土压盾构截桩技术
发布时间：2012-04-17 10:36:32更新时间：2012-04-17 10:40:18
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摘要：随着盾构法隧道施工在城市交通工程
中的日益发展，隧道将不可避免地截除城市
中一些重要建(构)筑物桩基，稍有不慎，后
果不堪设想，因此采取有效的桩基托换，选
择合理盾构施工参数，增加必要的技术措施
成为盾构掘进直接截除桩基施工的关键。
关键词：土压盾构；截桩；技术
Abstract: With the method of shield tunnel construction in the urban traffic engineering development, tunnel will inevitably amputate city, some important structures and buildings things pile foundation, have a bit inadvertent, consequence is unimaginable, so take effective pile foundation underpinning, reasonable choice of shield construction parameters, increase the necessary technical measures of shield tunneling direct amputate become the key of pile foundation construction.
Key Words: soil pressure shield; cut pile; technology
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
长沙地铁2号线迎宾路站～芙蓉广场站区间左右线盾构均要直接截除芙蓉立交桥群桩基础，左右线共要截除天桥桥桩24根，主桥桩位于隧道上部不足5米，拟施工盾构隧道上方1.2米有一高5米电缆隧道，该立交桥为三层结构，局部开裂，在02年加固改造，天桥下方有天然气管、污水管等，桥的结构空间及周边环境极其复杂。
2 盾构直接截除桥桩施工风险分析
2.1风险辨识
2.1.1工程类比
该桥是90年修建，主桥桩直径为1000mm，长15m的人工挖孔桩，桥面为现浇整体梁，天桥桥桩直径为700mm的钻孔桩，桩长20米，底部为素混凝土桩，02年进行加固改建，目前局部出现裂缝。在其他城市地铁盾构隧道位于风化化岩旁穿桥桩时，桥桩下沉超过1cm［1］，因此，盾构直接截除该桥群桩基础，桥体一定会变形。
2.1.2沉降敏感环境
该桥空间结构复杂，拟建盾构隧道上方1.2m处有5m高的电缆隧道，电缆隧道顶3.8m为立交桥通道，地道下又有空洞、立交桥污水泵站、中压天然气和大直径给水管，这些管线属于敏感沉降，只要地层下沉就会使这些管线变形破坏而发生事故。
2.1.3盾构掘进风险
采用盾构机直接截除桥桩，盾构姿态不易控制，螺旋机易堵，导致施工不能连续，或者刀具磨损无法截除桥桩，而且，电缆隧道位于盾构掘进扰动区，操作出现意外，就容易使电缆隧道破坏，最终导致立交桥下穿地道地面塌陷。另外，盾构掘进中不能使切除后桥桩及时进行受力，地层沉降和桥桩差异沉降会造成桥体破坏，因此，盾构掘进是最大的风险。
2.2风险评价
2.2.1桥桩的临近等级划分
⑴分级界限
大量工程实例表明，当桩位于松动范围长度超过桩长的三分之一桩长或桩离盾构隧道距离小于2倍隧道直径时，盾构施工对桥桩影响较大。根据日本的《临近基础设计施工要点》和王占生在《盾构近距离穿越桥桩的研究》确定了4个桥桩临近界限。
①全部桩长在盾构隧道开挖影响破裂面范围之内；
