土壓平衡盾構(gòu)斜切大直徑主筋樁群施工技術(shù)

楊志勇，余 俊，劉 杰，孫 恒

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040；2.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，武漢 430040；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040）

1 研究背景

近年來，我國城市軌道交通進(jìn)入快速發(fā)展階段，中國內(nèi)地城軌交通運(yùn)營線路規(guī)模已突破10 000 km，運(yùn)營城市已達(dá)到55 個(gè)，城市軌道交通規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大[1]。地鐵作為一種快速、高效、環(huán)保的城市交通工具，受到了越來越多城市的青睞。盾構(gòu)法具有施工速度快、安全性高、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢[2]，在城市地鐵建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間建(構(gòu))筑物愈發(fā)密集，盾構(gòu)施工難以避免遇到建(構(gòu))筑物樁基，給盾構(gòu)隧道施工帶來不利影響。傳統(tǒng)的人工挖孔截樁、樁基拔除、沖樁等處理方法對環(huán)境影響大、施工成本高[3-6]，適用范圍較窄。隨著盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)能力不斷增強(qiáng)，盾構(gòu)直接切削樁基成為可能。

針對盾構(gòu)直接切削樁基，國內(nèi)已有相關(guān)理論研究和實(shí)踐案例。袁大軍等[7-10]從理論分析、現(xiàn)場切樁試驗(yàn)和工程驗(yàn)證等角度，詳細(xì)論述了盾構(gòu)切削樁基機(jī)理、刀具配置及相關(guān)施工措施；許華國等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同刀具直接切削樁基效果、鋼筋破壞形態(tài)、刀盤震動特性及刀具損傷形式等；吳志峰等[2]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析滾刀和切刀的切樁性能，獲取盾構(gòu)切樁的掘進(jìn)控制參數(shù)；孫波等[11]以深圳地鐵9號線大劇院—鹿丹村區(qū)間工程為例開展了盾構(gòu)切削樁基工程實(shí)踐研究。傅德明等[12]通過盾構(gòu)機(jī)改制驗(yàn)證了軟土盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土樁基的可行性；宋磊鵬[13]通過盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性改造、注漿加固等措施，保證盾構(gòu)安全穿越了38 根密排方樁。目前國內(nèi)研究主要通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方式對盾構(gòu)直接切削樁基的效果、刀具配置開展，盾構(gòu)切削樁基的主筋直徑大多在25 mm 以內(nèi)，對于實(shí)際工程中主動切削主筋直徑大于25 mm 的大直徑樁基案例較少，相關(guān)可行性研究還需完善。

廣州地鐵12 號線官洲站—大學(xué)城北站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)后需下穿既有官洲站圍護(hù)樁，樁基直徑1 200 mm，主筋直徑最大為28 mm，盾構(gòu)直接切樁通過。依托本項(xiàng)目工程背景，研究盾構(gòu)直接切削主筋直徑大、樁基直徑大樁群的施工關(guān)鍵技術(shù)。

2 工程概況

2.1 圍護(hù)樁概況

既有官洲車站為島式站臺車站，地下2 層結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁。圍護(hù)樁樁徑為1 200 mm，樁心間距1 350 mm，按主筋大小分為A、B 兩種樁型，采用水下C30 混凝土澆筑，侵入隧道范圍最長約2.81 m。具體參數(shù)如表1 所示。

區(qū)間左線盾構(gòu)下穿過程中需經(jīng)過既有車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)。左線始發(fā)掘進(jìn)約28.5 m，刀盤右部接觸車站小里程圍護(hù)樁，圍護(hù)樁排布方向與隧道軸線夾角約43°，沿隧道走向約7.5 m 范圍受圍護(hù)樁影響，需切削A 型樁3 根、B 型樁5 根。下穿區(qū)域位置關(guān)系如圖1 所示。本文針對盾構(gòu)直接切削圍護(hù)樁展開研究，歸納總結(jié)切樁效果及關(guān)鍵控制措施。

圖1 樁基與隧道位置關(guān)系示意Figure 1 Schematic of position relationship between pile foundation and tunnel

按照不同樁型的配筋，盾構(gòu)切削樁體理論鋼筋量長度統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 切削樁體理論鋼筋長度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on quantity of cutting-pile reinforcements m

2.2 工程地質(zhì)概況

盾構(gòu)下穿既有車站圍護(hù)樁區(qū)域地層主要為：<5Z-2>硬塑狀砂黏性土、<6Z>全風(fēng)化混合花崗巖。地層特性見表3，地質(zhì)斷面如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)斷面Figure 2 Geological section

