盾构切削混凝土模拟试验和切削桩基施工技术

引言

　　近年来，我国城市地铁工程建设进入超常规发展阶段。根据国家发改委运输所《2012—2013年中国城市轨道交通发展报告》，至2013年底，我国轨道交通运营线路累计到80条，运营总里程2400km，获得国家批准建设轨道交通的城市已达37个，未来3年至少还有10个以上城市获得批准。目前，地铁隧道较多采用盾构掘进施工。城市地铁线路大多选择在道路下，难免会在房屋、桥梁、运营地铁等建（构）筑物下穿越，盾构隧道施工会遇到在役或废弃的管线、基础桩等地下障碍物。目前对地下障碍物的处置方法主要是在盾构通过前预先拆除，但由此带来的额外处理费用比较高。例如，2007年上海轨道交通7号线一区间隧道下穿内环线高架道路遇到1根Φ800mm钻孔灌注桩，采用拔桩处理，为不影响高架道路通行，修建了临时高架道路，增加工程投资逾1000万元。因此，对于一些无法避开或直接清除费用较高的地下障碍物，如能通过改进盾构，直接切削破碎障碍物，对于加快建设速度和节省工程投资，缩短施工工期，具有重要意义。
　　许多学者对于盾构穿越地下障碍物的技术措施做了较为深入的研究，例如，杨自华等、马忠政等研究了盾构穿越桩基时采用的桩基托换技术；张健介绍了地铁盾构隧道穿越桩基的凿除技术；刘勇等对苏州轨道交通一号线盾构区间隧道穿过画桥桥桩的方案进行了比选论证，穿越段最终采用不绕避桩基的盾构法实施方案（需先拆除画桥，拔除全部24根桩基，后期再恢复画桥）；张武训等对盾构隧道穿越台铁、高铁下方挡土壁时，以人工敲除方式排除障碍进行了探讨；王占生等介绍了盾构连续切削穿越14根、最大直径为1200mm的桥桩桩基施工安全技术，并取得良好的应用效果。可见，国内目前盾构穿越障碍物主要采用托换、凿除、拔除等技术，盾构直接切桩穿越的案例较少。
　　而上海轨道交通7号线和10号线2个项目的区间隧道工程土压盾构掘进施工时，采取技术措施，在不拆除既有桥梁结构、保障交通功能的前提下，直接切削穿越地下群桩区取得成功。在工程施工前，采用Φ400mm的小盾构进行全断面切削钢筋混凝土的模拟试验，并取得了丰富的数据资料，为盾构切削混凝土桩基施工提供了技术支持。本文主要介绍该模拟试验情况、所得参数，及上海轨道交通7号线和10号线盾构切削穿越地下群桩的情况，包括盾构的改造、掘进参数控制和切削施工效果。
1　盾构切削混凝土模拟试验
　　采用小直径（Φ400mm）模型盾构，进行了3次切削试验，分别切削300mm厚的C30素混凝土、C20含1排钢筋和1排玻璃纤维筋的混凝土、C30含有1排钢筋和1排玻璃纤维筋的混凝土。
　　1.1　Φ400mm盾构模拟试验平台
　　试验采用Φ400mm盾构模拟试验平台，包括：1.2m×1.2m×2.4m模拟土箱、Φ400mm模拟盾构（外径412mm，开口率30％，最大推力50kN，最大扭矩3000N•m）、后靠及拉杆系统。盾构模拟试验平台如图1所示。


　　参考国内外相关资料，盾构切削穿越障碍物时，主要配置中心刀、超前保护刀和切削刀。试验模型的盾构刀盘开口率为30％，主要配置3种刀具：1把中心刀、9把超前保护刀和7把切削刀，刀具材料采用硬质合金刀头，进刀角和退刀角均设计的较大（15°）。
　　1.2　盾构切削C30素混凝土试验
　　Φ400mm模拟盾构切削厚度300mm的C30混凝土，图2为盾构切削C30素混凝土过程中，61～81mm的推进参数变化。盾构推力由20kN调整至25kN时，刀盘转速为4～6r/min；推力固定为20kN时，刀盘扭矩和推进速度逐渐趋于稳定；推力由20kN调高至30kN时，推进20mm用时42min，推进速度约为0.5mm/min。


