浅谈盾构机利用空心桩 进行常压开仓的前景

李嘉骏

以成都轨道交通17号线一期9标项目盾构区间为例，首先介绍了在地下水丰富的砂卵石地层中盾构开仓前使用常规的袖阀管注浆预加固土体失败的案例，然后从失败案例中逐步分析并总结出一种全新的施工工艺——在预开仓位置提前施工空心桩，盾构机刀盘掘进至空心桩，操作人员在空心区域常压进仓。

一、引言

盾构法作为隧道挖掘最安全便捷的施工工艺，目前已不仅仅是用于地铁施工，还广泛运用于公路隧道、铁路隧道，盾构机刀盘刀具是其最重要零部件之一，在盾构掘进中保证刀盘刀具优良的运转性能，是盾构顺利施工的前提。因此，盾构开仓基本上是绝大多数盾构隧道都要经历的事件，但在不稳定地层中，开仓有着极高的施工风险，尤其是带压开仓或者非硬岩地层常压开仓。砂卵石地层中，由于地层之间空隙较大，带压开仓往往较难实现，一般的做法是提前在开仓区域用袖阀管对土体进行注浆加固，然而在富水区域，袖阀管加固质量较难保证。采用掏空混凝土桩作为平台，既对掌子面进行了隔离，同时形成了工人作业空间，同步利用井点降水，保证空心桩内水位低下，保障开仓安全。本文重点介绍空心桩的由来及应用，井点降水简要带过。

二、现场概况

1.水文地质情况

成都轨道交通17号线一期9标盾构区间全长约2220m，采用8.6m土压平衡式盾构机，主要穿越<3-8-3>密实卵石土层，围岩等级为V级，地下水位平均为4.2m。隧道最大埋深17m，最小埋深约7.5m，最小曲线半径600m，最大坡度34‰。卵石成分以花岗岩、灰岩、砂岩为主，粒径一般为20~200mm，卵石质量大于70%，场地局部地段见漂石，漂石粒径大于200mm。层厚较大，场地内普遍分布，呈层状分布于基岩之上。

2.常规工艺加固土体后的开仓情况

区间计划常压开仓换刀八次，第一次开仓时，项目人员按照既定的施工方案（袖阀管注浆加固土体+井点降水）做开仓前的准备工作，开仓后，发现掌子面极不稳定，存在较高的垮塌风险，且土仓内水位较高，未能降到刀盘中心以下区域；项目部对加固区域取芯观察，发现芯样破碎、水泥含量少，并不能达到预期加固的目的，第一次开仓换刀计划以失败告终。

三、空心桩常压开仓

1.思路形成

分析开仓失败的原因，主要有两点：一是开仓位置周边降水没有达到预期效果，二是掌子面不稳定。解决思路：（1）降水问题，将理论计算与其它成功开仓的项目进行比较，寻求合适的计算系数，将水位降到刀盘中心以下位置；（2）确保掌子面稳定有两个思路，其一是通过地层加固使掌子面自身稳定，但在富水砂卵石区域，三轴搅拌桩实施困难，袖阀管注浆效果一般；二是通过隔离掌子面（即在刀盘与掌子面之间加一道“墙”）达到预期效果，项目人员首先想到利用钢板桩进行隔离，这种方法高效且经济，但在砂卵石地层钢板桩施打及拔出较困难，只能放弃，通过钢板桩进行思维发散，发现可以利用一排混凝土咬合桩对掌子面进行隔离，而且掏空混凝土桩，施工人员还能在空心区域作业，增大作业面积，且通过计算空心桩受力满足受力要求，如图1所示。

图1 空心桩受力验算图

2.工艺原理

在提前设定好的开仓里程施工一排混凝土钻孔桩（根据现场需求设置2~3根空心桩），混凝土桩长位于盾构机刀盘底部2m，能将整个刀盘包裹起来，掏空区域底部位于刀盘中心下方1m。空心桩既是临时支护，也可作为盾构换刀人员的操作平台、换气通道，在空心桩内施工，良好的施工环境是施工安全及开仓换刀质量的前提保证。在空心桩成型后进行井点降水，使得水位在刀盘中心以下，确保作业空间，如图2及图3所示：

图2 空心桩常压开仓布置图a

图3 空心桩常压开仓布置图b

3.工艺流程

桩基施工采用旋挖钻及其配套设备，降水井施工采用冲击钻及其配套设备，水平运输采用叉车及装载机，垂直运输采用汽车吊。

先提前确定开仓位置，再施做桩基，然后进行降水井施工及降水作业，最后出空土仓渣土、开仓。需要特别说明的是，为了减少开仓停机时间，最少需要在盾构机到达开仓里程前一周，完成降水井施工并开始降水，当盾构到达指定位置后便可直接开仓。具体工艺流程为：确定开仓位置→施工准备，测量放样→桩基施工→降水井施工→降水→盾构到达、清土仓、开仓→恢复掘进。

4.空心桩施工步骤及关键点

由于桩基施工工艺较为成熟，下述内容只针对在富水砂卵石地层中施工空心桩需要重点注意的事项。

（1）平整施工场地

将杂物清出场外并平整压实，如若存在软弱地质则需要进行换填。

（2）钢护筒埋设

钢护筒由8毫米钢板制作而成，长约2-3m（根据实际情况调整），顶面高出地面0.5m左右，其半径大于桩半径10cm左右。为了防止护筒壁渗水或流失泥浆，在钢护筒周围1m用粘土夯填。

