋樁項目為背景，對盾構(gòu)機的改進改造技術(shù)進行了分析和研究。目前，國內(nèi)雖已有多個盾構(gòu)切削穿越樁基的施工案例，但國際上還沒有一套盾構(gòu)機切削鋼筋混凝土樁基的成套方案，相關(guān)的系統(tǒng)研究也幾乎沒有。本文綜合采用工程案例調(diào)研等技術(shù)手段對盾構(gòu)機穿越地下障礙物的改造進行了全面深入的研究，總結(jié)了施工經(jīng)驗，并提出合理的盾構(gòu)機改造方案。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機，全斷面，穿越橋樁，改造技術(shù)

中圖分類號：U455文獻標(biāo)識碼：A

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，以及大中城市人口的不斷增長造成的交通堵塞日益嚴(yán)重，這為城市軌道交通的發(fā)展提供了一個良好的發(fā)展機遇。城市軌道交通憑借發(fā)車間隔短、方便快捷、運距長、運量大和故障少等優(yōu)勢逐漸贏得人們的青睞，輸送了大量城市的居民，緩解了大城市的交通擁堵問題。而在地鐵工程的建設(shè)過程中，不免出現(xiàn)許多盾構(gòu)機下穿地下障礙物的工程案例。本文以盾構(gòu)機直接切削鋼筋混凝土橋樁的工程案例為基礎(chǔ)，開展了全斷面穿越橋樁的盾構(gòu)機改造技術(shù)研究，可為今后其他類似盾構(gòu)切除障礙物工程，提供較好的技術(shù)支撐和參考借鑒。

2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)前期調(diào)研，目前國際上還沒有一套盾構(gòu)切削鋼筋混凝土樁基的成套技術(shù)，關(guān)于盾構(gòu)切削鋼筋混凝土樁基的系統(tǒng)研究也幾乎沒有。國內(nèi)雖已有多個盾構(gòu)切削穿越樁基的施工案例，但不管是主動切樁還是被動切樁，相應(yīng)的盾構(gòu)切樁施工技術(shù)措施和風(fēng)險控制方法還并不成熟。

盾構(gòu)切樁可分為主動切削和被動切削。所謂主動切削是指在已知有樁基的前提下，采取相應(yīng)的措施，切削穿越樁基。被動切削是指在不知有樁的條件下，切削穿越了樁基。通過向相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业脑儐柫私猓镜慕Y(jié)論是盾構(gòu)直接切削穿越樁基是可行的，當(dāng)然也存在一些不確定因素，有一定的風(fēng)險，主要以鋼筋不完全切削，可能纏繞刀盤以及損傷刀具，以及切削的鋼筋無法從螺旋輸送機排出為主。

3盾構(gòu)穿越地下障礙物刀具選擇

根據(jù)盾構(gòu)機穿越橋樁的風(fēng)險分析，設(shè)計采用貝殼先行刀作為主切樁刀具，改造后的盾構(gòu)機刀盤上共追加焊接55把大貝殼刀，大貝殼刀高160mm長214mm寬64mm，鑲嵌有五塊高強硬質(zhì)合金。

另外，在中心刀上面焊接增加10把小貝殼刀。小貝殼刀上鑲嵌有四塊高強硬質(zhì)合金，中心刀及固定在上面的小貝殼刀（以下簡稱為“中心小貝殼刀”）總高350mm。

圖1改造完成后的刀盤刀具實物照片

改造完成后的刀盤和刀具有以下特點：

1）刀盤面板上追加焊接貝殼先行刀和切削型先行刀，以及中心刀盤增加了切削貝殼刀，極大地增強了刀盤整體的切削能力，能夠把鋼筋混凝土均勻分段分塊切斷磨碎；

2）刀盤結(jié)構(gòu)便于刀具的布置及受力，結(jié)構(gòu)堅固、強度高、剛性大、耐磨程度高，可以承受在粉砂層中切削鋼筋混凝土樁基時所產(chǎn)生的強大推力和扭矩；

3）刀盤開口率為40%，開口幅度550mm，可以有效地使切斷鋼筋、樁體混凝土碎渣、開挖面渣土所組成的混合渣土順暢進入土倉的通道。同時土倉空間較大，中心障礙物少，表面平滑，可有效增加添加劑與渣土的混合效率，改善渣土的和易性；

4）盾構(gòu)機采用8臺55kW變頻電動機驅(qū)動，具有較大的扭矩和多檔轉(zhuǎn)速，可適應(yīng)切樁時的低速切磨掘進的需要；

5）裝配了兩把改進后仿形刀，最大超挖量為80mm，主要用于破碎對盾構(gòu)機外包管有影響的殘樁混凝土，能夠?qū)Χ芪脖Ｗo起到非常重要作用。

4 螺旋輸送機改造

在富水軟弱地層，一般使用有軸式螺旋輸送機。但根據(jù)前期調(diào)研的結(jié)果，這種螺旋輸送機排出盾構(gòu)切樁產(chǎn)生的鋼筋條和碎樁塊的能力較差，鋼筋條和碎樁塊很有可能卡住螺旋輸送機，使盾構(gòu)機無法正常掘進施工，因此，采用能使盾構(gòu)切樁產(chǎn)生的鋼筋條和碎樁塊能較為順暢地排出的無軸式螺旋輸送機，即帶式螺旋輸送機。

