软土地层中盾构穿越桩群施工技术

何海超

摘要:盾构施工工法以其高效、对环境影响较小、适应范围较广的优点被广泛的应用于地铁及市域铁路施工领域。随着国内地下空间的深度开发及盾构工法的普及应用，在盾构施工过程中不可避免的需要穿越一些障碍物，尤其以桩基或桩群常见，传统方式采用桩基拔除后盾构通过的应对思路，但不免碰到各种因素干扰造成拔桩无法实施，且如盾构能实现磨桩通过，较拔桩后再通过的方案更具经济和工期效益。本文以杭州至德清市域铁路Ⅰ标段三工区工程为实例，通过对盾构穿越管桩群施工技术措施的介绍，对整体施工工艺进行了总结。

关键词:盾构施工;软土地层;穿越桩群;格栅;拒止;微动

引言

盾构法隧道施工过程中总会遇到各类各样的地下障碍物，常见为钢筋混凝土桩体，传统处理方式为盾构机到达前进行拔除或人工截桩等方式提前处理，但也多有因周边环境因素限制，有些桩体无法进行预处理，同时随着施工技术、装备技术及刀具、金属材料等技术提升，盾构磨桩施工工艺逐步出现并发展，国内也多地多次出现盾构磨桩工程案例，如广州地铁3号线盾构磨削φ800mm灌注桩，上海地铁7号线盾构磨削300*300mm预制方桩，北京地铁12号线磨削φ1000mm既有车站灌注桩，沈阳地铁4号线磨削φ800-1000mm既有车站灌注桩。盾构磨桩施工较拔桩或截桩施工，工期短、投入低、影响小，社会效益及经济效益更优。

但盾构磨桩施工至今尚未发展成熟，在盾构长距离磨削穿越桩群的施工应对中，且桩身中存在盾构刀盘无法磨削的节点时的应对方式中，行业内尚未有完善的技术提炼和案例借鉴。本文以杭州至德清市域铁路Ⅰ标段三工区浙工大站～德清高铁站区间盾构过桩群为实例，对处于软土地层并无法对桩基进行预处理的条件下，如何安全平稳的实现盾构机穿越桩群、如何应对桩身中无法磨削的节点进行了研究总结，研究结论可以为今后类似工况提供技术指导和理论支撑。

1 工程概况

杭州至德清市域铁路工程土建施工Ⅰ标段总承包三工区浙工大站～德清高铁站区间采用盾构法施工，区间线路长2.26km，最小转弯半径550m，最大坡度-24‰，隧道拱顶覆土10.2m～24m；管片外径6.7m，内径5.9m，环宽1.5m，区间隧道主要处于淤泥质黏土和粉质黏土层中。施工组织盾构机从德清高铁站始发，向浙工大站方向掘进，始发站点临近德清站、德清客运中心、客运停保中心等重要交通节点及配属单位，区间下穿的站前路、金鳌路分别为火车站和汽车客运中心的主要交通道路。

依据设计文件描述，盾构自德清高铁站始发后，即进入原某铁路工程制梁场占地区段，该区段地层中存在原梁场遗留的桩基，可能存在约76根φ500mm混凝土管桩及约20根φ800mm钻孔灌注桩；涉桩段沿隧道轴线长度约166米，其中约30m长度处于施工围挡范围内，大部分处于站前路、金鳌路及路边绿化带范围。设计文件要求在对处于掘进断面内的桩基拔出后，盾构掘进通过；但实际情况除施工围挡范围内遗留桩基可实施拔除，因拔桩占道、占地手续未能获批，落于站前路及金鳌路区段的遗留桩基无法实施拔桩作业。

1.1 涉桩情况介绍

对施工围挡内涉桩段进行开挖找桩，暴露桩头后核查桩基型式，并采集桩头中心坐标及高程数据，结合德清高铁站基坑开挖时揭示的原梁场遗留桩基情况，开挖所现桩基全部为φ500mm管桩，未见钻孔灌注桩；对比设计图纸，桩基实际位置与图纸标示位置不符，且偏离无规律，管桩数量与图纸示意基本相符；依此判断设计文件提及的φ800mm灌注桩可能已不存在于涉桩段地层中。对施工围挡内桩基在了解具体位置信息后进行了拔除，共计拔除12根。

