空心桩法常压开仓和大开口刀盘修复技术研究

2021-05-14张瀚华

工程建设与设计 2021年7期

张瀚华

（中交第二航务工程局有限公司，武汉430000）

1 工程概况

成都地铁17 号线凤～温区间，区间单线长度约1.4 km。穿越密实卵石土。隧道坡度3‰，下穿地铁4 号线隧道后在凤溪河站和地铁4 号线换乘。最小间距约3 m，穿越前进行刀盘修复和查换刀工作，以确保顺利下穿。本项目使用的盾构机在成都富水砂卵石地层施工中多项技术指标为国内首次。比如，开挖直径为8.6 m、刀盘采用大开口率（45%）、周边圆弧过渡区域接近直角、带式螺旋机排土，出土理念由以往的“先破碎再排除”更改为“整体直接排出”，颠覆传统认知和理念，首次探索实属不易。空心桩维护土体开仓的方法也是在复杂的地质条件中刀盘、刀具磨损过快不得不采取的施工措施，此技术是国内首创。

2 换刀和刀盘修复方案设计研究

采用降水条件下开仓检查，同时辅以隔离桩（素桩）+空心桩加固处理，在刀盘进入隔离桩桩体25 cm 时开仓，确保开仓位置盾构机周边土体稳定。

2.1 隔离桩加固范围

开仓位置先采用冲击钻施工隔离桩，用于对刀盘前沿掌子面加固，采用φ1.2 m 素桩（C25）4 根，φ1.8 m 空心（内径1.2 m）钢筋混凝土桩（C25）3 根，单条隧道范围内布置7 根，从隧道中心线往两侧布置。桩底深入隧道底以下1 m。隔离桩避开联络通道开挖边缘1 m 以上。

2.2 隔离桩施工

1）打围，安装围挡。在预加固里程范围按施工所需场地大小安排施工打围，并按要求设置安装围挡。

2）测量放线。根据地质情况，严格按照方案的间距和位置放样，确定钻孔的中心位置。

3）施工顺序。钻孔桩施工及机具定位使用，护桩应布置4 个点，4 个点采取对位十字相连确定桩基中心。按阿拉伯数字编号1～7 号，逐一施工，在已灌注成桩邻近桩位钻孔时，施工间隔不小于36 h。

4）埋设护筒。要求孔口以下3 m 采用钢护筒作为护壁。

5）化学泥浆护壁。3 m 以下范围采用化学泥浆护壁。

6）成孔检查和清孔。钢护筒内径比钻孔直径大200 mm。清孔应分2 次进行。

7）混凝土灌注。导管受压最大值的确定按照下式计算：

式中，P为导管可能受到的最大压力，kPa；γc为混凝土拌和物的重度（取25 000 N/m3）；Hc为导管内混凝土最大高度，m；γw为内部液体重度（取11 000 N/m3）；Hw为内部液体深度，m。最终计算得P=0.5 MPa。

8）注意事项。导管接缝位置充水15 min 不漏水即为合格。单桩的灌注时间不能超过2 h。现场技术人员应提前联系好商品混凝土供应商。单节导管长度不得超过4 m，以2～3 m 为宜。在浇筑过程中用测绳对孔内进行试探，根据能接触到的混凝土部位计算目前混凝土浇筑的高度，再根据孔内已安装的导管长度和应插入混凝土内导管的长度2 个数据进行核对，决定是否可以拔导管。

2.3 空心桩施工

为检查刀盘外缘磨损情况，且在外缘磨损较严重的情况下具备刀盘修复的安全作业条件，拟在盾构隧道的两侧及中间各施工1 根φ1.8 m 的空心钢筋混凝土检查桩。中间空心部分直径1.2 m，钢筋笼主筋采用φ25 mm 螺纹钢，沿圆周均布14 根，箍筋采用φ10 mm 圆钢，间距20 cm。盾构机穿越段选用相应直径的玻璃纤维筋，与螺纹钢采用卡扣连接。

φ1.8 m 检查桩成孔方法与隔离桩施工相同，成孔后清孔，下放钢筋笼浇筑混凝土。在桩基混凝土开始初凝时采用旋挖钻从桩中心钻孔形成1.2 m 直径的空心。旋挖钻定位采用和成孔时相同的方法，确保钻杆中心与桩中心重合。钻孔过程中向桩孔内补入清水以防止塌孔。