②2/3桩长在盾构隧道开挖影响破裂面范围之内；
③1/3桩长在盾构隧道开挖影响破裂面范围之内；
④全部桩长在盾构隧道开挖影响破裂面范围之外。
⑵分级指标
桥桩临近等级的确定是评价风险等级的前提，单纯的以桩长或桥桩与盾构隧道的平面距离作为划分桥桩临近盾构隧道的等级不符合实际［2］。必须根据桥梁破裂面与盾构截除群桩基础位置关系来加以修正。
2.2.2风险定级
⑴风险等级划分
以桥梁临近等级把盾构掘进对桥梁影响基本风险等级划分为“风险很大、风险大、风险一般、风险小”4个等级。
⑵本工程风险等级修正
按风险等级化分，盾构截除群桩属于风险很大，但由于芙蓉立交桥陈旧、空间结构复杂、周边环境敏感，左右线盾构截除芙蓉立交桥群桩风险等级修正为特大风险。
2.3风险估计
2.3.1施工前沉降预测
⑴工程类比
根据本区间前期已施工情况，在强风化基岩下，盾构掘进后地面最大沉降量为23mm，在其他城市砂层旁穿桥桩引起桥桩最大下沉的有40mm，这种地层盾构掘进，如果不加固，掘进参数控制不到位，桥桩差异沉降一定会超过0.02%H(H指桥高)允许范围；
⑵经验公式计算
根据日本学者竹山.乔总结弹性有限元成果，并根据实测资料加以修正得出如下计算公式［3］：
δ1=2.3×104/Eu2(21-H/D)
δ2=δ1[1.7-B/(2D)]
δ1——单线隧道最大沉降量；
δ2——双线隧道最大沉降量；
H——隧道最大的覆土；
D——隧道直径；
B——两隧道净间距；
Eu2——土的弹性模量的权平均值。
已知盾构穿越群桩隧道覆土为20m，盾构开挖直径6.29m，两隧道间距为8m，由表1（地层参数表）求得土的弹性模量的权平均值Eu2。先掘进隧道地面理论沉降值为2.87mm，后通掘进隧道地面理论沉降为3.157mm。
表1 地层参数表
2.3.2立交桥下穿道地面沉降预测
根据《水利水电工程地下洞室围岩稳定性分析评价方法研究》，该盾构隧道开挖后，在不支护情况下有δmax≤R/k和δmin≤H/k，该盾构隧道开挖面岩体比较破碎，而且遇水极易软化，如果掘进在这种地层中控制不好，围岩容易失稳，在前期施工中，中风化泥质粉砂地层曾发生超挖现象。由于盾构隧道顶离电缆隧道底只有1.2m，电缆隧道采用爆破开挖已对岩层进行了扰动，因此，盾构掘进容易造成电缆隧道下沉破坏。又由于电缆隧道上方3.8m为立交桥下穿通道，该地层为强风化泥质粉砂岩，一旦电缆隧道变形破坏，在行车动载下，立交桥下穿通道地面会出现沉降超限，甚至地面塌陷。
2.3.3截桩后承载力损失
根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002以及勘查提供桩侧阻力和桩端阻力地质资料计算，截桩后承载力损失20%左右、安全系数降为1.5。
2.3.4工后沉降预测
根据经验，盾构施工沉降只占总沉降65%左右，如果同步注浆控制不好，工后沉降会更大［4］。
2.3.5施工风险分析
通过查阅相关资料，该桥的允许差异沉降≤2mm。但预测沉降量比允许值大，因此，盾构截桩施工中，该桥有面临变形破坏和下穿通道地面塌陷的风险。
2.4风险决策研究
2.4.1处理对策
⑴根据计算沉降预测值比该桥允许的沉降要大，需要提前进行阀板群桩桩基托换；
⑵根据立交桥空间结构复杂，风险较大，需要对沉降敏感的天然气管线进行改移；
⑶为了使桥的承载力转移在阀板上，盾构掘进前需要对阀板以下地层进行注浆加固；
⑷根据芙蓉立交桥交通量大、重车较多，盾构掘进时需要采用I40工字钢进行临时支撑加固。
2.4.2施工安排
⑴天然气管线必须“先改移后进行桩基托换”，桩基托换必须“先施工阀板后注浆加固”；
⑵盾构截除桥桩之前先对盾构机进行优化改造后进行掘进模拟确定盾构掘进参数；
⑶截除桥桩时必须采取分区分块控制，并实行“边掘进边同步注浆控制沉降”；
