盾构机切桩风险分析与施工技术探究

殷雪峰

（中铁十九局集团有限公司，江苏苏州 215000）

0 引言

以大连市地铁一期施工工程为例，引入对地铁富水软弱地层盾构机直接切桩通过桥梁桩基风险分析与施工技术探究。以盾构机切桩通过桥梁技术措施为主要内容，通过拔桩方案将盾构机改成切构方案，实现工程顺利开展。

1 工程概况

大连市地铁一期施工工程，位于华北路、山东路区间，掘进时华北路至山东路之间使用2 台盾构机，其最大直径6.15 m，地铁隧道直径6.0 m，隧道上层覆盖土层厚度11～170 m，主体长度1650 m。华北路至山东路盾构区间内通过桥梁，该桥1998年设计并竣工完成。

工程面临的难度较大，尤其是暗挖车站多。大连地铁建设者坚持“困难留给自己，方便让给市民”的建设理念，为减少地铁建设对城市交通、环境和市民生活的影响，在市中心中山路、黄河路、西安路等主干道下的地铁车站绝大多数采用暗挖施工，49 座车站中采用暗挖施工的车站有17 座，车站区间暗挖施工比例高达77%。暗挖车站与明挖车站相比，对城市交通及环境影响小，但施工难度大，安全风险高，工期也要增加一倍多。

大连市地铁一期施工工程中，因场地较小、施工条件较差的原因，不能建设排渣井出渣。为解决这一问题，建设方充分利用盾构机掘进过程中其后方形成的通道，安装、使用传送带运送渣土，保证工程顺利开展。

2 盾构直接切桩通过桥梁桩风险探究

华北路至山东路盾构区间通过桥梁范围地貌为剥蚀低丘陵、冰碛丘陵，场地地形起伏较大，北侧高、南侧低。根据岩土的时代成因和工程特征，本场地的地层分为5 个主层。第一个地层为第四系全新统人工堆积层，主要是素填土和杂填土；第二个地层为第四系中更新统残积层，主要是红黏土；第三个地层为第四系中更新统冰碛层积层，主要是黏土和卵石；第四个地层为震旦系五行山群甘井子组白云质灰岩，主要是中风化白云质灰岩石；第五个地层为震旦系五行山群南关岭组石灰岩，主要是中风化石灰岩和溶洞。由此可见，隧道顶部地质比较软弱，盾构机直接切桩风险颇多，表现如下。

（1）盾构掘进区域含有砂层。在经过桥梁时，其顶部砂层包含淤泥质粉细砂层、淤泥质土层和粉细砂层，这些砂层流动性好，并且极易受到扰动，从而造成砂层液化[1]。盾构机在施工过程中，一旦扰动砂层，造成其液化，就会使砂层坍塌，以至于盾构机会涌满砂土，造成盾构机故障，掘进工作不能正常进行，影响工期；还可能引发地质问题，使地面沉降，危及地面上行人和建筑物的安全，造成人身财产损失。

（2）盾构直接切削桩体可能导致刀具损坏。在掘进过程中，盾构机刀盘会直接切割桩体，由于桩体本身强度比较大，而且其内部有钢筋，进一步使桩体硬度增大，从而当刀盘切割桩体时，如果在切割速度过快或切割方向有偏差等情况下，刀盘各处受力不平衡，就可能会使刀盘崩裂或扭断，影响工程进度。

（3）切割桥梁桩体会造成盾构机变形。在施工过程中，盾构机会经过柔性土层、砂层，以及切割桩体，会产生在刀盘切割时受力不平衡，从而导致盾构机工作状态受到影响，一旦累积到一定程度，盾构机扭矩过大，会造成盾构机变形，甚至造成盾构机损坏，不能正常工作，影响工期。

（4）盾构机切割桥梁过程中有可能被卡住。盾构机在掘进时，会切割桩体以及钢筋等硬金属，造成钢筋等扭曲环绕在盾构机上，若没有及时清除这些坚硬物体，任其在盾构机上积累，会堵塞盾构机螺旋机，使其无法排出土料，机器不能正常工作，甚至烧损。

3 盾构机直接切桩通过桥梁施工技术探究

3.1 改善刀盘性能

在盾构机开始掘进前，施工单位工程管理部门就应该充分考虑拔桩难度，做好一次性切除桥桩的准备，此举是为了提升刀盘的抗磨损能力，并对之进行升级加工。经常选用的方式有两种。

第一种是旨在通过提高刀盘的耐磨性能、保护刀具、提高刀具使用次数，减少更换刀具频率，从而整体性改变刀具的方式。具体做法是将盾构机中软基中的刀盘侧面的堆焊高度更换为高度为6～8 mm 的耐磨性网格纹理[2]；同时增加保径刀，将之安装在刀盘侧面，在原来刀盘耐磨条保护基础上，又增加一层保护措施，即使是在最易受磨损的掘进过程中，刀盘外径的抗磨损能力也能有所提升。

第二种是焊接贝壳状的合金材料刀具，安装位置定在37～39 mm 刀具的轨迹之处。在开挖直径由于滚刀的磨损而变得不能达标时，又或由于切桩不合适而导致的盾体障碍，此时为有效推进工程进程，需要将边缘位置磨损的刀具进行切割或削磨。例如，将滚刀固定在距离刀盘175 mm 的高度上，从而改善刀盘的结构和滚刀的磨损力。

3.2 确定施工范围的方式

通过分析相同种类材料的地面沉降数据，可以得知沉降反应发生的起止位置是在盾构机前方约10 m 处的位置到盾构机后方约30 m 的位置，因为数据始有沉降反应的位置是在机头10 m 处，沉降反应稳定的位置是在机头后30 m。用左右线的影响范围表示就是左线618 环，右线624 环。