2.4 进桩和填仓

1）开仓前停机保压。当隔离桩强度达到20 MPa 及以上时盾构机刀盘切入隔离桩，盾构机刀盘进入隔离桩30 cm。

2）填仓处理。修复完成后方可采用惰性浆液进行填仓，土仓内填满以后上部压力控制在0.02～0.04 MPa。惰性浆液的配合比：中粗砂700 kg∶Ⅱ级粉煤灰370 kg∶钠基膨润土360 kg∶水500 kg。

2.5 复推参数控制

复推时，充分考虑填仓时注入惰性浆液的量，减少注水；控制掘进速度不小于40 mm/min、推力25 000～30 000 kN、扭矩8 000～10 000 kN·m。

推进时注意控制土仓内情况，复推第一环，土仓土位控制在整体高度的1/3 位置，避免由于干燥和改良效果不好而堆积，刀盘扭矩过大而调停。异常调停会造成严重后果，如刀盘电机剪切销断裂失效，如果无法有效处理堆积的砂卵石土会导致异常开仓。

2.6 刀盘修复

2.6.1 刀盘修复准备

将刀盘外周需安装保径刀区域内的耐磨板（120 mm×120 mm×10 mm）碳刨拆下，然后将碳刨处打磨平整；刀盘其余2 处辐条No.2、No.8 安装合金保径刀时，将需安装区域内的耐磨板先参照此方法碳刨拆除并将碳刨处打磨平整。

2.6.2 刀盘修复方案

在图1 标识“●”位置处（共10 处）安装2 道圆环保护刀。因为刀盘出厂时保护刀数量不足，采用HARDOX×400 耐磨钢板，在砂卵石中磨损很快，8 m 盾构机刀盘转动一周保护刀走过的路程远远大于小盾构机，因此，必须增加带合金的保护刀，合金耐磨性能优于耐磨钢板，更换保护刀后此部位可正常使用至施工结束。

在图1 标识“▲”位置处（共8 处）安装一道圆环保护刀。安装刀盘（No.2、No.8）辐条处的合金保径刀。安装刀盘（No.3、No.5、No.11）辐条处的圆环保护刀。此处加装保护刀的原因同上，只是考虑成交错分布，既可以保证效果，又合理节约了一定数量的保护刀，因此，采用交错布置的方式焊接处理。

在刀盘外圈挡板位置，将部分挡板割除，完成后打磨切口处，可堆耐磨焊将此部位加强。在刀盘边缘刮刀与挡板间隙内焊接挡块填充，完成后在挡块上堆耐磨焊加强；挡块的宽度按实际测量尺寸确定，若测量尺寸小于10 mm 无须补板。此处为刀盘的最薄弱环节，最容易磨损且恶化[1]。当盾构机向前掘进时挖掘后堆积的土体会挤压至这个部位，此大开口刀盘在圆弧过渡处呈90°略带圆弧状，不同于常规的大圆弧过渡刀盘，渣土堆积到此为止后十分不易进入进渣口排出，刀盘转动和被挤压使砂卵石密实摩擦，此处磨损损坏的程度会远比其他部位严重。因此，必须增加耐磨性能，通过焊接挡板并加焊耐磨层来实现。这解决了迎土面的耐磨问题。

在挡块上方安装圆环保护刀。此处安装的保护刀和土体的接触面同上述保护刀一致，可以认定是上述保护刀的补充，是处理边缘刮刀外周的特殊保护形式。保护刀可保护此处，在刀盘和周边被挤压过的砂卵石摩擦过程中更不易磨损，充分发挥合金保护刀的耐磨特性。

图1 刀盘修复示意图

3 采用空心桩施工的意义

不同于以往常规做法，空心桩的结构和尺寸决定了人员在其中可以自由上下和转身；30 mm 玻璃纤维筋混凝土护壁，可以抵抗刀盘前方和周边土体的挤压和剪切，8 m 级刀盘比6 m 级刀盘在开仓作业时更不利；顶部为钢筋混凝土空心结构，可以保证桩的整体性良好，保证桩不会土体被切断；空心部位直通地面，可以保证空气流通，新风顺畅地进入土仓内，土仓内热量也会随空气流通排出，从而降低温度；保护刀等材料和工具可通过空心桩吊装到位；焊割设备可通过空心桩接至地面电源或气瓶；复推后通过空心桩快速填充盾体上部因复推扰动超方导致的空洞，避免地面塌陷。