⑷施工后根据监测及时进行跟踪注浆控制工后沉降，必要时采取隧道拱部径向应急注浆。
3 阀板基托换关键技术
3.1.敏感构筑物改移
对照业主提交的地下管线图，首先分析盾构掘进对哪些管线有影响，然后，采用物探对需要改移管线进行确认，并在现场进行标示，最后与产权单位沟通进行管线改移。
3.2阀板基础开挖
根据盾构隧道与桥桩平面关系，首先确定需要托换的桥桩。然后用挖机把桥桩之间地面土挖除80cm，最后用人工清理基底，对开挖的基础进行安全防护。
3.3注浆管预留
人工清理基底后，采用地质钻机钻注浆孔，注浆孔采用梅花型布设，孔深以插到持力层为准，孔间距为1.5m，钻孔后立即安设袖阀管，注浆管要高出阀板顶面20cm。
3.4阀板施工
注浆管安设完后，首先施工一层厚5cm混凝土垫层；然后在桥桩上植筋，并用钢筋把桥之间连接成一体；最后浇筑混凝土使阀板和群桩连成整体。
3.5托换系统力的转换
阀板施工完后，在注浆孔里采用跳孔后退式注浆对阀板底部，注浆时进行受力监测，当桥的承载力转移到阀板上就停止注浆，实现群桩托换系统力的转换。
4 盾构机优化设计关键技术
4.1受力分析配置刀具
盾构设计时，通过刀具截除桥桩时受力较大，在刀盘周边均匀布设6把周边滚刀，提高盾构机切除桥桩的能力。
4.2完善盾构微震动功能
刀盘采用铸造代替焊接，并增加刀盘厚度来增加刚度和强度，同时采用被动铰接减少铰接油缸的有效伸缩量，使盾构推进系统实现微动功能。
4.3增设桥桩应力视频监控
在即将截除的立交桥桥桩上安装应力计，并安设视频把应力计变化读数接入盾构操作室，使盾构操作手能随时掌握盾构机截除桥的状况和工作面情况。
4.4设置土舱观察孔
在盾构土仓上部设置观察孔,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。
4.5刀盘焊接非封闭式格栅
在刀盘开口较大地方焊接非封闭式格栅，避免断桩及大快桩体进入土仓堵塞螺旋机。
4.6螺旋机上增设检查口
在螺旋机“炮筒”上开设一个40×40cm的检查口,之后用闷板封住,闷板与“炮筒”间用法兰连接，一旦盾构截除的桩渣堵塞螺旋机，立即打开检查口清除堵塞物。
4.7增设带压进仓破除辅助设备
在土舱内盾构胸板位置安装上下攀登与横向的工作平台，设置换气、给排水和能满足风搞破除的高压风接头。
4.8盾构机维修保养
盾构截桩前，对刀盘及刀盘驱动系统、推进系统、螺旋机系统、人行闸等主要系统进行彻底
保养和深度检查,确保各系统功能正常,以有效应对施工过程中可能发生的气压法施工及盾构切桩等工况，对各系统主要部件准备充足的备件以应对有关零部件损坏时及时更换需要。
5 盾构掘进施工关键技术
5.1掘进截桩的模拟
5.1.1截桩参数模拟
本区间盾构始发是玻璃纤维筋钻孔灌注桩，不需要破除，直接进行盾构掘进始发，因此，始发时，通过左右线盾构截除车站围护桩总结出经验，刀盘转数控制在1.2转，速度控制在3cm/min以内，扭矩波动小。掘进速度大于5cm/min时，推力较大，姿态不易控制。
5.1.2截桩沉降控制模拟
在盾构即将进入桥桩前，通过严密沉降监测对不同掘进参数和不同同步注浆材料对施工沉降的影响研究，得出以下结论，运用具有抗水分散性同步注浆浆液和及时补注浆，地面沉降能控制在2mm以内，采用常规砂浆进行同步注浆，补注浆不及时，沉降会大于5mm；
5.2盾构截桩技术准备
5.2.1桥桩监测启动
首先，按照设计和规范布设监测点，并进行原始数据的采集，然后，针对桥的特殊情况和前期监测情况，对立交桥进行监测报警分级，当沉降＞0.2mm/d或差异沉降＞2mm时进行预警值；最后进入24小时监测状态。
5.2.2停机检修
当盾构离桥桩20m时，选择地层较好的地方停机，对盾构机的主要部件进行检修，对寿命不足%40的零部件提前进行更换。同时，成立应急抢修队，对盾构截桩期间盾构发生故障及时排除。
5.2.3施工交底
