泥水盾構(gòu)機(jī)切削大直徑橋樁控制參數(shù)分析

牛 瑞，王 寧，史策輝

（1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 廊坊 065201；2.華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

目前國內(nèi)已報(bào)道的盾構(gòu)切樁項(xiàng)目大多為土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)切樁，只有少部分臨江項(xiàng)目采用了泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。相對于土壓平衡盾構(gòu)，切樁時(shí)泥水加壓平衡盾構(gòu)需要控制的參數(shù)更多，切削過程中的參數(shù)調(diào)整更加復(fù)雜精細(xì)，當(dāng)前的研究成果相對較少。王江華[1]介紹了土壓盾構(gòu)機(jī)穿越樁基時(shí)的一些改造技術(shù)，指出增加貝殼刀有助于切割鋼筋。王飛、傅德明等學(xué)者[2]則分別對土壓盾構(gòu)切樁的過程進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M。王飛的試驗(yàn)表明貝殼刀可適用于直接切削樁基，切樁時(shí)推速的波動(dòng)幅度較大，易造成刀具合金崩裂，并建議推速設(shè)定值≤2mm/min。傅德明[3]采用直徑0.4m模型試驗(yàn)機(jī)模擬了土壓盾構(gòu)切樁的過程，指出刀盤改造宜增加一定數(shù)量先行刀和貝殼刀，推進(jìn)速度宜＜10mm/min，并應(yīng)向土倉內(nèi)添加潤滑減摩材料，以防混凝土碎塊堵塞螺旋輸送機(jī)。楊自華等[4]對廣州地鐵3號線瀝浩站至大石站區(qū)間盾構(gòu)切樁施工過程進(jìn)行了簡單描述，缺少對盾構(gòu)參數(shù)控制的分析。潘茁等[5]利用有限元分析了天津地鐵泥水盾構(gòu)機(jī)下穿某橋梁的工程，在該案例中盾構(gòu)機(jī)并未切到樁基而是近距離通過。

綜上，對于泥水盾構(gòu)切削橋梁樁基的相關(guān)研究較少，且工程案例也較為缺乏。因此，提出一套泥水盾構(gòu)切樁時(shí)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整措施及施工方法，對地下空間開發(fā)與利用具有十分重要的意義。文章以南昌地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道切削臨江橋梁樁基礎(chǔ)為背景，通過分析直接盾構(gòu)切樁過程中的泥水壓力、刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，得出泥水盾構(gòu)切樁的相關(guān)規(guī)律，并對臨江區(qū)泥水盾構(gòu)切樁的可行性進(jìn)行探討。

1 工程概況

1.1 樁基概況

南昌地鐵2號線某區(qū)間施工時(shí)，需要直接盾構(gòu)切除一大直徑橋梁樁，隧道與橋梁樁之間的關(guān)系如圖1所示。需切除的橋直徑1.5m，主筋三級鋼（直徑28mm），入侵隧道斷面4.43m。隧道直徑6.6m，其中襯砌厚度為0.3m，隧道斷面主要處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

1.2 地質(zhì)情況

該區(qū)域土層自上而下主要為素填土、粉黏土、礫砂、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地下水位線位于地面以下約5m處，地下水受臨近的贛江水影響。土體參數(shù)如表1所示。

圖1 舊樁、隧道和托換樁位置關(guān)系圖（單位：m）

表1 土層參數(shù)

2 盾構(gòu)切樁工藝改進(jìn)方案

盾構(gòu)機(jī)為國產(chǎn)氣墊式泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī)。為提高切樁效率，防止鋼筋卡頓差繞刀盤，在原盾構(gòu)機(jī)的刀具配備基礎(chǔ)上加焊6把撕裂刀，增強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)的切樁能力。同時(shí)將盾構(gòu)機(jī)的刀盤開口率提高至40%，使泥水漿液能夠把渣土碎石以及鋼筋碎片帶入開挖倉。刀具配置數(shù)量如表2所示。

表2 泥水盾構(gòu)機(jī)刀盤配置

3 切樁時(shí)盾構(gòu)機(jī)的工作參數(shù)

3.1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)

施工中，開始切樁時(shí)的初始掘進(jìn)參數(shù)為刀盤轉(zhuǎn)速0.3～0.5rpm，速度1～5mm/min，刀盤扭矩2005～2020kN·m，推力12590～12680kN。刀盤切入樁體50cm時(shí)，刀盤扭矩和推力出現(xiàn)較大波動(dòng)，停機(jī)沖刷刀盤5min，發(fā)現(xiàn)有部分鋼筋碎段?；謴?fù)掘進(jìn)后，轉(zhuǎn)速提升至0.6rpm，持續(xù)42min，推力由10990kN上升至11280kN，切樁70cm。此后，刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整為0.5rpm，直到完成掘進(jìn)，盾構(gòu)扭矩上升至1900kN·m，推力逐漸上升至12000kN。切樁全過程監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 切樁過程中盾構(gòu)參數(shù)變化圖

從圖2（a）中可以看出刀盤最大轉(zhuǎn)速達(dá)到0.65rpm，最小0.40rpm，整個(gè)過程中平均轉(zhuǎn)速在0.55rpm左右。圖2（b）顯示刀盤扭矩在整個(gè)切削橋梁樁體過程中逐漸增大，在17時(shí)14分的扭矩急劇降低是由調(diào)整回轉(zhuǎn)角將刀盤反轉(zhuǎn)造成的，扭矩的最小值為1044kN·m，最大值為2094kN·m，平均值為1400kN·m。盾構(gòu)的總推力在整個(gè)切樁過程中也是逐漸增大，最小值為10050kN，最大值為12120kN，平均值為11160kN。

3.2 泥水參數(shù)控制

盾構(gòu)在切樁過程，需考慮盾構(gòu)推力對舊樁擾動(dòng)形成串漿通道，推進(jìn)速度較慢時(shí)，刀盤倉內(nèi)泥漿比重?zé)o法達(dá)到正常掘進(jìn)排漿比重。因此，盾構(gòu)切樁過程泥水比重初步控制在1.1～1.15g/cm3，黏度控制在25～30s。掘進(jìn)的前50cm為試掘，結(jié)果發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常，經(jīng)分析表明是泥漿比重、粘度過高所致。后將泥漿比重調(diào)整為1.08g/cm3，黏度為17.26～19.35s，流量為800～850m3/h。按照該組參數(shù)盾構(gòu)切樁時(shí)，盾構(gòu)循環(huán)系統(tǒng)排渣較為順暢，刀盤倉壓力穩(wěn)定，地面無冒漿情況。

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，泥水的析水量須＜5%，API失水量應(yīng)＜30CC/30min，不夠則添加降失水劑。

4 結(jié)束語

該工程中對盾構(gòu)刀盤刀具及進(jìn)行了一些改進(jìn)措施，并及時(shí)調(diào)整了相關(guān)的掘進(jìn)參數(shù)，保證了工程的順利施工。期間采取的多項(xiàng)試驗(yàn)性數(shù)據(jù)總結(jié)如下。

（1）磨樁過程中建議調(diào)低刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度。刀盤轉(zhuǎn)速可保持0.5～0.6rpm，推進(jìn)速度維持在4～8mm/min。與正常地層對比刀盤扭矩要降低，推力可微調(diào)。

（2）為防止鋼筋影響刀盤正常轉(zhuǎn)動(dòng)，建議在盾構(gòu)超過混凝土保護(hù)層后，停機(jī)進(jìn)倉檢查或清理一次。

（3）與正常地層掘進(jìn)對比，切樁時(shí)建議泥漿比重上調(diào)，黏度下調(diào)，但比重不可過大。