土压平衡盾构掘进中障碍桩的处理

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白云峰

(中铁十八局集团有限公司设备物资部，天津 300222)

摘　要：盾构掘进中遇到不明障碍物时，由于水文地质条件的不同、地面环境及其周边建筑物的影响，给障碍物的处理带来了诸多困难。西安地铁盾构掘进中遇到侵线混凝土桩，详细介绍了盾构工作参数异常情况、机械状态及反应措施，对侵线桩采取挖孔破除的方法予以解决，有效保证了盾构施工的安全。在遇到不明障碍物时应根据实际的地质条件、地面环境、设备状况，进行不同处置方案的比选，确定施工安全、工期短有利于设备维护的施工方案，安全快速的处理不明障碍物。

关键词：盾构施工；侵线混凝土桩；设备保护；挖孔；钢护筒

城市地铁施工中，某些建(构)筑物的档案资料因年代久远缺失或不详，因线路设计期间的资料限制，设计中没有标明某些建筑(构)物的具体位置及相关资料，使其难于预先在盾构施工前被处理，导致了盾构掘进中遭遇不明障碍物，给施工带来了困难。本文以西安地铁一号线TJSG2标左线盾构掘进中遇不明侵线桩为例，阐述盾构遇到不明侵线桩的处理方法及恢复掘进后施工处理措施。

1 工程概况及水文地质情况

1.1 工程概况

西安地铁一号线一期工程土建TJSG-2标共包括1站(后卫寨车站)、2个区间(后卫寨站～三桥站区间、三桥站～皂河站区间)。后卫寨～三桥区间全长1 798.624 m，左线盾构由后卫寨车站始发，到达三桥车站，盾构空推过站后二次始发，掘进870 m到达三(桥)～皂(河)风井吊出完成左线掘进施工。

本工程左线盾构由中国铁建重工集团有限公司生产，型号ZTE6250，辐条式刀盘开挖直径6 280 mm，刀盘采用液压驱动方式，额定扭矩4 700 kN·m、最大脱困扭矩5 700 kN·m、转速0～2.75 rpm、驱动功率3×250 kW，额定推力34 212 kN(30 MPa)、最大推力39 914 kN(35 MPa)、推进速度0～80 mm/min。

1.2 水文地质情况

盾构区间主要穿越地层为：中砂层地层为细砂，褐黄色，稍湿，密实，属I级松动土；地层为中砂层,属I级松土；粉质粘土层，呈透镜体分布，中偏低压缩性土，属II级普通土；地层为粗砂层，局部含8%～10%的砾、卵颗粒，卵石最大粒径5 cm，属I级松土。地下水位线在隧道底板10 m左右以下，盾构施工不受影响。

不明侵线桩处地质分布，土层分布3.5 m厚杂填土、5.5 m厚黄土状土、2 m厚细砂、7 m厚中砂，盾构穿越细砂、中砂地层，其土质密实、砂质纯净、隧道上部为细砂层、下部为中砂层。地下水位埋深30.6 m，盾构掘进不受地下水影响。

2 盾构掘进异常的处理

2.1 异常情况确定

盾构左线始发后一切较为顺利，在2011年3月18号下午15：40左右，盾构掘进到126环时，千斤顶行程600 mm时突然发现刀盘扭矩增大，盾体有振动，刀盘跳闸后不能启动；强制脱困后扭矩达到4 500 kN·m(额定4 700 kN·m)，由于盾构主司机经验不足，认为是地质原因，在未向领导汇报的情况下，采用脱困扭矩(泵出口泵压340 bar、额定350 bar，1 bar=100 kPa)，强行推进到1 200 mm时，刀盘急停无法脱困(泵出口泵压350 bar)，螺旋机也卡死不能旋转。检查螺旋机出渣口发现直径25 mm螺纹钢及混凝土块，螺旋机通过伸缩、正反转多次后脱困，再次旋转螺旋机，仍有钢筋、混凝土块排出。

针对掘进参数异常的实际情况，结合前125环掘进经验数据及地质资料，查看地面位置，除刀盘前方约10 m处有高50 m左右的灯杆外无建筑物，掘进地层无地下水影响且地层相对稳定，具备常压开仓条件。晚上19时开始组织开仓，开启仓门在仓门口观察，发现在刀盘前方左上角有一钢筋混凝土材质构筑物，且有钢筋外漏。根据现场观测疑似混凝土桩，如图1所示，刀盘切入约300～400 mm，掌子面(土仓内约60%渣土)稳定。经过约15 min情况确认后立即关闭仓门，确定处理方案。