（3）泥浆制备

（4）测量定位、钻机就位

（5）钻进

（6）钢筋笼制作与安装

钢筋笼由两部分组成，一部分是常规钢筋笼、另一部分是玻璃纤维钢筋笼（盾构掘进区域），玻璃纤维筋段在下，普通钢筋段在上，利用U型卡连接。

①钢筋笼制作

玻璃纤维筋柔性大刚度差，给制作和安装带来诸多不便：由于柔性大加强箍筋不能达到预期的效果，玻璃纤维筋笼成品质量差，椭圆度大，吊装时难以成型。措施：在制作的过程中，加强箍筋采用普通钢筋与纤维筋配合使用，在后期当钢筋笼被竖向吊起时，割掉加强钢箍筋。钢筋笼最好在开仓点现场制作，免去了运输难度大的问题。

②钢筋笼的吊装

为确保骨架起吊时不变形，玻璃纤维筋笼起吊前应在加强骨架处焊接三角支撑，加强骨架的刚度。使用两点吊装方式，第一吊点设置于骨架的头部，第二点设在骨架中点到三分点之间（该吊点应位于普通钢筋加强箍筋处，前后还应各有一个普通钢筋加强箍筋、并采用钢管将3个普通钢筋加强箍筋连起来，目的是增加玻璃纤维筋笼的整体刚度利于起吊）。

（7）灌注混凝土

（8）取芯（成空心桩）

取芯是在混凝土灌注之后尚未终凝之前进行的一道工序。取芯的关键在于取芯的时间：取芯过早，混凝土强度低，容易将钢筋一起绞上来，破坏桩的完整性，达不到预期的效果；取芯过晚，混凝土强度高，增加机械设备的损耗，降低施工速度。根据现场实际施工情况来看，最佳取芯时间为混凝土刚好达到终凝状态时。

另外一点需要注意的是，空心桩要同轴，方便控制刀盘进入空心桩的范围，尽可能增大人的活动空间。

5.井点降水重点注意事项

（1）降水井施工及降水必须在桩基施工完成后。

（2）洗井：建议空压机洗井。

（3）降水井计算：根据《建筑与市政工程地下水控制技术规范》《建筑基坑支护技术规程》：①基坑降水总涌水量Q=πK（2H0-S0）S0/ln（1+R/r0），②单井出水能力q0=120πrslk1/3。

四、空心桩常压实际运用

1.空心桩常压开仓效果

成都轨道交通17号线9标项目，第一次使用空心桩进行常压开仓，便达到预期效果，掌子面极其稳定，且人员操作空间较大，安全顺利地完成换刀任务。在后面的几次换刀过程中，依旧采取此方案，无一失败，如图4所示。

图4 盾构机刀盘进入空心桩实际效果图

2.经济比选情况

对比一：袖阀管注浆加固土体。

以成都轨道交通17号线一期9标项目为例，按照常规做法，单个换刀点需要施工1200m袖阀管，费用约30万元，若采取空心桩常压开仓方式，桩基施工费用约40万元（2m空心桩1.4m取芯小计69m，1.2m素桩小计23m，1.4m素桩小计46m，降水井小计105m），但桩基加固比袖阀管加固节约工期约5天，每天按5万元管理的成本计算，采用空心桩开仓单次可节约30+5×5-40=15万元。

对比二：带压开仓。

以珠海兴业快线南段2标为例，目前在砾质粘性土进行了一次带压开仓换刀，成本约538万元【泥膜制作20万元；进仓服务费（76仓），费用53.2万元；换刀周期约26天，管理费及劳务费290万元；设备租赁费139万（龙门吊10万/月，泥水处理系统租金120万/月，地下水平运输20万/月，地上运输设备10万/月）；水电费27.3万（31.5万/月）；生活办公费8.7万（10万/月）】。若换成空心桩常压开仓，成本约为309.5万元【桩基施工费用40万元；渣土处置费9.2万元；路面硬化及破除外运费用5万元；交通围蔽费用3万元；换刀服务费7万元；换刀周期约10天，管理费及劳务费179万元；设备租赁费53万元；水电费10万元；办公费3.3万元】。

节省费用538-309.5=228.5万元，工期节省16天。

五、结语

利用空心桩进行常压开仓，已经在中国交建承建的成都地铁17号线全线标段推广应用，并得到了各参建方的高度认可，亦有多个兄弟施工企业前来交流学习。

越来越多的城市使用盾构法掘进隧道，我们所面对的是国内丰富多变的地层，刀盘、刀具适应性得不到保障，若在盾构掘进后发现刀盘、刀具适应性较差而需要改造，刀具还好说，最多进行带压开仓换刀，刀盘就非常麻烦，只能挖竖井改造刀盘，那会是一项非常麻烦的工作，而空心桩的应用，让地下安全改造刀盘的想法成为现实。

利用空心桩常压开仓，不仅适用于富水砂卵石地层，经过周密筹划后，也可以延伸到各种软弱地层使用，更可在地表空旷区域代替风险极大的带压开仓作业。并且该方法实施流程相对简单，效果明显，一定会有广阔的推广前景。