3.3 掘进参数的确定

（1）掘进速度。首先，盾构机在前进至距离桩基础30 cm 时需减慢掘进速度，保持在3～4 cm/min，这样就可以保证有足够时间调整准备盾构机[3]。之后当盾构机在距离桩基础10 cm 时需再次减慢掘进速度，保持在2～3 cm/min，同时控制好盾构机进入方向和把握好与隧道轴线角度，以保证盾构机以良好姿态进行切桩施工。当盾构机紧贴桥梁桩基础时，以10～15 mm/min 慢速切磨，以减小对桩体的扰动。在掘进施工过程中，施工人员应时刻关注监测盾构机施工参数并根据新生成的参数指导盾构机施工。

（2）刀盘转速。刀盘转速是掘进参数的一个重要组成部分，如果刀盘转速过快，容易造成刀盘崩坏和地面沉降；而转速过慢会使刀盘贯入度过大，使得扭矩过大，影响切桩。因此，针对这一情况，切桩期间应将刀盘转速控制在0.8 r/min，施工过程中根据施工人员所监测的数据进行实时调整。

（3）其他掘进参数。在掘进过程中，需时刻检查盾构机推力，保持在1400 t 以内；盾构机姿态调整幅度在水平方向±20 mm，竖直方向0～30 mm；刀盘扭短保持小于15 MPa（150 bar）；盾尾间隙60～80 mm；在掘进过程中，必须保持注入发泡剂，调整好土体状态，需要时适当加水。

3.4 对出土量进行精确测量

为了更精确地做到掘进进尺与桥梁出土量的尺寸匹配，需要用到千斤顶对出土量进行控制。从理论上来说，每环掘进出土量约在46.4 m2，对于砂层松方的系数应该保持在1.1 前后。这样计算，在挖掘过程的出土量则小于50 m2。在工程施工过程中，为准确反映施工的土量并做到严格控制，需要做好对土斗的清理工作，防止出现误差问题。

3.5 确保注浆量体积

（1）注浆的数量。保障单液浆与双液浆被同步注入，同时保证，在注浆压力小于0.6 MPa 的条件下[5]，每环同步注入的单液浆在8 槽以上，而双液浆不少于3 槽。

（2）注浆的方式。盾构机注浆时，采用双液浆与单液浆混合的注入方式。因此，在盾构机施工时，盾尾位置可注入单液的砂浆，同时，利用盾构机上配备的双液注浆设备，在掘进环倒数第二环的位置同步注入双液浆。

（3）浆液的配比。标准的同步注双液浆浆液的比例为，水灰比1∶1，水泥浆∶水玻璃（原浆）=5∶1。按照这个标准，在盾构机的盾尾同步注浆浆液中每槽浆液各材料中用量为：300～400 L 水，150 kg 水泥，290 kg 粉煤灰，80 kg 膨润土，以及500 kg 沙。

（4）漏浆问题的3 种防治方法。第一种，在管片纵缝粘贴泡沫条，可以防止浆液从缝隙位置流出；第二种，针对局部间隙较大位置处的压力问题，需要对管片进行合理选型，控制好掘进轴线，使尾刷与盾壳保持在合理距离；第三种，向盾构机的盾尾注入油脂，对于已经出现的问题，要强化油脂注入量，并加大压力。

3.6 做好对地面的监测和巡查工作

（1）监测频率。工作人员对地面进行监测时，需要在盾构机通过桥梁时进行。当监测过程中出现沉降报警时，需要沉降到至少40 mm 的位置，进一步提高监测频率，及时反馈相关数据，对下一步的施工方向做出安排。当盾构机通过后也要继续保持监测，在一切正常情况下，可以调低监测频率，大约在3 次/d，监测数据连续保持3d 后，即可停止对其监测。

（2）安排地面值班和巡查。在盾构通过桥梁时，不仅是监测工具在作业，还需要掌握盾构机期间桥体和周边建筑物的具体状况，因此，需要施工管理人员在现场值班，也需要相关项目的部门进行每日不少于2 次的巡查工作。

3.7 关于二次补充注浆

在桥梁的位置，需要进行二次补充注浆。二次注浆的时间应该控制在盾构机机体全部离开桥梁桥体后。进行二次补充注浆的方式是双液浆注浆方式，在保持注浆压力小于0.5 MPa 的条件下[6]，据沉降监测反馈数据，将水玻璃原液1 m3注入50 L，并每隔两环注入6 m3浆液的配比进行注入。

3.8 实施效果

当盾构机通过桥梁桩基时，负责项目的管理人员需要严格按照操作标准进行施工，盾构机减速位置应该在到达桩体前50 cm。此时，盾构机的刀盘在切桩时应保持些微颤动，已出土中有少量钢筋，掘进的参数在合理区间，周围建筑物的沉降在预期内，地面巡视无明显异常，螺旋机和盾构机的出土无误，左右线盾构机可成功通过桥梁。

4 结语

大连市地铁一期施工工程中，存在隧道中有桥桩侵入的问题。在现实操作中，技术人员通过对盾构机进行适当改造，选取合适的注浆方法，计算选用科学的掘进参数，避免损坏周边建筑物，产生征地拆迁等问题，桥梁桩基被盾构机成功切通。这一举措不仅使得工程顺利进行，降低施工成本和资源浪费，更是对居民的影响降到最低，产生了极好的经济和社会效益。本文中采用的例证和相关数据，相信会对类似条件下盾构直接切桩通过桩基的施工工程提供一定借鉴。