一种粉土地层盾构切桩过河的施工方法与流程

本发明属于盾构穿越切除既有桩基技术领域，尤其是涉及一种粉土地层盾构切桩过河的施工方法。

背景技术：

近年来，随着城市地铁及相关市政工程的大规模建设，盾构隧道在国内的应用越来越多。在盾构穿越阶段，时常会遇到既有建筑桩基需要进行拔桩等施工方法将桩基切除，使得盾构正常穿越，但这类施工方法工期长，施工成本高，且对施工环境要求较高，往往不能达到预期施工效果。

采用普通切桩施工方法存在的风险较多。比如盾构机切桩过程中如果掘进速度过快，很容易造成盾构机卡住，同时上行线隧道断面一侧有桩基侵入，另一侧为地层原状土。在掘进过程中的姿态控制难度较大，如若造成盾构机蛇形前进，也增加了盾构机卡住的风险；盾构机也可能受到严重损坏，影响后续施工。掘进的桩尖，断桩头可能随着盾构机一起前进造成地层超挖，影响地面沉降的控制以及后续房屋、管线的安全；除此之外，盾构螺旋输送机可能被钢筋卡住，盾构机无法正常运转。盾构机切削桩基后，桩基中的钢筋将进入螺旋输送机，钢筋有可能被卡在螺旋叶片和螺旋机套筒内壁之间的间隙，造成螺旋机卡死，影响后期掘进；若穿越后的桩将以点状荷载作用在隧道管片上，并将荷载直接传递到隧道衬砌，在地铁运行期间隧道和桥梁相互作用，会给两者的安全使用带来隐患；当盾构机穿越河流时，由于覆土较浅、土体稳定性较差，容易造成河底穿孔，河水倒灌。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种粉土地层盾构切桩过河的施工方法，方法步骤简单，设计合理且施工简便、施工效果好，能有效对既有桩基切除并成功穿越地层，周期短且成本低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

这种粉土地层盾构切桩过河的施工方法，包括以下步骤：

1)材料准备：做好管片壁后二次注浆准备工作；提前检修二次注浆设备；预备注浆头以及与注浆头、注浆机配合连接的注浆管，预备管片开注浆孔用冲击钻；预备水泥、水玻璃、注浆用逆止阀及手孔塞；

2)盾构切桩基具体措施：切桩施工控制：盾构在切桩基的过程中控制土压力、刀盘扭矩、注浆压力和出土量各项重要参数；监测控制：布置测点测好初值，盾构穿越桩基前或盾构穿越桩基后，做好隧道轴线、地面沉降变形及建筑物变形的监测工作，根据监测数据控制施工全过程；下穿河流施工控制：河流的覆土高度不足一倍的盾构直径，则推进前对桥梁进行加固，同时加强对近距离桥桩的保护和防止河水灌流；不明障碍物的施工措施：根据区间物探报告，分析障碍物的位置，在推进过程中关注刀盘扭矩的变化和推力的变化；管线保护措施：施工前对区间沿线管线进行排查落实；在整个切桩过河施工过程中，使膨润土注入系统处于可工作状态，在发生土压突变或掘进进尺量与出土量不匹配现象时，向土仓内注入膨润土，注入压力高于掘进时土压力；

3)盾构推进参数设定：盾构在穿越桩基的过程中，控制推进速度和土压力参数；盾构在接近桩基时放慢推进速度，向刀盘加注润滑剂；盾构的刀盘贴近桩基时推进速度再放慢；盾构的刀盘切桩时刀具以慢推速磨切混凝土和钢筋；推速一定的情况下，刀盘以中等转速切桩；提高切桩时土舱压力设定，在动态出土过程中，将土压稳定保持在一个高位，先关闭排土闸门，盾构闷推前进，待土舱压力升高到比设定土舱压力高后，手动出土，控制闸门开口率不超过10％，土舱压力降到设定土舱压力后关闭闸门，继续闷推，如此循环；盾构切桩通过后，选择强度低、凝固慢的浆液类型，注浆量参考盾构前期在相同土层中掘进的情况，再根据桥梁沉降监测数据进行调整；压浆时对压入位置、压入量及压力值均作详细记录，根据地层变形监测信息进行调整；盾构均衡匀速施工，控制盾构姿态变化，每环检查管片的超前量；推进时采用稳坡法、缓坡法推进；盾构切桩过程中进行姿态控制，切桩时刀盘和桩体全面接触，两者之间无偏度；在盾构的刀盘正面压注膨润土改善开挖面土体的和易性，加膨润土时控制量和压力，膨润土的压注量与盾构的出土量相互匹配；配备手持红外线温度计判断土仓内部温度情况；在螺旋机喷涌情况发生时关闭前后闸门；定期检查盾尾油脂管路和油脂泵，选用质量好的盾尾油脂；通过每日掘进记录了解盾尾油脂注入系统的工作情况，提前预判故障，并进行修理；