综合图纸和现场信息，地层中遗留φ500mm混凝土管桩壁厚80mm，内部配10根φ6mm预应力筋，单根管桩长度约17～25m，桩顶覆土约3.5～4m，单根管桩采用两个管节对接，接头型式为管桩钢端板圆周满焊缝焊接，钢端板单边厚度20mm，焊接后组成40mm厚圆环板，综合围挡内拔桩及核查数据判断，管桩接头位置均处于盾构掘进断面内。涉桩段桩基整体呈小桩群状态分布，小桩群间隔约22m。管桩接头如图1所示。

图1 管桩接头

1.2 地质水文及周边环境介绍

涉桩区段地质情况，在盾构始发后即进入全断面的淤泥质黏土地层，约57米后逐渐过渡至全面粉质黏土层；无地表水系，区段表部填土层中存在孔隙潜水，淤泥质黏土及粉质黏土均为弱透水层，地下水位埋深约1.2～3.5m。

涉桩段隧道结构边线与德清客运中心结构最小水平净距2.78米，客运中心为地上3层钢筋混凝土结构，钻孔灌注桩基础，桩底进入持力层1米。

沿线地下存在雨水管线、10KV供电线路、φ160PE中压燃气管线等多处管线。

1.3 盾构机情况介绍

本工程投入两台中铁装备土压平衡盾构机，刀盘结构为6辐条+6辐板型式，主要配置中心鱼尾刀1把、焊接撕裂刀70把、刮刀78把、保径刀12把，刀盘开口率40%，设有8个泡沫喷口。刀盘由7台110kw变频电机驱动，刀盘转速0~3.4rpm，额定扭矩7200kn.m；推进系统配置16组双缸，最高推进速度80mm/min，最大推力5060t；螺旋机为有轴螺旋，转速为0~22rpm，螺筒内径φ900mm，最大渣粒融通能力340*560mm，出渣能力420m³/h；配置8路单管单泵泡沫系统及双路膨润土系统。

2盾构过涉桩段施工思路分析

施工围挡外因占路手续未能获批，无法进行桩基拔除作业，遂考虑盾构磨桩通过。对于空心管桩桩身的切削，盾构机在做相应改造后可充分应对；而管桩接头钢端板在焊接后构造成圆环厚板，且亦可能钢端板携带临近桩身形成残桩，这有可能在磨桩施工中造成刀具冲击损坏、堵塞刀盘开口的不利情况，更关键的是螺旋机无法应对如此尺寸的钢端板甚至残桩。如何应处于掘进断面的管桩接头，是磨桩通过的关键难点所在。

本工程盾构穿越管桩桩群，对于管桩接头应对采取了“拒止”的思想，即在刀盘开口增加格栅，阻挡管桩接头进入土仓，以保障螺旋机正常工作。总体思路为始发前对盾构机做磨桩的对应改造，包括更换刀具、刀盘开口增加格栅、推进系统增加微动功能等；采用物探手段基本预判管桩位置及数量；始发后无桩段掘进积累该软土地层经验参数，涉桩段掘进时关注参数变化，加密施工监测巡视，做好带压进仓准备；通过涉桩段后尽快组织开仓，进仓后割除格栅、清理管桩残留、检修盾构设备。

3工艺流程及操作要点

3.1工艺原理

对刀盘刀具配置进行调整，对刀高较高的中心鱼尾刀、焊接撕裂刀升级为切砼刀，对最外轨迹增加切砼刀；增加刀盘开口格栅，使得刀盘各部位开口尺寸小于500mm，防止磨削管桩产生的钢端板及残桩进入土仓内部，避免造成螺旋机卡塞；增加盾构机推进系统微动功能，实现穿越桩群过程中稳定的低速推进；预先选定开仓地点，提前做好地层加固及相关准备，常压进仓做磨桩残渣清理、格栅割除、设备检修工作。

3.2工艺流程

对盾构机穿越桩群的主要工作如图2所示：

图2 盾构穿越桩群施工工艺流程图

3.3施工工艺

3.3.1探地雷达检测桩基

始发前使用雷达探测手段检查桩基埋藏位置及数量。实际操作过程中，马路路面段可以操作实施，雷达回波对地下管线可有效识别，但对填土层中含有的大块粒径无法准确判别；路边绿地区域雷达探测无法实施。总体雷达探测结构提供的桩基信息意义不大。

3.3.2刀具改造

对原刀盘上的焊接撕裂刀全部更换为刀头合金型式更耐冲击的切砼刀，对原平板型中心鱼尾刀更换为切砼鱼尾刀，对最外轨迹的保径刀同轨迹增加切砼刀。刀盘刀具调整改造分布如图3所示。