图1 刀盘切桩图

2.2 处理方案

2.2.1 尝试回收刀盘

(1)回收推进油缸千斤顶50～60 mm。

(2)通过盾构机保压系统向土仓加压至顶部压力0.8～1.0 bar，加压过程中土仓任一传感器的压力不得超过3 bar。

(3)启动推进泵，回收铰接油缸20～30 mm，密切注意铰接压力，同时继续往土仓加气。

(4)伸出推进千斤顶，与原始值比较，确定回收量，鉴于当前铰接油缸行程最小值为61 mm(D组)，刀盘回缩量最大值20～30 mm。

(5)通过螺旋输送机适当的排出土仓部分渣土，然后利用刀盘脱困模式启动刀盘，尝试缓慢转动刀盘，若不能转动刀盘，尝试3～5次。

2.2.2 向土仓注膨润土保压

为防止地面沉降，及时向土仓内注入膨润土，保持顶部土仓压力在1.2 bar。

2.2.3 向盾体周边注膨润土

刀盘经脱困尝试，由于盾构机切桩较深，刀盘无法启动，鉴于此时盾构机所在位置(盾构机在马路绿环带下方)，不能长期无压(欠压)停机，采用从中盾预留径向注浆孔向盾体周边注膨润土方案，暂时保压1.0～1.2 bar，以防盾体被裹死。

3 侵线桩处理方案确定

3.1 侵线桩调查

走访当地居民、了解桩基及附近建筑情况，向本地专家咨询，根据专家信息进一步走访相关施工单位及在档案馆查询侵线桩位置的建筑资料。最终资料表明，该侵线桩为废弃桥桩，是西安运行立交桥前一代桥梁桩基，直径1.2 m、深度20 m(桩底在隧道底板以下)，调查资料显示，原部分桥桩与隧道线路一致，在侵线桩前部还有6根侵线桩。

3.2 方案比选

地面探沟挖出废弃桩头，经测量确定了侵线桩与隧道的相对位置关系，根据盾构掘进里程确定了刀盘切桩的深度、刀盘与侵线桩的相对位置关系如图2所示，并依此制订侵线桩处理方案[1-2]。

图2 侵线桩与刀盘位置关系示意图

方案1：1#、2#侵线桩采用人工同时挖孔破除，两桩同时施工、工期可控，预计26～30 d完成。能较快施工完成侵线桩的破除工作，破桩完成后可通过竖井检修刀盘、更换崩损刀具；该工法便于清理土仓内的残余混凝土块及钢筋，利于盾构恢复掘进，规避了机械冲桩损坏刀盘的风险。

根据地面环境及其余6根侵线桩的位置情况，人工探孔确定桩基位置，采用冲孔进行机械破除，破除后回填M5砂浆。

方案2：采用人工挖孔破除1#桩、机械破除2#桩。为了施工安全，首先人工破除1#桩，检修刀盘、更换崩损刀具、清理土仓并完成竖井回填后，机械冲孔破除2#桩，预计工期45～50 d。2#桩距离盾构刀盘较近，冲桩的冲击力会对盾构姿态造成影响；施工处于道路中心，冲桩泥浆对环境有一定影响。

方案3：机械冲除2#桩后，盾构刀盘切削通过1#桩，预计工期22～25 d。该工法除对盾构姿态影响外，因该工程刀盘为辐条式刀盘，强行切桩会造成刀盘、刀具的损坏，有设备损坏风险，对后续施工工期影响的风险极高，风险难以控制。

方案4：2#桩拔出施工、1#桩人工挖孔破除，工期预计40～45 d。无该侵线桩的相关资料，难以确定拔桩的相关机械，拔桩对场地要求较高，侵线桩位于交通主干道处、车流量大，施工空间不足，该方法不可取。

经过以上分析，并结合现场实际情况确定采用方案1的方法进行侵线桩的破除施工。

4 方案的实施

4.1 井壁施工

人工挖孔间距30 cm。为提高挖孔的安全性，井口采用10 mm钢板制作?2.8 m、长度5 m的钢护筒，如图3所示。两孔开挖间隔2 d进行， 1#井护壁施工完成后开挖2#桩，1#、2#桩间土体挖除，2#桩施作护壁时，两孔间空隙处支模灌注C25素混凝土。

2011年4月5日施工人员进场，采用孔径2.4 m的圆孔将1#、2#侵线桩体围蔽，护壁厚度200 mm，护壁后的直径2.0 m。1#井护壁竖向至前盾上，保证施工结束后能转动刀盘，同时通过竖井检查刀具崩损情况。

人工挖孔深度至隧道顶部以上800 mm，护壁形式采用钢筋速凝混凝土(加入速凝剂)护壁，隧道上800 mm及隧道洞身部分采用纤维速凝砼做护壁，以在桩基处理完后盾构机能切削通过。

护壁施工原则：根据地质情况，上部黄土状土体范围内每开挖1 m施作一次护壁，下部砂层土质部分每开挖0.5 m施作一次护壁。人工挖孔至盾构机深度范围内土体时，西侧以盾构机为一侧护壁，侧面按正常施工施作护壁。盾构机正面的护壁用玻璃纤维钢砼代替钢筋砼。