為了增加排出不規(guī)則形狀鋼筋以及混凝土塊的能力，在可能的范圍內(nèi)加大螺旋輸送機的直徑；在螺旋輸送機外殼、螺旋機前端靠近胸板處追加注泥漿孔及注漿管路；加大螺旋輸送機的功率。同時，為了及時觀察和處理不規(guī)則的鋼筋以及可能發(fā)生的排土不暢等情況，應(yīng)在螺旋輸送機上多設(shè)幾處施工、觀測孔（50cm×50cm），可做臨時緊急處理卡住的鋼筋。對土艙內(nèi)的螺旋輸送機頭部應(yīng)進行加強處理，以應(yīng)對可能遇到的斷樁及鋼筋。

螺旋輸送機的最終改造方案如下：

（1）螺旋輸送機傳輸軸更換為帶式(無軸式)輸送軸。

（2）增加1臺液壓馬達，從3臺變成4臺，扭矩可提高33%。

（3）在螺旋機外殼再追加4個檢查孔。

（4）在螺旋輸送機外殼、螺旋機前端靠近胸板處追加改良及加固土體用的注漿管路（帶球閥），共10個注入口。

（5）筒體內(nèi)壁下方增強耐磨性。

（6）由于對現(xiàn)有螺旋輸送機改動量較大，應(yīng)重新做一個具有伸縮功能的帶式螺旋輸送機，可與原有更替使用。

5 外包管的保護改造

本次穿越橋梁橋樁所用盾構(gòu)機的壁后注漿管和油脂注入管原是外置式的，即在盾構(gòu)機殼的外部有局部突起。該突起部分在盾構(gòu)切樁時可能碰到樁體而損壞，因此，有必要對其進行適當(dāng)?shù)谋Ｗo和改造。外包管的最終改造方案如下：

（1）首先降低外部注漿配管的突起高度，由原來12cm降到8cm。

（2）在外殼板上追加配置減輕阻力用的先行刀。破除洞門掘進時，為防止洞口密封破損，此先行刀先用布和木材覆蓋。

（3）去掉上、下部位遇到樁次數(shù)較多處的油脂外包管，原處用鋼板焊住。往該位置注脂的配管與盾構(gòu)機內(nèi)右上用和左下用的注脂配管分別合流。

6 增加人艙系統(tǒng)

由于刀具可能受到損傷脫落等原因，有可能需要進艙換刀。盾構(gòu)機在富水軟弱地層掘進時，無壓下開艙有很大的風(fēng)險，需要人員帶壓進艙換刀，這就需要增加人行艙。同時，盾構(gòu)土艙內(nèi)也要預(yù)先安裝工作人員在加壓條件下進入土艙進行刀盤刀具檢查更換作業(yè)的必要的安全設(shè)施。另外，在盾構(gòu)土艙合理部位設(shè)置觀察孔，以便在穿越橋樁時能充分掌握土艙中的情況，為氣壓法檢查刀具刀盤情況進行必要的準(zhǔn)備。具體改造如下：

（1）增加人艙系統(tǒng)（直徑約1500mm，長度約3500mm），做氣密性等相關(guān)檢驗，確保其性能完好，保證能夠帶壓進艙換刀。

（2）為實際便于進入人艙進行有效的壓氣作業(yè)，追加以下附件：

①2個送氣空氣流量計；②8個消聲器；③3個對講機；④2個耐壓防爆型日光燈；⑤1個壓氣室內(nèi)用加熱器；⑥1個送氣空氣冷卻器。

7 其他

由于切磨樁的需要，對盾構(gòu)機的刀盤扭矩提出更高的要求，應(yīng)充分考慮切磨樁所需扭矩的增加量，加大盾構(gòu)機的功率，并有一定的安全儲備。當(dāng)然，由于切磨樁時的對刀盤的軟弱不均以及偏心矩的存在，應(yīng)加強刀盤的剛度和抗變形能力。為了配合低速掘進（切磨樁）的需要，應(yīng)為盾構(gòu)推進系統(tǒng)增加微動功能。因此，改造時做了以下措施：

（1）增加一臺低壓推進泵，保證盾構(gòu)機過樁時能夠穩(wěn)定低速推進；

（2）檢查超前注漿孔，確保其安全暢通。過樁前準(zhǔn)備好超前鉆機；

（3）備兩個土壓傳感器，過樁損壞時可更換。

8結(jié)論

文章中統(tǒng)計了國內(nèi)現(xiàn)有盾構(gòu)機穿越樁基的案例，總結(jié)了施工經(jīng)驗，并分析盾構(gòu)切削地下障礙物可能遭遇的風(fēng)險。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮研究目的和試驗場地條件等因素，有針對性地提出合理的盾構(gòu)機改造加強方案、刀盤刀具及其他設(shè)備的改造方案。

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