图3 刀盘刀具调整改造分布图

1)更换撕裂刀

原焊接撕裂刀为贝壳刀形式，若接触管桩，容易导致合金直接破碎或整块合金脱落，将全部撕裂刀更换为切砼刀。两刀样式见图4、图5所示。

切砼刀特性：

（1）两侧大合金采用大圆角过渡，可以有效地减少合金因碰撞受损的情况，且大合金可以保证刀具具有较长的耐磨损时间；

（2）刀具顶部刃面全部为硬质合金，硬质合金耐磨性能高，可以减少切削过程中刀具母材磨损，有效地避免因刀具母材磨损而造成的刀具损坏；

（3）刀具刃面较窄，易于切入开挖面，避免刀具阻力过大增大到盘扭矩。

刀具需破碎桩基同时拉扯切断管桩中的钢筋，因钢筋难以直接切断，主要为依靠刀具扯拉将钢筋折断，因此刀头刃部越薄，越容易扯断钢筋。刀具刃角角度大时，合金强度高及耐磨性强，但扯断钢筋时阻力较大；刀具刃角角度过小时虽易于扯断钢筋，但耐磨性降低且容易出现合金破碎情况。综合考虑刀具强度选择刃部宽度为5mm，刀具刃角为80°时，刀具的切削性能和耐用性最佳。

图4 原装贝壳刀样式

图5 更换后切砼刀样式

2）更换中心刀

原中心刀采用单排合金的平板型中心鱼尾刀形式，这种形式的刀具适用于软土地层，但是不利于切削混凝土桩。调整方式为在原中心刀上加焊刀头10把，刀头采用切砼先行刀样式，刀头高度高于原中心刀刀头高度，首先接触钢筋混凝土桩，将混凝土破碎，并将其中所含的钢筋剪切拉断。调整后中心刀样式如图6所示。

图6 调整后中心刀样式

3）增加保径切砼刀

为保证外周刀具对管桩的切割效果，在刀盘最外周轨迹增加12把焊接切砼刀，刀具形式同正面切砼刀形式。

3.3.3刀盘格栅焊接

管桩钢端板对接采用焊接方式，圆周焊缝，分三次满焊，则接头处形成40mm圆环钢板，盾构机刀盘必然不会对其造成有效切割，此时钢板若由土仓进入螺旋机，必然会造成螺旋机卡死。为避免螺旋机卡死，在刀盘开口部位焊接格栅，避免因管桩钢端板进入土仓及螺旋机中对盾构设备造成不可逆的伤害。

格栅材料选用20mm厚的Q235钢板条，钢板条宽度200mm，长度依据各部位尺寸需要现场下料，采用二保焊满焊缝焊接，完成后用超声波抽样检测焊缝质量。格栅布置图7所示。

图7 软土刀盘格栅焊接示意图

3.3.4微动功能改造

盾构机切削磨桩过程中应保持稳定的低速掘进。如果掘进速度过快或存在较大速度波动，很容易造成盾构机刀盘卡住，加重刀具受到的冲击，加大磨削过程对管桩的扰动，进而对临近建构筑物稳定和地面沉降控制带来不利影响。

本工程盾构磨削管桩设定速度为不超过10mm/min，所选盾构机推进系统不具备在低速区持续稳定的能力，为适应穿越桩群时的施工需求，需将盾构机推进系统进行改造，实现微动功能。

改造方式为在推进系统主油路中增加小流量旁通支路，旁通支路中设置比例调速阀、球阀及单向阀，在电气控制系统中配置匹配比例调速阀的放大器，并做好PLC程序修改及控制系统电气关联，小流量比例调速阀可按输入的电气信号，对推进油缸供应更为精确流量的压力油，实现油缸的稳定低速动作。磨桩段推进时，关闭主油路原有球阀，打开旁通支路球阀，推进油缸具备微动功能；常规推进时，关闭旁通支路球阀，打开主油路原有球阀，恢复原推进系统性能。

图8 微动系统改造示意图

3.3.5 盾构磨桩关键参数

 结合设计图纸桩基坐标位置、雷达探测结果和施工参数变化反应，来判断盾构是否在磨削桩基。涉桩段推进总体按照地扭矩、低转速、慢推进、饱注浆的原则实施，方案设定施工参数：刀盘转速0.8rpm，推进速度10-15mm/min，上部土压力1.5-1.6bar（顶部覆土10-11.5mm，较理论计算土压力高0.1bar），按2倍填充系数同步注浆。