　　1.3　盾构切削C20玻璃纤维和钢筋混凝土
　　本组试验为盾构切削C20玻璃纤维和钢筋混凝土，在不同的推进段内改变推力和刀盘转速，并在同一个推进段内对比加削解剂和不加削解剂2种工况下各参数的变化情况。本组试验总推进295mm，参数变化如图3和图4所示。




　　由图3可知，在1～2min时，刀盘转速设定为0.75r/min，推力设定为20kN，刀盘油压3～4MPa，推进速度1mm/min；约在12min时，刀具开始切削玻璃纤维，刀盘油压平均上升约1MPa；在39～60min时，刀盘转速设定为0.75r/min，推力设定为25kN，推进速度和刀盘油压均出现上升；在61～78min时，刀盘转速设定为1.3r/min，推力设定为20kN，刀盘油压稳定在3.5Pa左右，推进速度比较缓慢，约为0.4mm/min。图5为切削下的玻璃纤维碎屑，玻璃纤维具有一定的弹性，先行刀在玻璃纤维外表留下了很多刮痕。


　　图4为221～295mm的推进参数。在0～70min时，刀盘转速设定为2r/min，推力维持在20kN，刀盘油压设定为4MPa，推进速度在1mm/min左右；推进至70min，即275mm时，刀具开始切削钢筋，将刀盘转速由2r/min提高至3r/min，盾构则能够顺利地切削通过钢筋区域。钢筋的切削断面及切削轮廓见图6。


2　上海轨道交通7号线盾构切削厂房桩基施工
　　2.1　工程概况
　　上海轨道交通7号线陆翔路站—潘广路站区间隧道工程，采用Φ6340mm土压平衡盾构施工，盾构必须切削穿越上海康盛商用制造有限公司工业厂房的10根钢筋混凝土预制桩基。其中，厂房南侧有6根桩基、北侧有4根桩基，10根桩基的位置如图7所示。盾构隧道埋深约15m，桩基截面为350mm×250mm，长度约18m，主筋Φ18mm，混凝土强度等级为C30。
　　2.2　盾构改造和掘进施工参数控制
　　上海地铁土压平衡盾构的刀盘配置以切削软土的一般切削刀为主，为切削钢筋混凝土桩基，对盾构刀盘加装了65把先行刀，先行刀的高度大于标准切割刀15mm，以提高盾构破碎混凝土及钢筋的能力。
　　盾构第1次切削桩基从2008年12月9日开始，至14日结束。盾构设定土压力0.18MPa，推力7000～9000kN，刀盘扭矩为2000～2500kN•m，刀盘转速0.25r/min，推进速度5mm/min。在盾构的刀盘正面压注膨润土或泡沫剂以改善开挖面土体的和易性，从而降低刀盘扭矩，同时改良土仓内的土体，有助于桩体碎块从螺旋机内顺利排出。控制盾尾同步注浆量和浆液质量，每环的注浆量为盾尾建筑空隙的200％～250％，以降低地面沉降、增强隧道的稳定性。并根据地面沉降监测数据进行隧道管片壁后二次注浆。
　　2.3　盾构切削桩基施工效果
　　第1次切削过程中，每排3根桩所处位置与盾构刀盘面平行，切削过程中盾构姿态变化≤2cm；第2次切削过程中，每排2根桩所处位置与盾构刀盘面斜交，切削过程中盾构姿态变化稍大，达到了4～5cm。施工过程中地面沉降最大累计为22.51mm，变化率最大为1.17mm/d。





　　在隧道轴线通过的办公区域建筑物立柱上，布置了4个沉降监测点，分别为LZ1，LZ2，LZ3和LZ4，其沉降情况如图8所示。离隧道轴线最近的测点（LZ1）最大沉降达到了10mm，而其他测点的沉降大都小于4mm。
　　螺旋机出土中有切削出的碎石和钢筋，见图9。碎石直径最大为250mm，大致呈椭圆形。切削出的钢筋长度为300～1000mm，呈麻花状，表面有被磨损的痕迹，说明先行刀能够很好地切削混凝土，且Φ18mm钢筋能被刀具切断。从出土里发现了崩脱的数把先行刀，且刀尖均被磨损的较圆滑，见图10。