表3 地層特性Table 3 Formation properties

2.3 盾構(gòu)機(jī)配置

1) 刀盤結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率為35%，6 輻條+6 面板式的復(fù)合結(jié)構(gòu)(見圖3)。

圖3 刀盤結(jié)構(gòu)示意Figure 3 Schematic of cutter-head structure

2) 刀盤耐磨設(shè)計(jì)。刀盤耐磨板采用復(fù)合板增強(qiáng)耐磨性。刀盤面板正面全部覆蓋12 mm 厚的復(fù)合板，刀盤外周采用50 mm 厚的耐磨合金塊全覆蓋。同時(shí)，刀盤圓弧段輻條間增加格柵，防止切樁時(shí)卡刀盤。

3) 刀具配置。配置楔齒滾刀43 把和焊接型重型撕裂刀25 把，采用低把口、大合金塊設(shè)計(jì)，滾刀刀體表面有耐磨硬化層；中心至12 把滾刀刀間距為90 mm，12 把滾刀至32 把滾刀刀間距為85 mm，最外周軌跡有2 把邊滾刀；滾刀高出面板180 mm，撕裂刀高出面板160 mm，刮刀高出面板135 mm(見圖4)。

圖4 滾刀示意Figure 4 Schematic of disc cutter

3 盾構(gòu)切樁施工

3.1 切樁前準(zhǔn)備措施

盾構(gòu)切削最大直徑28 mm 的鋼筋，存在鋼筋纏繞刀盤無法排出的施工風(fēng)險(xiǎn)，為了保證鋼筋纏繞能及時(shí)處理，盾構(gòu)始發(fā)前在土倉內(nèi)模擬了分體式液壓鋼筋剪、整體式液壓鋼筋剪、氣動砂輪機(jī)等設(shè)備剪切鋼筋的可行性，其效果如表4 所示。

表4 鋼筋剪切工具效果對比Table 4 Comparison of reinforcement cutting-tool effects

綜合考慮各鋼筋處理工具的可實(shí)施性、處理效率、作業(yè)安全性等因素，整體式液壓鋼筋剪具備帶壓作業(yè)條件，但其需要人工在狹小、濕滑的倉內(nèi)施加液壓動力，作業(yè)安全性低，剪切鋼筋效率最低；氣動砂輪機(jī)可通過倉內(nèi)管路接高壓氣源，具備帶壓作業(yè)條件，且工具尺寸小、重量輕，操作較為方便，剪切鋼筋效率最高，但其需要人工在狹小、濕滑的倉內(nèi)作業(yè)，且切割鋼筋時(shí)會產(chǎn)生大量火花，在帶壓環(huán)境下會造成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；分體式液壓鋼筋剪尺寸較大、重量較重，需采用人工施加液壓動力，剪切鋼筋效率一般，但液壓泵與鋼筋剪分開，作業(yè)人員將鋼筋剪夾住鋼筋后即可退回人倉對液壓泵施加動力，作業(yè)安全性較高，采用分體式液壓鋼筋剪處理倉內(nèi)纏繞鋼筋最合適。倉內(nèi)剪切鋼筋示意見圖5。

圖5 倉內(nèi)剪切鋼筋示意Figure 5 Schematic of cutting steel bars

3.2 盾構(gòu)切樁掘進(jìn)

3.2.1 掘進(jìn)壓力控制

盾構(gòu)法施工的隧道土壓力宜按靜止土壓力計(jì)算，下穿區(qū)域地層透水性弱，側(cè)向水、土壓力采用水土合算，在理論計(jì)算基礎(chǔ)上再考慮20 kPa 的壓力作為預(yù)備壓力。由于切削樁體區(qū)域刀盤部分位于既有車站結(jié)構(gòu)下方，部分位于原狀土體下方，為了保證地層穩(wěn)定性，計(jì)算過程中對盾構(gòu)上方土體按照原狀土柱計(jì)算豎向土壓力，有

式中，Pfu指盾構(gòu)掘進(jìn)控制壓力，kPa；K0為計(jì)算深度處土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)；ri為計(jì)算深度以上覆土每層土的容重，kN/m3；hi為計(jì)算深度以上覆土每層土厚度，m。

由圖6 可知，實(shí)際掘進(jìn)過程中土倉上部壓力控制在160～200 kPa 之間，受到推進(jìn)速度、出渣速率、渣土改良劑添加等影響，壓力波動幅度最大達(dá)到40 kPa。為了保持土倉壓力穩(wěn)定，對土倉管路進(jìn)行改造，在土倉隔板頂部安裝自動排氣閥，如圖7 所示。該裝置接入司機(jī)操作室，可設(shè)定倉壓上限值，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時(shí)可自動啟動排氣裝置降低倉壓，同時(shí)司機(jī)也可通過手動操作排氣裝置控制倉壓波動。

