浅析盾构穿越地下障碍物关键技术

浅析盾构穿越地下障碍物关键技术

陈万忠

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司陈万忠，陕西省西安市，710054

摘要：现代城市的快速发展使得城市交通压力随之剧增，一些大中型城市纷纷开始发展地下交通建设。而由于不同的城市地质条件以及地下环境存在着较大的差异，使得盾构在地铁施工建设过程中，经常需要穿越一些障碍物。文章对盾构在地下连续墙、加固基桩中运用到的关键技术进行了探讨。然后，文章已上海轨道交通7号线盾构切削厂房桩基工程施工为例，对盾构穿越地下障碍物关键技术的实际应用进行了分析。希望本文的研究对于提高我国盾构施工技术，能够有一定的推动作用。

关键词：盾构、地下障碍、关键技术

城市地面空间的有限性和城市交通压力的与日俱增之间的矛盾，使得发展地下交通管线成为当前很多大中型城市的必然选择。然而，在城市的建设过程中，会产生大量的各种在役或者废弃的基础桩、管线或者其他构筑物，这些构筑物的存在使得盾构地下隧道施工必然面临许多的障碍物，也会增加施工的难度。当前，国外面对相关的问题，一般是在盾构通过之前，对相关障碍物进行拆除或者临时改变隧道限度，但是这往往会造成成本的增加和设计的变更。直接切削穿越障碍物的工程实例当前还比较少，但这一工艺更为符合我国的现实国情。因此，从这个角度来看，文章对盾构穿越地下障碍物的关键技术进行研究能够有助于缩短盾构隧道的施工工期、节省整个工程投资以及保护环境，因此具有非常重要的现实意义。

1盾构穿越地下连续墙的关键技术

随着城市经济建设向前高速发展，隧道的建设将越来越多，盾构施工过程中也将会碰到很多地下障碍物。作为城市复杂地下环境中盾构隧道穿越前方障碍物的施工关键技术研究，尤其在我国国内很多的地区都是软土地区，国内还是一片空白，国外的类似工程的实践经验也不多。本项目结合上海施工技术水平和经济情况，开发适用于地区特点的盾构隧道穿越前方障碍物施工技术，同时保护施工时周边环境与构筑物。地下连续墙在现代的盾构施工过程中是较为常见的一种障碍，如果要绕过地下连续墙对设计的变更过大，而提前拆除又太不经济。因此，通过盾构直接穿越地下连续墙是一种可行性更高的施工工艺。地下墙一般配有钢筋或者玻璃纤维筋，混凝土强度一般在C20和C30。由于混凝土一般具有较强的强度和耐磨性，因此会造成盾构刀具的磨损。为了降低盾构刀具的损伤，可以在这个过程中，采用混凝土消解剂，使得混凝土强度得以降低，减少盾构机切削混凝土的时候造成的刀具磨损。因此，在盾构机穿越地下连续墙之中所使用的关键技术就是混凝土消解技术，消解剂的性能指标为：PH值为2～2.5，颜色为淡黄色液体，密度为1.0g/cm3，添加混凝土消解剂时盾构机以及其管路的布局如下图所示：

图1盾构机添加混凝土消解剂时盾构机以及其管路的布局

通过实证分析发现，采用混凝土消解剂配合盾构机穿越连续墙能够通过主切削与先行刀的结合，实现强度在C30一下的混凝土切削，在这个过程中，要将推进速度控制在每分钟1cm之下，刀盘转速则应该适当提高，但是要对推力大小进行准确控制。

2盾构穿越加固土体基桩关键技术

在盾构的实际工作过程中，也容易遇到基桩埋入未加固或者加固强度不尽相同的土体之中的情形。在这样的工况之中，主要是通过对土地强度的测量，调整刀盘的转速以及推进速度实现的。通过实际研究发现，在切削土体之中的基桩过程中，随着土体强度的提高，基桩发生位移的情况会逐渐减少。在实际的施工过程中，应用到的盾构穿越加固土体基桩关键技术如下所示：

（1）先行刀与主切削刀的组合，能够满足对不同强度土地之中基桩的切削需求；

（2）加固土体之中的切削有更好的效果，对于基桩强度较高的地下障碍，应该先行加固土体，加固的强度不应该低于0.8MPa，具体的加固方式可以采取旋转高压灌浆方式，如果对桩位已经非常清楚，则可以灵活的采用喷口旋转和摆动两种施工方式。水灰比可采用1：1，水泥（425普通水泥）掺量20%，确保加固体强度；

（3）在实际的施工过程中，在完成一排或者一个基桩的切削之后，可以对盾构刀盘进行正反装操作，加快其内部的泥水循环并且进行逆洗，清理刀盘之中残留的碎屑，确保后续施工的连贯性；

（4）推进速度不宜过快，应该严格控制在每分钟1cm之下，刀盘转速可以根据基桩的强度以及土体加固强度的不同进行细微的调整。

3盾构穿越地下障碍物关键技术的实证研究

3.1工程概况

本文选取的是上海市轨道交通7号线罗店中心镇公共交通配套工程L-2C标陆翔路站—潘广路站盾构区间工程，需穿越沪联路725号上海康盛商用制造有限公司工业厂房钢筋混凝土桩基10根，上行线盾构机分别直接切削厂房南侧6根桩基、厂房北侧4根桩基。