实际推进过程中，盾构在磨削桩基时，刀盘扭矩会升至3600-4000kn.m左右（常规无桩段扭矩低于3000kn.m），通过小桩群后，扭矩会降低，进入下一个桩群，扭矩再升高。盾构推力磨桩与非磨桩阶段变化不大，均处于1000-1100t范围；推进速度在非磨桩阶段保持60mm/min左右，磨桩阶段初始控制在10-15mm/min,后结合施工参数及地表巡视反馈，逐步提升至20-25mm/min；土压力按方案设定保持，结合地表监测反馈结果，注浆量实际约1.75的填充系统，地表及周边环境稳定，过涉桩段总体地表控制在0-4mm的隆起值范围。

涉桩段掘进未出现刀盘被卡死的情况，也未出现刀盘扭矩值大范围波动的情况，仅螺旋机少次出现被钢筋卡塞的情况，未给推进带来实质困难；总体涉桩段通过过程平稳可控，盾构姿态实现了精准控制，周边环境未带来影响，实现了连续顺利通过。

图9 涉桩段掘进参数界面

3.3.6开仓地点加固及开仓检查

1）开仓地点加固

按“通过涉桩段后尽快开仓检查”的原则，结合地表环境，选择了路边绿地区域作为开仓地点，且该位置无地下管线；该开仓点为始发后185米位置。该位置隧道拱顶覆土约12.3m，依次为素填土层、淤泥质土层、粉质黏土层，盾构处于粉质黏土层中。

加固范围为盾构开挖轮廓上、左、右外扩3m，下部外扩1m，加固长度9m。采用三轴搅拌方式对开仓点提前进行加固，加固后钻芯取样无侧限抗压强度≥1.0Mpa。在左右线两加固体中间布置两口降水井，井深为加固底以下5m。

2）开仓后查验

盾构进入开仓加固体5米后停机，进入开仓作业阶段。在盾尾后6环位置注双液浆构造止水环箍，通过中盾径向孔注射化学浆液以封闭盾体与加固体缝隙，实现阻断后方来水进入土仓部位；地面两口降水井启动，降低盾体周边水位。

螺旋机充分排土后，打开人仓门，检查掌子面稳定，人工常压进仓清理；开辟作业空间后，查看掌子面及刀盘开口状态，检查刀盘面板、刀具、土压力传感器等土仓内部设备状态，切割刀盘格栅，恢复刀盘开口原状，清理管桩附着残留。

开仓查验结果为刀盘前方未见残桩存在，未见钢端板，有钢筋附着在刀具及格栅部位；刀盘面板整体结构未见明显磨损，土仓内各设施、部件性能完好，发现有切砼刀崩刃情况，中心刀及刮刀完好。考虑后续区间地层均为淤泥质黏土和粉质黏土，判段切砼刀崩刃但不会对后续推进造成影响，随在完成格栅切割及管桩残渣清理后，恢复推进。开仓检查作业见图10。

图10 盾构开仓检查作业

4结束语

本工程共计两次盾构穿越桩群施工，严格按照方案设计落实磨桩前的系列准备工作，降低了盾构机穿越桩群过程中易发生的地面冒顶、地面、建构筑物沉降、管线变形、刀盘及螺旋机卡死、掌子面垮塌等隐患，穿桩群施工过程整体安全平稳。盾构磨削过桩群较于传统先拔桩、后掘进的施工方式，减少了大量前期占地占路审批、地表破坏与恢复、建构筑物及管线改迁等繁琐复杂的工作量，相较在获得占地占路批复情况下“拔桩后通过”的方式，实现了缩短工期99天，节约成本221.4万。

本工程案例实践验证了土压平衡软土盾构在合理配置刀具的情况下，在软土地层中长距离穿越桩群施工的可行性，在采取合理施工手段的情况下，盾构穿桩群施工过程中对周边环境扰动可实现良好受控；重点验证了通过在刀盘开口加设格栅，实现对障碍物拒止进入土仓，防止对螺旋造成出渣困难的应对思路的可行性；也验证了在推进系统主油路中增加旁通支路，设置小流量调速阀，实现推进系统微动功能的技术可行性。

该技术研究为盾构磨桩、盾构穿桩群施工提供了成功的借鉴经验，也创新性的验证了“拒止”思想在盾构磨桩实践中的可行，可扩展性的为其他类似工况应对提供了案例借鉴，补充了盾构工程行业内应对桩基的技术体系。

参考文献

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