圖6 土倉壓力變化Figure 6 Pressure variation curve

圖7 自動排氣裝置Figure 7 Automatic exhaust device

圖8 渣土斗估測刻度Figure 8 Soil-bucket estimation scale

3.2.2 出土量控制

出渣量的估算一般是通過體積和質(zhì)量兩種方式，由于受盾構(gòu)開挖范圍地層不均一、原狀土容重不確定、盾構(gòu)渣土改良添加劑等因素影響，導(dǎo)致盾構(gòu)出渣量的理論值無法精準(zhǔn)評估，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中一般通過人工體積估測及時(shí)反饋出渣量，并結(jié)合地層沉降監(jiān)測及時(shí)調(diào)整。為了提高渣土體積估測精度，盾構(gòu)下穿前對渣土斗內(nèi)殘?jiān)M(jìn)行清理，并在渣土斗內(nèi)部焊接鋼筋刻度，焊接位置需方便人員或攝像頭觀察，根據(jù)每個(gè)隔艙內(nèi)鋼筋刻度的位置，可計(jì)算出每個(gè)刻度對應(yīng)的渣土體積，以此作為快速估算渣土體積的參考標(biāo)準(zhǔn)。盾構(gòu)下穿過程中，每掘進(jìn)15 cm 估測一次渣土體積，并與試掘進(jìn)總結(jié)的理論出渣量進(jìn)行對比，及時(shí)調(diào)整后續(xù)出渣量。當(dāng)環(huán)掘進(jìn)完成后，獲取附近監(jiān)測點(diǎn)沉降，分析出渣量控制效果，指導(dǎo)下一環(huán)出渣量控制。

盾構(gòu)下穿前試掘進(jìn)階段，盾構(gòu)在全、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層掘進(jìn)過程中每環(huán)出渣量控制在66～68 m3之間，盾構(gòu)在穿越切樁區(qū)域過程中由于掘進(jìn)速度慢，泡沫和水等渣土改良劑不易控制，且盾構(gòu)磨樁過程中產(chǎn)生混凝土碎塊，實(shí)測出渣量每環(huán)在71～73 m3之間。

3.2.3 盾構(gòu)穿樁控制

采用“低推速、高轉(zhuǎn)速、穩(wěn)扭矩”方式掘進(jìn)，可最大效率地將樁體磨碎，提高切割鋼筋的能力，盾構(gòu)切樁過程中主要掘進(jìn)參數(shù)見圖9～10。

圖9 盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩變化Figure 9 Total thrust and cutter-head torque variation

圖10 盾構(gòu)推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速變化Figure 10 Change in propulsion speed and cutter-head speed

由圖9～10 可知，盾構(gòu)穿越樁體時(shí)，切削第1～3根樁體時(shí)，盾構(gòu)總推力不大于20 000 kN，推進(jìn)速度不大于15 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速0.9～1.4 rpm，此時(shí)刀盤扭矩平均不大于2 000 kNm，不超過刀盤額定扭矩的30%；切削第4～5 根樁體時(shí)，刀盤扭矩明顯增大，最大超過4 000 kNm，超過刀盤額定扭矩的50%，此時(shí)降低推進(jìn)速度至10 mm/min 以內(nèi)，提高刀盤轉(zhuǎn)速至1.4～1.6 rpm，盾構(gòu)總推力不大于25 000 kN，不超過額定推力的50%，后續(xù)切削第6～8 根樁體時(shí)，刀盤扭矩較穩(wěn)定控制在4 000 kNm 以內(nèi)。由于樁體1～3 切削后的鋼筋在土倉內(nèi)逐漸聚集，盾構(gòu)推進(jìn)過程中螺旋機(jī)卡頓頻繁，出渣不暢，導(dǎo)致推進(jìn)速度不連續(xù)、波動大，刀盤扭矩逐漸增大，通過主動提高刀盤轉(zhuǎn)速降低刀具切削貫入度，倉內(nèi)鋼筋被攪動后逐漸排出，參數(shù)惡化趨勢得到有效控制。