4)下穿河流的施工措施：控制盾构土压力平衡；控制盾构的推进速度；控制盾构纠偏量：推进时每环检查调整一次管片的姿态，采用稳坡法、缓坡法推进，使盾构均衡匀速推进，控制纠偏量以减少盾构施工对地面的影响；控制同步注浆量和浆液质量；

5)盾构穿越桩基后的控制技术：盾构盾尾脱出桩基区域后，对该区域段隧道进行二～四次注浆，具体压浆量根据地面沉降监测数据的情况进行调整。

作为优先：在步骤1)前，进行盾构设备检查，检查同步注浆系统、泡沫注入系统，检查土压平衡系统，检查盾尾油脂注入系统，检查铰接密封系统，检查隧道内排水系统，检查通讯系统。

作为优先：所述步骤3)中，盾构的刀盘切桩时刀具以1～3mm/min的慢推速磨切混凝土和钢筋，盾构的推力和扭矩分别控制为13000～18000kn和2500～3500kn·m。

作为优先：所述步骤3)中，推速一定的情况下，刀盘以1.2～1.5rpm的中等转速切桩。

作为优先：所述步骤4)中，盾构的推进速度控制在2～3cm/min。

作为优先：所述步骤4)中，必要时向土仓内加注土体改良剂。

本发明的有益效果是：

(1)方法步骤简单、设计合理且施工简单方便，投入成本较低，实际工程操作实施性强；

(2)通过本发明所述方法可以提高下穿掘进效率，控制盾构机姿态，从而降低隧道发生事故的可能性，为后续成功穿越打下有利基础；

(3)实用价值高且使用效果好，相比现有的下穿暗挖隧道施工方法，缩短了施工工期，较大降低了施工成本；

(4)适用面广，能有效适用于所有暗挖隧道施工及盾构加固特别是复合地层等地质情况复杂的地质，保障了盾构后续穿越工作顺利进行。

附图说明

图1是本发明的方法流程框图。

图2是盾构隧道与桩基位置关系横剖面图

图3是刀盘耐磨焊加厚示意图。

图4是检查孔处l型挡板布设示意图。

图5是检查孔处l型挡板布设剖面图。

附图标记说明：1—盾构；2—桩基；3—刀盘耐磨焊加厚层；4—l型挡块；5—螺旋机出土口；6—检查孔；7—检查孔盖板滑动区域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1所示的一种粉土地层盾构切桩过河的施工方法工艺流程。如图2所示的盾构1隧道与桩基2位置关系横剖面图。盾构机刀盘两边是大合金圆形，中间是一条合金，保证整个切割面都是合金。切砼先行刀两侧为大圆角设计，刀盘旋转时可以减小冲击；切砼先行刀顶部的刀刃比较窄，受力小，易切割，在接触到钢筋时，更有利于切割。如图3所示,在刀盘面板增加3mm厚耐磨焊形成刀盘耐磨焊加厚层3。若在盾构1穿越桩基2的过程中，刀盘切削桩基2，破碎混凝土堵塞螺旋机出土口5，导致螺旋机出土不畅，从而无法继续实施推进。当螺旋被卡时，在打开检查孔6和切割探孔前，要做好应急准备工作。如图4、5所示,此时在检查孔6或预开探孔位置周围双向平行焊接l型挡块4，所述l型挡块4可采用3～5cm厚钢板切割而成，l型挡块4通过螺栓与检查孔6相连接，在紧急情况下沿检查孔盖板滑动区域7方向推入盖板，拧紧螺栓。所述l型挡块4的具体尺寸要考虑盖板插入时的空间和不影响安装螺栓而定。

实际在盾构1穿越桩基2时，如桩基2出现断桩现象，采取的施工措施如下：

1)盾构1注入添加剂，如泡沫、膨润土，进行土体改良。并通过刀盘的正反转将断桩切入土仓内或挤开。

2)如遇断桩影响盾构1施工,盾构1停止推进。利用盾构机主机的注浆孔对盾构机前方进行超前注浆，使得盾构机前方的土体有一定的强度，保证盾构1开挖面的土体强度的均匀性，再进行盾构1掘进。

3)必要时进行开仓作业施工。

具体过程如下：

1)盾构机设备检查：

1-1)同步注浆系统、泡沫注入系统检查

对注浆管路进行清理，确保四路管路均可使用；全面检查、保养注浆泵，确保可用；对注浆压力传感器进行维修，保证每个注浆压力显示均正确；对发泡管路进行清理，特别是进入刀盘前的发泡剂管，确保可用。

