盾構穿越廢舊碼頭不明樁基的處置措施與技術

楊成龍

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

隨著各大城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，在盾構施工過程中遇到的不明障礙物也越來越多樣。盾構穿越不明障礙物，將加大刀盤磨損的風險，造成螺旋出土機故障，無法順利出土，導致停機，對土體的穩(wěn)定性也會造成一定影響。如何快速有效地解決盾構切削不明樁基后導致螺旋機卡頓、出土困難的問題，是當前軌交工程以及其他地下工程發(fā)展過程中必然要面對的難點之一。

針對盾構穿越不明樁基，國內外也有一些常規(guī)的做法。主要有以下方法：

1）微動直接切削樁體。通過降低盾構機的推進速度，降低刀盤的轉速，以達到微動切削的效果，以免造成盾構中心軸承損壞，盾構機自身旋轉，導致盾構長時間停機、維修等不可控后果。

2）盾構選型采用復合盾構機，適應多種工況。如對盾構設備進行改裝，增加盾構機低速掘進功能，適當配備滾刀、先行刀等刀具，以防要切削不明障礙物樁體等。

3）氣壓出倉，直接鑿除盾構前方的障礙物。通過對盾構前方土體施加壓力，確保開挖面穩(wěn)定，由專業(yè)的人員出倉去清理障礙物。

4）爆破法處置。這種工藝適用于巖層、孤石等沒有大量鋼筋的情況。

本文以上海市軌道交通15號線工程土建14標段天山路站—長風公園站區(qū)間隧道穿越蘇州河中不明樁基為例，采取了一系列處置措施，探討研究盾構在穿越不明障礙物時的處置方法和工藝。

1 實例分析

1.1 工程概況

本區(qū)間總長1 222.761 m，隧道呈V字坡，最大坡度12.572‰，最小平面曲線半徑449.840 m，隧道頂部埋深11.3～22.0 m。區(qū)間設2座聯(lián)絡通道，其中于隧道最低點設1座聯(lián)絡通道兼泵站。本區(qū)間采用2臺盾構機進行施工。分別自長風公園站始發(fā)，沿上、下行線推進至天山路站接收（圖1）。

圖1 盾構區(qū)間隧道平面

天山路站—長風公園站區(qū)間有吳淞江分布，區(qū)間隧道穿越處呈近南北走向，穿越處吳淞江明浜寬約45 m，吳淞江水面寬為45.0 m左右，據(jù)詳勘，浜底最大深度為5.30 m，最深處浜底絕對標高為－2.48 m，淤泥厚度0.4～2.1 m。據(jù)設計縱斷面圖，區(qū)間隧道穿越吳淞江處隧道頂標高約為－15.60 m，覆土厚度約為13.0 m。吳淞江新建防汛墻，防汛墻基礎為250 mm×500 mm板樁及300 mm×400 mm方樁，樁長12 m，樁底絕對標高－8.50 m。上行線隧道在里程XK26＋453.034～XK26＋502.234、下行線隧道于里程SK26＋398.401～SK26＋450.001分別穿越防汛墻，隧道下穿，上、下行線隧道最小凈距6.8 m。區(qū)間隧道距防汛墻樁基底部垂直凈距7.7～8.4 m。

需要說明的是，盾構穿越防汛墻樁基是已知的，且防汛墻的樁基未侵入隧道斷面內；而盾構穿越防汛墻后進入河道內4～5 m碰到不明樁基是本文重點要研究的對象。

1.2 工程地質情況

天山路站—長風公園站區(qū)間隧道在蘇州河防汛墻區(qū)段主要穿越的土層為：②3-2層灰色砂質粉土、⑤1-1層灰色黏土、⑤1-2層灰色粉質黏土。

2 盾構遇不明障礙物情況簡述

2019年5月27日8：00，盾構機在511環(huán)推進279 mm，此時盾構機切口剛進入蘇州河北側防汛墻3環(huán)（在508環(huán)開始穿越防汛墻，此時切口位于蘇州河下方），刀盤扭矩由2 200 kN·m（44%）增至3 300 kN·m（68%），并一直保持至512環(huán)320 mm降至2 200 kN·m（44%），螺旋機壓力保持13 MPa變化不大。5月27日10：30，盾構機在512環(huán)推進978 mm，螺旋機壓力由13 MPa突變至20 MPa并保持不變，螺旋機已卡死，開始清理螺旋機內障礙物。

5月27日11：25，螺旋機清障完成后繼續(xù)推進，螺旋機壓力降至14 MPa，刀盤扭矩為2 100 kN·m（41%）。清障一共清出φ25 mm螺紋鋼4根，長度40～50 cm；直徑約20 cm混凝土塊6塊。5月27日12：45，盾構機在513環(huán)推進974 mm，螺旋機壓力由13 MPa突變至18 MPa并保持不變，螺旋機再次卡死，并導致螺旋機故障。