3.3 應(yīng)急處置措施

3.3.1 螺旋機(jī)清理

盾構(gòu)切樁掘進(jìn)期間易發(fā)生渣土與鋼筋混合物堵塞螺旋機(jī)情況，一旦發(fā)生卡死，將直接影響整個(gè)工程的工作效率。掘進(jìn)過程中密切關(guān)注螺旋機(jī)扭矩，制定相應(yīng)的應(yīng)急處置措施。當(dāng)螺旋機(jī)扭矩達(dá)到了額定扭矩30%時(shí)預(yù)警，調(diào)整渣土改良，人員密切關(guān)注扭矩變化；當(dāng)達(dá)到額定扭矩70%的時(shí)候，停止掘進(jìn)，反復(fù)點(diǎn)動螺旋機(jī)，降低螺旋機(jī)扭矩，必要時(shí)切換到脫困模式，關(guān)注出渣情況及螺旋機(jī)扭矩變化；若螺旋機(jī)扭矩超過100%，則停止掘進(jìn)，排除機(jī)械故障原因后，通過人工清理螺旋機(jī)將堵塞物排出的方法進(jìn)行解決。人工清理措施如下：

1) 停機(jī)后，先向艙內(nèi)注入泥漿，通過泥漿保壓保證掌子面穩(wěn)定。

2) 抽出螺旋軸，關(guān)閉螺旋機(jī)前端閘門。

3) 關(guān)閉螺旋機(jī)前端閘門后，先在螺旋機(jī)前端1.8 m處注入聚氨酯，通過螺旋機(jī)閘門試驗(yàn)不漏水即可停止，注入量不宜過多。

4) 打開螺旋機(jī)人工清理窗，清理內(nèi)部渣土及鋼筋。

5) 螺旋機(jī)清理期間，加大監(jiān)測頻率，并安排專人進(jìn)行巡查。

由圖11 可知，螺旋機(jī)扭矩在切樁排渣過程中出現(xiàn)較大波動，刀盤切削至第3 根樁體開始，螺旋機(jī)出現(xiàn)瞬時(shí)扭矩達(dá)100%的情況，通過持續(xù)順向點(diǎn)動及短暫反向點(diǎn)動，最終將內(nèi)部鋼筋排出。螺旋機(jī)閘門經(jīng)常被卡住無法關(guān)閉，彎曲的鋼筋易卡在閘門出口位置，由于鋼筋失去了螺旋軸及葉片的外加力作用，僅僅依靠土體的擠壓，無法將其排出，最終土體從閘門和鋼筋縫中排出，鋼筋依然卡在閘門口，若不及時(shí)清理，閘門口積聚的鋼筋會越來越多，給后續(xù)出渣帶來一定的困難。閘門口的鋼筋清理采用撬棍撥動鋼筋位置，用拉繩可將鋼筋取出(見圖12)。

圖11 螺旋機(jī)扭矩變化Figure 11 Screw torque variation

圖12 螺旋機(jī)出渣口鋼筋清理Figure 12 Reinforcement cleaning of screw slag outlet

3.3.2 開倉清理

盾構(gòu)下穿過程中，當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)異常時(shí)要及時(shí)進(jìn)行開倉查看。在既有車站底板下方預(yù)設(shè)被動帶壓進(jìn)倉區(qū)段，保證土倉內(nèi)鋼筋滯留能被及時(shí)清理。盾構(gòu)穿越第1 排樁后，由于刀盤扭矩持續(xù)增大，在車站底板下方進(jìn)行了一次帶壓開倉作業(yè)，在倉內(nèi)共取出15 根鋼筋，最長1 550 mm 為直徑25 mm 的鋼筋，部分鋼筋滯留在土倉內(nèi)，部分鋼筋纏繞在刀盤上(見圖13)。通過分體式液壓鋼筋剪清理倉內(nèi)滯留鋼筋，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)恢復(fù)正常。

圖13 刀盤上纏繞鋼筋Figure 13 Wrapped steel bars of cutter-head

4 盾構(gòu)切樁效果分析

4.1 鋼筋切口分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，在皮帶機(jī)上方架設(shè)強(qiáng)力磁鐵對螺旋機(jī)排出渣土中的鋼筋進(jìn)行收集。通過對鋼筋的切口形式(見圖14)分析發(fā)現(xiàn)，刀具對鋼筋作用的切口形式主要為切斷口和壓切痕。切斷口形態(tài)不規(guī)則，呈現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，為韌性斷裂，這是由于鑲齒滾刀對鋼筋的壓切作用力，將鋼筋表面部分本體切削下去，同時(shí)由于滾刀自身轉(zhuǎn)動削弱了其切削作用力，難以直接將鋼筋切斷，在滾刀軌跡所在位置鋼筋表面形成了壓切痕，壓切痕凹凸不平，可見明顯的齒痕凹槽。壓切痕位置部分鋼筋本體被切削掉，且被擠壓變形，此位置強(qiáng)度被極大削弱，隨著盾構(gòu)往前推進(jìn)，撕裂刀形成的剪切力即可將鋼筋拉扯斷，斷裂位置為滾刀壓切痕位置。