1-2)检查土压平衡系统

盾构机在始发前更换新的压力传感器(土仓压力传感器和螺旋输送机压力传感器)，并在前期掘进过程中密切注意压力变化，分析压力传感器是否损坏，如果损坏，及时进行更换。

1-3)检查盾尾油脂注入系统

为确保盾尾注浆不漏浆或少漏浆、防止盾尾“喷涌”，必须对盾构油脂注入系统进行检修，保证油脂泵工作正常、油脂管路通畅，调整油脂注入压力，确保油脂注入量。

1-4)检查铰接密封系统

为防止铰接密封失效致使铰接部位漏浆甚至“喷涌”，必须对铰接密封系统进行检修，沙层掘进过程中，必须按照机械管理规程按要求频率检查、保养铰接密封系统，确保完好可用。

1-5)检查隧道内排水系统

为防止由于盾构1掘进发生“喷涌”而影响施工，须对隧道内排水排污系统进行全面的清理检查，并准备足够的隔膜泵以备用。

1-6)检查通讯系统

须对上下通信线路和设备进行检修，确保施工过程中和紧急情况时上下联系通畅。

2)其他材料准备：

做好管片壁后二次注浆准备工作，做到随时可以启动二次注浆措施。提前检修二次(双液)注浆设备，确保可用。准备6～8个注浆头，准备10～15m长的注浆管并能与注浆头、注浆机连接完好，准备管片开注浆孔用冲击钻两把。水泥日常储备不少于20t，水玻璃日常储备不少于2t，注浆用逆止阀及手孔塞若干。

3)盾构1切桩基2具体措施：

3-1)切桩施工控制

切桩时必须放慢推进速度，合理设置盾构机参数。盾构1在切桩基2的过程中，必须严格控制土压力、刀盘扭矩、注浆压力、出土量等各项重要参数，尽量减少推进过程中桩基2自身整体位移等情况发生。

3-2)监测控制

布置测点测好初值；盾构1穿越桩基2前或穿越后，做好隧道轴线、地面沉降变形、建筑物变形等监测工作，根据监测数据有效控制施工全过程。

3-3)下穿河流施工控制

河流的覆土不足一倍的盾构1直径，推进前对桥梁进行加固，同时加强对近距离的桥桩的保护和防止河水灌流。

3-4)不明障碍物的施工措施

根据区间物探报告，分析可能存在的废弃桩基等障碍物，大致判明位置。在推进过程中要关注刀盘扭矩的变化，推力的变化，当扭矩增加总推力增大，abcd四个分区有推力剧增，侧滚剧变说明碰到桩。

3-5)管线保护措施

根据业主提供的地质资料和设计文件，施工前应对区间沿线管线进行排查落实。

3-6)在整个切桩过河施工过程中，膨润土注入系统处于可立即工作状态。在发生土压突变、掘进进尺量与出土量不匹配(超挖)现象发生时，立即向土仓内注入膨润土。注入压力要高于掘进时土压力，以保证超挖区域被膨润土充分填充，减少沉降。

4)盾构推进参数设定：

盾构1在穿越桩基2的过程中，必须严格控制推进速度和土压力等参数，尽量减少桩基2自身整体位移情况的发生。盾构1在接近桩基2的6m处，推进时必须放慢推进速度，推进速度控制在1cm/min，为了防止前面土体形成泥饼，适量向刀盘加注润滑剂，改善土体顺利出土；盾构机刀盘贴近桩基2，推进速度进一步放慢。盾构1掘削大直径桩基2以“慢推速、中转速、保土压、注惰浆、控姿态”为核心控制技术。

4-1)慢推速

盾构1刀盘切桩以“磨削”为基本，刀具应慢推速、小切深地磨切混凝土和钢筋。考虑到本工程较以往类似切桩工程难度更大、风险更高，因此应采取更慢的掘进速度，控制在1～3mm/min；若切桩过程中盾构1推力扭矩过大，不仅将影响到盾构1自身安全，也会对桥桩产生较大的作用力，进而影响桥梁结构安全，因此参考案例经验，将推力和扭矩控制范围分别拟定为13000～18000kn和2500～3500kn·m。

4-2)中转速

在推速一定的情况下，刀盘转速较大，虽然会降低刀具对桩基2的单次切削深度，有利于降低推力扭矩，但另一方面，转速大时刀盘外边缘刀具的切削线速度则必然大，会使刀具接触桩基2时受到较大的冲击荷载，从而容易导致合金崩裂甚整块崩脱。因此，为兼顾控制推理扭矩和保护刀具的双重需要，刀盘转速不应过大也不应过小，以中等转速为宜，转速控制在1.2～1.5rpm左右。

4-3)保土压

保土压是控制桥梁沉降的关键。与通常掘进不同，切桩施工引起的扰动主要在刀盘位置，而桥桩和墩台的承载力来源于其周边土体的支持，因此盾构1切削桩基2施工时应尽可能减少对周围土体的扰动，特别防止土体过量沉降和变形，故切桩时土舱压力设定应适当地提高。同时在动态出土过程中，应将土压稳定保持在一个高位，具体可通过“闷推”来实现：先完全关闭排土闸门，盾构机“闷推”前进，待土压升高到比设定土压高后，手动出土，控制闸门开口率不超过10％，土压降到设定土压后立即关闭闸门，继续“闷推”，如此循环。