由项目部对左右线进行施工交底，一是向大家讲明盾构直接截除桥桩会出现地面塌陷、桥梁变形破坏风险。二是向操作手提供各截除桩的位置里程及环号。三是要求盾构截桩严格进行分阶段分区控制。四是根据施工监测动态调整施工参数。
5.3施工管理
5.3.1掘进原则
以“慢慢的推，分小段推；慢慢的转，均匀的转；顶住正面，调整压力；封住盾尾、合理注浆”的技术掘进原则。
5.3.2掘进工况控制
采用区域控制掘进法，就是把盾构机周围的三维空间分为几个区域，投影到平面和纵剖面上(见图1)。通过预测各区域的隆起或者沉降，再结合地面桥桩的相对位置，动态调整施工参数。
图1分控掘进法纵剖面投影
⑴当桥桩位于工况1时，盾构采用欠土压掘进，而且，刀盘转数控制在1.2转，掘进速度控制在3cm/min，严格控制在出渣量，尽可能做到施工过程微扰动，同时采用工字钢对桥体进行临时加固。
⑵当桥桩位于工况2、3时，盾构采用半敞开掘进，而且，刀盘转数控制在1.2转，掘进速度控制在4cm/min，严格控制扭矩，尽可能减少盾构姿态偏差。
⑶当桥桩位于工况4时，盾构采用土压掘进，刀盘转数控制在1.5转，掘进速度控制在6cm/min，严格控制注浆量，并采用抗水分散性同步注浆浆液，同时尽可能减少管片拼装偏差。
⑷当桥桩位于工况5时，盾构采用土压掘进，刀盘转数控制在1.5转，掘进速度控制在3cm/min，立即进行补注浆，尽可能缩短桥桩悬空时间。
⑸当桥桩位于工况6时，根据刀盘是否进入第二根桩而动态调整掘进模式，但必须根据监测结果来决定，如果超出报警，立即进行管片背后径向补注浆和地面跟踪注浆，确保桥量沉降控制在允许范围内。
5.3.3信息反馈
盾构截桥桩前后，通过应变计的变化来控制推力的大小及扭矩控制，确保桥体受力均匀。同时通过桥桩沉降监测及时分析后反馈到操作室，便于操作手动态调整参数。
6 施工效果评价
6.1左线掘进
该区间左线于5月10日进入桥区，施工日进度8环/天，截除4根桥桩，桥桩最大沉降不足1mm，于5月25日顺利到达芙蓉广场站，充分说明阀板群桩托换技术的先进性。
6.2右线掘进
右线于6月28日进入桥区，施工日进度10环/天，截除21根桥桩，桥桩最大沉降不足2mm，于7月4日顺利到达芙蓉广场站，充分说明盾构机优化改造科学合理。
6.3周边构筑物情况
左右线掘进后1个月，天桥下穿通道地面最大沉降为3mm，电缆隧道安全，其他管线在允许范围之内。充分说明盾构掘进参数控制有效，措施到位。
6.4施工评价
8月15日，业主组织相关专家对盾构截除桥桩施工进行验收，通过第三方监测和桥梁管理处自己监测沉降与我方监测基本一致，充分说明阀板与跟踪注浆托换技术先进，掘进过程中措施到位，实现了盾构直接截除群桥零沉降，要求在今后类似工程中进行推广。
7 结语
实践证明，盾构直接截除群桩必须保证盾构机完好率为前提；提前进行阀板与注浆加固进行桩基托换技术可靠、工艺简单、成本较低；同时针对所处的地理环境和工程地质情况制定切实可行的掘进方案和相关措施非常必要，并且要制定详细的应急预案，只有这样才能保证桥的运行和施工安全。
参考文献
［1］李权，陈寿根、张恒等《盾构隧道下穿立交桥地表沉降分析》［J］. 四川建筑， 2010.10第30卷5期：P105~108.
［2］李兆平，汪挺，项彦勇等《北京地铁工程临近桥桩施工风险评估机控制对策探讨》［J］.岩土力学,2008年29卷第7期：P1838~1841.
［3］李宏安《北京地铁10号线盾构下穿桥桩工程沉降计算公式的应用》［J］.第四届中国国际工程研讨会论文集,2009年:P561~565.
［4］方勇，何川《地铁盾构隧道施工对近接桩基的影响研究》［J］.现代隧道技术,2008.2.第45卷第1期: P42~47.
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