圖14 鋼筋切口Figure 14 Cutting of steel bars

通過對鋼筋的壓切痕形式分析發(fā)現(xiàn)，同一根鋼筋上的壓切痕距離在85～90 mm 之間，與滾刀刀間距基本吻合(見圖15)。

圖15 鋼筋切口距離Figure 15 Distance of cut in the reinforcement

鋼筋的切口特征表明，鑲齒滾刀和撕裂刀組合刀具布置具備直接切斷直徑25 mm 和28 mm 鋼筋的能力，直徑25 mm 和28 mm 鋼筋切口形式和壓切痕形式無明顯差別。滾刀鑲齒的硬度和強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼筋，滾刀鑲齒先行與鋼筋作用，在滾刀軌跡位置切削鋼筋，撕裂刀作用時(shí)對鋼筋的剪切作用力將滾刀切口位置切斷。

4.2 鋼筋長度分析

對螺旋輸送機(jī)排出和開倉取出的鋼筋數(shù)量和長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5、圖16～17 所示。

圖16 直徑25 mm 鋼筋占比Figure 16 Proportion of 25-mm-diameter steel bars

圖17 直徑28 mm 鋼筋占比Figure 17 Proportion of 28-mm-diameter steel bars

表5 盾構(gòu)切削鋼筋統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of steel bars cut by shield tunneling

通過表5 和圖16～17 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，原始樁體中的鋼筋經(jīng)盾構(gòu)切削后，長度分布發(fā)生較大變化。原始樁體中被切削范圍的鋼筋長度主要分布在1 600～2 800 mm 范圍，此范圍內(nèi)A 型樁直徑25 mm 鋼筋占比58.9%，B 型樁直徑28 mm 鋼筋占比85%。盾構(gòu)切削后鋼筋長度主要分布在100～1 000 mm，此范圍內(nèi)A 型樁直徑25 mm 鋼筋占比84%，B 型樁直徑28 mm鋼筋占比84.2%。盾構(gòu)切削后鋼筋長度100 mm 以下統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，A 型樁直徑25 mm 鋼筋占比8%，B 型樁直徑28 mm 鋼筋占比5.3%，占比均較低，可知大部分軌跡鑲齒滾刀未能直接一次切斷直徑25 mm 或28 mm 鋼筋。

4.3 刀具損傷分析

盾構(gòu)穿越第1 排樁體后停機(jī)帶壓開倉，檢查刀盤刀具以及土艙內(nèi)情況。刀具檢查情況良好，滾刀鑲齒保留完好，無較大磨損，最大磨損量約為1 mm，撕裂刀未見明顯磨損?？芍拌傹X滾刀先行、撕裂刀后行”搭配的刀具具備切削鋼筋混凝土樁基的能力，其耐磨性較好。刀具磨損情況如圖18 所示。

圖18 刀具磨損情況Figure 18 Wear of disc cutter

5 結(jié)論

盾構(gòu)在復(fù)雜條件下以斜交姿態(tài)穿越直徑1 200 mm的鉆孔灌注樁群，面臨樁體直徑大、主筋直徑大、鋼筋數(shù)量多等難點(diǎn)，通過合理配置刀具，制定針對性的施工措施，順利完成了盾構(gòu)穿越施工，得到以下結(jié)論：

1)“鑲齒滾刀先行、撕裂刀后行”搭配的刀具具備切削主筋直徑25 和28 mm 混凝土樁基的能力，其耐磨性較好。

2) 鑲齒滾刀難以一次性切斷鋼筋，撕裂刀二次作用時(shí)對鋼筋的剪切作用力可將滾刀切口位置切斷。

3) 采用“低推速、高轉(zhuǎn)速、穩(wěn)扭矩”方式掘進(jìn)可有效切斷樁體及鋼筋，能較好控制出渣量、刀盤扭矩、盾構(gòu)總推力之間的平衡。

4) 采用分體式液壓鋼筋剪可較好處理盾構(gòu)倉內(nèi)纏繞鋼筋，作業(yè)安全性較高。

5) 盾構(gòu)直接切削大直徑鋼筋是可行的，但如何保證長短不一的鋼筋從螺旋機(jī)口順暢排出還有待進(jìn)一步研究探討。