3　上海轨道交通10号线盾构切削桩基施工
　　3.1　工程概况
　　上海轨道交通10号线溧阳路—曲阳路区间隧道施工过程中，盾构必须切削穿越四平路上的沙泾港桥33根桩基，如图11和图12所示。盾构切削桩基处的隧道顶标高为－6～－7m，盾构轴线与桩基平面呈75°夹角。桩基截面为400mm×400mm，长度为26～27m，主筋为Φ18mm，混凝土强度等级为C25。
　　盾构切削桩基部分土体为灰黄－灰色黏质粉土夹粉质黏土，孔隙比为0.61，密度为2.06kg/m3，含水率为20.7％，内摩擦角为17°，黏聚力为0.333MPa，压缩模量为6.75MPa。
　　3.2　盾构改造
　　为顺利完成盾构切削桩基，对盾构的刀盘进行了以下改造：
　　1）刀盘面板加装1套先行刀与6把贝壳刀，以提高盾构破碎混凝土及钢筋的能力。
　　2）盾构推进系统增加微动功能，满足盾构以5mm/min的超低速掘进施工要求。
　　3）在盾构土仓合理位置设置观察孔，使施工人员在人行闸门开启之前能够充分掌握土舱中的情况，确保施工安全。
　　4）对土仓内螺旋输送机头部进行特殊处理，以应对可能会碰到的断桩及钢筋等。




　　3.3　盾构施工控制措施
　　1）控制盾构正面土压力，将压力波动控制在－10～10kPa。
　　2）控制推进速度。在穿越桥桩过程中，推进速度控制在5mm/min左右，推进过程中速度保持稳定，确保盾构匀速地穿越桥桩。
　　3）控制出土量。盾构开挖断面面积为31.57m2，每环理论出土量为31.57m2×1.2m＝37.88m3。在盾构穿越过程中，考虑到开挖土方量与盾构出土量的关系及出土总量，并以此为依据确定注浆量。
　　4）控制同步注浆量和浆液质量。采用惰性浆液，严格控制浆液的配合比，稠度控制在8.5～9.5cm。当漏浆情况不严重时，可通过加大盾尾油脂注入量封闭漏浆通道以阻止漏浆；当漏浆情况较为严重，常规方法无法处理时，可采取拼装管片，并在漏浆位置管片下方垫海棉条的方法进行有效封堵。
　　3.4　盾构切削桩基施工效果
　　下行线盾构切削桩基从2009年6月22日开始，至2009年6月29日结束。施工过程中刀盘转速稳定在0.64r/min，桥面沉降在12mm以内。
　　盾构总推力在切削第1排桩时的总推力稍大，为17000kN左右，随后推力逐渐减小，最小为12000kN。刀盘扭矩跳动较大，为1400～3000kN•m。切削过程中总体出土情况顺利，但由于受到切削下来钢筋的影响，需要通过螺旋机正转和反转，才能使得出土顺利。切削出的钢筋长度为20～30cm，如图13所示。


4　结论
　　采用Φ400mm的小盾构进行了全断面切削钢筋混凝土的模拟试验并取得参考数据，为工程实施提供了技术支持。上海轨道交通7号线盾构切削厂房桩基和10号线盾构切削沙泾港桥桩基施工，通过盾构的改造及施工过程中的有效控制等措施，得以顺利完成，并从中得到以下结论。
　　1）盾构始发前应对刀盘进行改造，在面板上增加一定数量先行刀和贝壳刀，对于类似工况下盾构切削混凝土桩基具有明显的效果。
　　2）如能对切削桩基四周的土层适当加固，可有效降低盾构切桩引起的位移沉降。
　　3）盾构切削桩基过程中推进速度宜缓慢（小于10mm/min），盾构设定土压、推力及刀盘扭矩宜稳定。
　　4）在盾构切削桩基过程中，应向土仓内添加润滑减摩材料，以防混凝土碎块堵塞螺旋输送机。在盾构通过后，应根据监测情况进行管片背后的二次注浆，以控制地面和建筑物的沉降。
　　5）采用盾构直接切削桩基与桩基拔除相比，具有施工经济、安全，对环境影响小的优点，可在类似工程中推广应用。