隧道推进采用的盾构机为一台日本小松公司生产的外径Φ6.340m、长度7.655m的土压平衡式盾构机。

3.2盾构穿越桩基的实际情况以及与上行线隧道位置关系

根据上海市轨道交通7号线罗店中心镇公共交通配套工程L-2C标的相关治疗显示，盾构在本标段进行推进的时候，分别需要对上海康盛商用制造有限公司工业厂房南侧的钢筋混凝土桩基6根，北侧的钢筋混凝土桩基4根，具体的位置以及切削运用技术情况如下所示：

（1）对于上海康盛商用制造有限公司工业厂房南侧的钢筋混凝土桩基6桩基，首先要确保盾构的推进轴线与桩基的断面垂直，通过对上海康盛商用制造有限公司工业厂房桩基的实际情况的调查，发现1/P的两根桩基排成了1列，方向平行为盾构的推进周线，而前排的一根转接则需要对其行3.171m桩端切除，后排的一根需要行3.83m桩端切除。在切除的过程中，要确保中心刀的边缘到桩基的最小距离为2.031m，1/Q的4根桩基则是呈两列排列分布的，其分布方向与盾构的推进轴线平行，前排的两根桩基分别需要切除6.014m的桩基切除与4.563m的桩端切除。最后排的两根桩基则分别需要切除5.981m桩端以及4.464m桩端，此时要确保中心刀的边缘例桩基的最小距离为0.351m。

（2）对于上海康盛商用制造有限公司工业厂房北侧的钢筋混凝土桩基4根桩基的切除，要确保盾构的推进轴线与上述4根桩基的桩断面始终保持斜交状态。M轴的前排有两根，对其桩端需要分别切除9.119m以及4.871m，此时需要保持中心到边缘与桩基的最小距离为0.179m。据上海康盛商用制造有限公司工业厂房桩基的设计资料显示，该桩基是方桩，其界面大小为为350×250mm，混凝土强度为C30，4根Φ16受力钢筋。桩基截面配筋图如下图所示：

图2上海康盛商用制造有限公司工业厂房桩基设计示意图

同时，根据实地勘察并且结合设计资料，发现上行线需要切刀的桩基一共10跟，没根桩基切除的都是桩端，桩接头并不在隧道的断面内部。

3.3关键技术的采用

为了确保在对上海康盛商用制造有限公司工业厂房桩基切除的时候，部队其产生破坏性的影响，确保该工业厂房的正常生产运作。本次的盾构穿越地下障碍物采用的关键技术是自携式破碎障碍物和地基加固技术，该技术包括刀盘、土仓等元件，土仓位于刀盘和刀盘驱动机构之间，刀盘驱动机构和刀盘连接并控制刀盘的转动，土仓、刀盘驱动机构、人行仓、第一钻探机、第二钻探机、拼装机、螺旋机位于盾构外壳体内，第一钻探机和第二钻探机分别位于螺旋机的一侧，车架连接桥固定在螺旋机的一端，拼装机和第二钻探机转动连接，推进油缸位于螺旋机和盾构外壳体之间，球铰位于连接螺栓的一侧，导向管、球阀、管接头、控制阀组位于同一直线上，导向管和管接头分别位于球阀的两侧，管接头与第二钻探机固定连接。采用该技术破碎前方障碍物使盾构机能正常向前推进，并向盾构前方开挖面及周边喷射浆液进行加固。

除此之外，还需要对刀具进行改制。在出洞之前，考虑到有可能出现的各种情形，并且借鉴国内外的盾构施工的相关经验，对盾构刀盘进行了有针对性的改造，原盾构的标准割刀保持不变，在盾构刀盘上新增加65把先行刀，其参数为：在R700到R3175的范围内先行刀以等距布置为主；先行刀的高度按大于标准割刀15mm。

3.4施工效果

在整个施工的过程中，地面的最大沉降累积仅为22.51mm，而变化率最大的仅为1.17mm/天，盾构机穿越上海康盛商用制造有限公司工业厂房桩基之后，未影响该公司工业厂房的正常生产。这说明采用的自携式破碎障碍物和地基加固技术起到了较好的效果。切削过程中出土非常顺利，切削出的钢筋长度为300mm-1000mm，基本均呈麻花状，表面也有明显的磨损痕迹，这说明盾构的先行刀很好的切割了混凝土，而且桩基钢筋能够被刀具切断。这说明对刀具的改制是成功的，而且也是符合工程的实际需求的。

4结语

盾构切削地下连续和地下群桩等施工技术。通过本项目的研究，城市隧道施工技术有了新的突破，对于加快隧道建设速度和节省工程投资，缩短施工工期，有重要的意义，将为今后城市密集区地下空间综合利用和开发提供必要的技术保障。盾构在现代城市地下交通管线建设之中的应用越来越多，而在实际的应用过程中，也不可避免的会遇到地下障碍物的穿越问题。文章对盾构穿越地下障碍物的相关关键技术进行了大致的分析，着重探讨了盾构穿越连续墙以及桩基两种障碍物的基本关键技术。并以上海市轨道交通7号线罗店中心镇公共交通配套工程L-2C标为例对盾构穿越上海康盛商用制造有限公司工业厂房桩基采用的自携式破碎障碍物和地基加固技术以及刀具改制技术进行了分析，结果效果非常好。最后也希望本文的研究能够有助于提升我国的盾构施工过程中穿越障碍物的能力。

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