5月28日9：00，螺旋機清理完成后恢復推進，螺旋機壓力降至9.6 MPa，刀盤扭矩為1 820 kN·m（36%）。清障一共清出φ25 mm螺紋鋼3根，長度40～60 cm；直徑約20 cm混凝土塊2塊。5月30日19：00，盾構機在524環(huán)推進至273 mm，螺旋機壓力由10 MPa突變至23 MPa，螺旋機已無轉速，刀盤扭矩2 370 kN·m（45%）。

5月31日17：35，螺旋機清理完成后恢復推進，螺旋機壓力降至9.2 MPa，刀盤扭矩為2 000 kN·m（39%）。清障一共清出φ25 mm螺紋鋼3根，長度30～50 cm（圖2）。6月1日0：45，盾構機在529環(huán)推進至1 160 mm，螺旋機壓力由9.2 MPa突變至25.8 MPa并保持不變，刀盤扭矩無明顯變化。

圖2 清理出的混凝土塊和鋼筋

截至6月4日早上7點，盾構已停機42 h，螺旋機情況仍無改善，螺旋機啟動時最高轉速僅為0.7 r/min，螺旋機回轉壓力驟然提升至27 MPa。

3 主要處理措施及處理過程簡述

針對上述情況，判斷盾構機停機時間會較長，由于盾構機切口位于蘇州河下，盾尾位于防汛墻下面，所以必須確保盾構機、盾構隧道自身姿態(tài)及防汛墻安全。

首先，初步判斷障礙物位于螺旋機前端，通過之前幾次數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，從螺旋機壓力變大至障礙物排出有一定的時間差；其次，螺旋機前端鋼板為加強鋼板，板厚較厚，螺旋機葉片與炮筒間隙小于其他位置。初步判斷位置后，進行解決方案的討論，根據(jù)實際情況采取以下措施。

3.1 及時調整土壓、定時測量盾構姿態(tài)

由于盾構機停機時間過久，土倉內土壓會逐漸下降，為防止土壓偏低導致盾構機切口下沉的問題，盾構機操作人員對開挖倉土壓進行實時監(jiān)控，如有下降情況發(fā)生，及時通過盾構機悶推（不出土，通過千斤頂微量伸長提升土壓）對土壓進行調整。

同時測量人員每日對盾構姿態(tài)進行復測，確保對盾構姿態(tài)的掌握，防止停機過久盾構出現(xiàn)較大偏離情況。

3.2 超聲波測厚儀探測

利用超聲波測厚儀測定螺旋機內壁與異物之間的間距，計算出障礙物的尺寸。經過測定后判斷，障礙物與螺旋機內部密貼，長度為30 cm。

3.3 金屬探測儀

金屬探測器是一種應用廣泛的探測器。探測區(qū)工作面經特殊設計，探測面積大、掃描速度快、靈敏度極高。外殼采用ABS工程塑料一次鑄成，具有抗擊能力強、工藝精細、質量輕、便于攜帶等特點。

金屬探測器使用前，需要調整探測桿的長度，只要將黑膠通旋松，推拉膠通套管至適宜的長度，再旋轉膠內通管，使電纜線繞緊，并使手柄尖端朝上，最后將黑膠通旋緊，鎖住膠通套管。這樣，手握探測器手柄時，大拇指正好緊挨靈敏度調節(jié)電位器。調整金屬探測器靈敏度時，探測碟（振蕩線圈）要遠離金屬，包括帶鋁箔的紙張，然后旋轉靈敏度細調電位器旋鈕打開電源開關，并旋轉到一半的位置，再調節(jié)粗調電位器旋鈕，使揚聲器音頻叫聲停止，最后再微調細調電位器，使揚聲器叫聲剛好停止，這時金屬探測器的靈敏度最高。用金屬探測器探測金屬時，只要探測碟靠近任何金屬，揚聲器便會發(fā)出聲音，遠離到一定位置叫聲自動停止。

項目部通過金屬探測儀進行多次探測，在螺旋機內部探測到金屬物質，后證實是各種直徑規(guī)格的鋼筋。

3.4 螺旋機維修

1）通過超聲波探傷確定螺旋機內部損壞位置，對相應部件進行維修與更換。同時檢修工人對相應配套設施進行檢修，維修更換已損壞的零件設備。

2）由于清障會增加螺旋機系統(tǒng)油壓，故需要對螺旋機油壓系統(tǒng)進行加強處理。更換高規(guī)格油管、閥門、壓力表、閥塊密封圈、優(yōu)質液壓油等。

3）維修的設備、零件配備備件，后期遇到螺旋機故障，可以第一時間進行維修、更換，節(jié)約修理時間。

3.5 障礙物清理措施

1）螺旋機正反轉交替啟動，逐漸增加螺旋機正反轉壓力，通過螺旋機不斷地正反旋轉，將被卡的異物排出。同時在螺旋機正反轉過程中，通過螺旋機前端的加水閥添加膨潤土液進行潤滑（圖3）。