4.2 凿除侵线桩的施工

侵线桩采用人工用风镐从上往下逐段凿除的方法，如图4所示。首先凿除桩周围的砂土，用电动葫芦将砂土吊到地面，每段挖孔深度0.5～1.0 m，挖孔完成后绑扎钢筋网进行护壁施工，护壁施工10～12 h后破除桩中心混凝土后割除钢筋。根据工作量及现场实际情况调整作业周期，上午破桩、下午挖孔及护壁施工，保证护壁的强度满足施工要求，以保证施工安全。

挖孔施工每班做好安全交底，保证每次开挖深度土层不大于1.0 m、砂层不大于0.5 m，施工中专人检查护壁钢筋网的施工及混凝土浇筑，保证护壁的施工质量。砂土吊运中做好安全防护，保证施工人员的安全；每班检查电动葫芦刹车、钢丝绳的安全性。监测人员每天监测井口变形位移及灯杆的变形，保证挖孔施工的安全。

图3 钢护筒安装　　 　　图4 挖孔与护壁

4.3 盾构检查

1#桩破除到露出刀盘约1 m时，首次检查刀盘、刀具状况，如图5、图6所示，所见为切刀局部崩刃，刀盘、刀梁无异常变化。刀梁、刀盘圈及周边刀具没有大的损伤，表明刀盘刀具可满足后续施工要求。1#桩破除到隧道底部0.5 m以下，井壁满足强度要求时，转动刀盘，对刀盘、刀具进行全面的检查，以排出因切桩造成的刀盘、刀具的损坏，清理土仓内的混凝土块、钢筋。

图5　刀具检查　　　 　　　图6　切刀崩刃

刀盘、刀具检查完毕后，在刀盘切割范围内回填盾构掘进的渣土，刀上部用M5素混凝土砂浆回填，地面以下2 m回填原开挖土，并恢复原地面绿化。

4.4 盾构恢复掘进

侵线桩处理期间，对盾构进行全面维修保养，检查更换液压油滤芯及处理试掘进期间的遗留问题，保证设备处于良好状态。侵线桩全部处理完毕后，做好设备恢复掘进准备后，尝试低速(0.2～0.4 rpm)启动刀盘，确定刀盘扭矩正常后，启动螺旋机并检查螺旋机转动情况，盾构联动满足掘进条件后，开始掘进。刀盘转速0.8～1.0 rpm，刀盘扭矩控制在2 200～2 600 kN·m，不宜超过3 000 kN·m，推进速度控制在10～15 mm/min，逐步建立土压到设定值。掘进中观察螺旋机的运转情况，螺旋机有异响或扭矩突变时，反转螺旋并伸缩，以便于排除螺旋机内的混凝土块、钢筋等异物。掘进6环后，刀盘已通过挖孔桩区域，以正常的掘进参数掘进。

5 结束语

(1)在稳定地层中，人工挖孔破除盾构隧道侵线桩的施工方法，利于控制工期，对地面环境及交通影响较小，同时有利于设备的保护及设备的检修。

(2)盾构在掘进中出现扭矩、推力等掘进参数异常时应及时停机查明原因，以防对盾构造成不必要的伤害；盾构在遇障碍物停机时应做好保压及相应的设备保养工作。

参考文献

[1]赵红专.人工挖孔在破除突遇障碍桩的施工中的新应用[J].四川建材,2012(3):53-54

[2]杨晓强，温克兵.盾构施工中遇不明侵线桥桩处理方案探讨[J].工程机械与维修,2013(4):172-174

On the Treatment of Blocking Piles in the Course of Tunneling with a Soil-Pressure-Balanced Shield

Bai Yunfeng

(Department of Equipment and Supplies of the 18th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Tianjin 300222,China)

Abstract: When unidentified obstacles are met with in the course of tunneling with a shield,the treatment of the obstacles tend to be rather difficult due to the difference in hydrologic and geological conditions,the ground environments, and the influence of the buildings around.When the Xi'an Subway is built with a shield,some boundary-invading concrete piles are met with.Introduced in detail in the paper are the abnormal working parameters and the mechanical states of the shield, and the counter-measures adopted. The boundary-invading piles are removed by means of digging holes and demolishing them, upon the basis of which the safe construction of the shield is fully ensured. When unidentified obstacles are met with in the course of tunneling with a shield,various construction schemes should be compared and the best one should be chosen according to the specific geological conditions, the ground environment and the state of the equipment so as to ensure the safe construction with the shield, shorten the construction duration and favor the maintenance of the equipment and the safe and quick treatment of the unidentified obstacles.

Key words: construction with a shield;boundary-invading concrete pile;protection of equipment;dig holes;steel protective ring

中图分类号：U455.39

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)02-0067-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.019

作者简介：白云峰(1972—)，男，高级工程师，主要从事设备管理工作　[email protected]

收稿日期：2015-12-24