4-4)注惰浆

盾构1切桩通过后，被切断的上部残桩将作用于壁后注浆的浆液中，为防止上部残桩继续下沉后而对管片衬砌产生集中荷载，选择强度不高、凝固较慢的浆液类型，注浆量上可参考盾构前期在相同土层中掘进的情况，再根据桥梁沉降监测数据及时调整。压浆量和压浆点视压浆时的压力值和地层变形监测数据而定。压浆须指派专人负责，对压入位置、压入量、压力值均作详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的施工质量。

4-5)控姿态

盾构1刀盘切削或磨削桥桩过程中，桩基2反作用于刀盘，刀盘正面容易受力不均，盾构1姿态控制难度较大。由于盾构1需连续切削穿越多根桥桩，若盾构1姿态控制不良，很可能导致已切断的残桩直接作用在盾构机壳上，另外也会进一步增大桩端对管片安全的风险，因此应加强盾构1姿态特别是垂直姿态的控制，纠偏时也应避免急纠、猛纠。在确保盾构1正面沉降控制良好的情况下，使盾构1均衡匀速施工，盾构1姿态变化不可过大，每环检查管片的超前量。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量随出土箱数和千斤顶行程逐渐变化，采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构1施工的影响；盾构机切桩过程中姿态严格控制，切桩时刀盘和桩体全面接触，两者之间不要有偏度。

4-6)刀盘正面土体改良

膨润土的使用。盾构1推进需切削混凝土，为确保盾构1的正常出土，必须时刻在盾构1的刀盘正面压注膨润土来改善开挖面土体的和易性，从而降低刀盘扭矩保证盾构1穿越时有均衡的推进速度，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。加膨润土时必须严格控制量和压力，避免土体在过多的注膨润土量和较高的压力下形成定向贯通的介质裂缝，造成渗水通道，严重影响到隧道的安全状况。根据过去的施工经验以及膨润土或泡沫剂的相关原理，膨润土的压注量必须与盾构机的出土量相互匹配。配备手持红外线温度计，在掘进过程中，每掘进30公分，对渣土温度进行一次测量，以此判断土仓内部温度情况。

4-7)螺旋输送机闸门掌控及盾尾油脂注入

保证在螺旋机喷涌情况发生时及时关闭前后闸门，将喷涌渣土量降到最低。定期检查盾尾油脂管路，油脂泵。通过每日掘进记录及时了解盾尾油脂注入系统的工作情况，尽可能提前预判故障，及时修理。同时选用质量好的盾尾油脂，保证盾尾密封性能(每一环的压注量为35kg，如遇特殊情况，可按实际情况加大盾尾油脂的压注量，油脂仓压力为15～20bar)。

5)下穿河流的施工措施：

5-1)严格控制盾构1土压力平衡

严格控制平衡压力有关的施工参数，防止超挖、欠挖尽量减少平衡压力的波动。

5-2)严格控制盾构1的推进速度

推进时速度应控制在2～3cm/min，均衡施工，减少对周围土体的扰动，避免在途中有较长时间停顿耽搁。

5-3)严格控制盾构1纠偏量

推进时每环检查调整一次管片的姿态，采用稳坡法、缓坡法推进，使盾构1均衡匀速推进，严格控制纠偏量以减少盾构1施工对地面的影响。

5-4)严格控制同步注浆量和浆液质量

保证每环注浆总量要到位；保证盾构1推进每一箱土的过程中，浆液均匀压注；浆液的配比须符合质量标准。

5-5)必要时向土仓内加注土体改良剂，保证土仓内土体的保水性，防止河水贯通。

6)盾构1穿越桩基2后的控制技术：

盾构1盾尾脱出桩基2区域后，须对该区域段隧道进行二次补压浆，必要时可进行三次、四次注浆。同时设计在管片上增加了注浆孔。在原有6个注浆孔的前提下，又增加了10个注浆孔，这样可以多点、小压力的注浆，保证了注浆的效果。通过二次补压浆使得隧道与加固区域的间隙得到及时补充，进一步确保该区域地面沉降得到控制，二次注浆浆液选定为双液浆，水灰比为1：1。盾构机切削桩基2影响范围为35环的距离，因此在此35环内采取及时的二次注浆施工。注浆量暂定为每环1.5m³，分5个管片拼装孔进行压注，每孔压注量为0.3m³，具体压浆量根据地面沉降监测数据的情况及时进行调整。

本发明具有稳定性高、施工速度快等优势，同时能保证施工质量，保障后续工程施工应用前景良好。