圖3 螺旋機示意

2）正反轉交替啟動螺旋機，在螺旋機筒壁開檢修孔，確定障礙物位置，并對障礙物進行處理。開孔之前在開孔位置焊接球閥，防止開孔后泥砂噴涌。該方法在前4次故障中均成功排出異物，第5次故障發(fā)生至6月4日，該方法無明顯效果。在螺旋機正反轉過程中，通過螺旋機前端的加水閥進行加膨潤土液潤滑，效果不佳。

3）障礙物無法排出，則須啟動螺旋機開倉措施。打開螺旋機之前，先向刀盤下部土倉添加克泥效[1]低強密封漿，對螺旋機前端土體進行加固密封處理；在開倉位置提前安裝1道可快速關閉的閘門，如發(fā)生泥水噴涌現(xiàn)象可立即關閉閘門，阻止泥漿噴涌。再對螺旋機進行開倉處理后，直接將障礙物掏出，之后恢復螺旋機各項功能后開始推進。

3.6 監(jiān)測措施

由于盾構機位于防汛墻下方，恐切削障礙物對防汛墻下方土體造成較大擾動，故需要加強對防汛墻及周邊地表的沉降變形監(jiān)測頻率。

監(jiān)測頻率為每天2次，監(jiān)測報警值如下：

1）河道駁岸垂直位移：累計±10 mm，1 mm/d。

2）地表垂直位移：累計隆起10 mm或沉降20 mm，2 mm/d。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調整盾構切口土壓力、補充同步注漿量，最終在盾構停機的這段時間里（共計11 d），防汛墻累計變化最大值為－9.87 mm，地表沉降累計變化最大值為－1.61 mm，均符合設計及規(guī)范要求。

3.7 二次注漿加固

盾構通過后，對該區(qū)段隧道進行保護性注漿加固（圖4）。本區(qū)間隧道在下行線盾構穿越防汛墻（不明障礙物）控制區(qū)共設置400環(huán)特殊管片，管片上增設10個注漿孔[2]，每環(huán)管片共計15個注漿孔，除封頂塊外每塊管片設3孔。加固后的土體應有良好的均勻性和較小的滲透系數(shù)，注漿加固后土體強度要求不低于1.0 MPa。隧道推進結束后，根據(jù)實測監(jiān)測資料，對變形較大的部分，打開預留的注漿孔，進行再注漿，以達到控制變形的目的。

圖4 保護性注漿示意

3.8 盾尾油脂壓注

由于盾構停機時間較久，障礙物可能對盾尾刷造成損傷，管片分層注漿施工導致盾尾處密封壓力增大。為保護盾尾刷及盾尾密封性能，更換優(yōu)質的進口盾尾油脂，并增加盾尾油脂壓注量[3]，以確保盾尾的密封效果。

4 經驗總結

本次不明障礙物的處置方法及過程，有效地解決了本項目的難題，但在個別方面還是有所不足，總結了一些經驗教訓，特別是對于盾構機設備配置，可為有可能遇到不明障礙物風險的盾構施工項目提供參考。

盾構設備在設計制造時，應做好切削障礙物的配置：

1）刀盤磨損檢測裝置。刀盤上安裝液壓式的磨損檢測裝置。當液壓系統(tǒng)壓力下降時，會發(fā)出警報信號。磨損檢測裝置為可更換式，磨損后可以從刀盤背面進行更換。

2）增大刀盤扭矩。為了在切削樁基時，盾構機有足夠的推力，要求盾構刀盤驅動系統(tǒng)具備足夠的扭矩以應對切削樁基施工。

3）徑向注漿系統(tǒng)。盾構殼體切口環(huán)環(huán)向設置4個帶球閥的徑向注漿孔，盾構機本體內預先安置注漿管路。盾構長期停機過程中，必要時可以向外部土體進行注漿加固，以有效防止盾構機本體磕頭或下沉。

4）低速掘進功能。盾構推進系統(tǒng)具備低速掘進功能，能夠實現(xiàn)盾構機以≤2 mm/min的超低速度穩(wěn)定地進行掘進施工。

5）螺旋機配置。螺旋機應具備前、后2道閘門，可伸縮裝置，并增開多道檢修窗口，可有效防止被障礙物卡住（圖5）。

圖5 螺旋機配置示意

5 結語

城市不斷發(fā)展更新，地下會存在許多廢棄樁基以及其他建（構）筑物，有些障礙物由于時間久遠，資料可能會查不到。由于地下空間的不斷開發(fā)，盾構施工過程中穿越不明障礙物的情況無法避免。

本文以上海市軌道交通15號線14標段天山路站—長風公園站區(qū)間為例，通過采取超聲波探測、螺旋機維修、施工參數(shù)控制、施工工藝調整及二次注漿等一系列措施，進行盾構穿越不明障礙物的處置，及時快速地解決了由于盾構穿越不明障礙物導致盾構施工暫停的問題，減小了由于暫停推進對土體穩(wěn)定性造成的影響，確保了在建隧道的施工安全，可為今后類似工程的施工提供借鑒。