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        已建市政地下通道結(jié)構(gòu)下盾構(gòu)連續(xù)穿越樁基施工技術(shù)

        2021-03-09 00:48:20王傳富
        建筑施工 2021年10期
        關(guān)鍵詞:土壓刀盤油脂

        王傳富

        上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

        1 工程概況

        上海軌道交通14號線12標土建工程陸家嘴站—浦東南路站—浦東大道站—源深路站—昌邑路站區(qū)間工程,為上海市的重大工程項目,本標段四盾構(gòu)區(qū)間雙線全長共5 825 m,主要位于浦東新區(qū)浦東大道沿線,與建設(shè)中的東西通道工程范圍重合。

        東西通道采用明挖法先行施工,基坑圍護施工采用SWM工法,開挖深度15 m左右,待東西通道結(jié)構(gòu)施工完成后,再進行地鐵盾構(gòu)施工。

        根據(jù)設(shè)計要求,東西通道底板需要增加抗拔工程樁,工程樁為φ800 mm鉆孔灌注樁,保護層厚度70 mm,C30水下混凝土,φ28 mm主筋,φ8 mm螺旋箍,φ16 mm焊接加強箍。因本標段東西通道與地鐵盾構(gòu)合建的特殊工況,有部分樁基侵入盾構(gòu)斷面,且后續(xù)盾構(gòu)無法規(guī)避施工,為保證盾構(gòu)施工安全,盾構(gòu)需穿越斷面樁中鋼筋均采用玻璃纖維鋼筋,混凝土采用C15,并采用高新技術(shù)生產(chǎn)的、容易被切割的等強度玻璃纖維(GFRP)替代鋼筋,玻璃纖維極限拉力為480 MPa。

        本工程共計需要切削22根玻璃纖維灌注樁,其中浦東南路站—浦東大道站區(qū)間上行線5根(圖1),浦東大道站—源深路站區(qū)間上行線15根,下行線2根。

        圖1 浦東南路站—浦東大道站工程樁與區(qū)間隧道關(guān)系

        按樁與盾構(gòu)斷面的關(guān)系,切削形式共可劃分為2種:刀盤切口中心對稱切削、刀盤切口側(cè)面切削。

        按連續(xù)穿樁數(shù)量分為3種:單根玻璃纖維灌注樁切削、連續(xù)2根玻璃纖維灌注樁切削及連續(xù)3根玻璃纖維灌注樁同時切削。

        2 難點分析

        1)鉆孔灌注樁螺旋箍筋、加強環(huán)箍、注漿導管繞住刀盤或卡住螺旋機,穿樁過程中樁體損壞注漿管。

        2)切削過程中產(chǎn)生大體積混凝土碎塊,可能跟隨盾構(gòu)機前行,或進入刀盤土倉內(nèi)及螺旋機內(nèi),造成土壓力波動范圍過大。

        3)盾構(gòu)切削樁基時處于圓曲線、緩和曲線以及直線段時,因受力不均,可能造成隧道軸線偏離設(shè)計軸線。

        4)盾構(gòu)部分穿樁位置位于⑥層土內(nèi),易產(chǎn)生以下不利影響:⑥層土中推進刀盤扭矩居高不下,無法通過扭矩變化判斷是否碰觸樁體;⑥層土強度高,不易攪拌均勻,引起螺旋機不恒速等,造成螺旋機出土量不一且不連續(xù);外部土體壓力大,致使⑥層土容易形成泥餅黏附在刀盤加泥加水孔上,導致無法通過向土倉內(nèi)加注外加劑改良土體,降低扭矩。

        5)盾構(gòu)穿越東西通道及切削樁基施工過程中,可能出現(xiàn)長時間切削樁基、大體積混凝土碎塊,鋼筋纏繞刀盤、卡死螺旋機,刀具損壞,線形控制不利進而糾偏以及設(shè)備故障等情況,均可能造成東西通道結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境沉降。

        6)部分樁基侵入⑦層風險土層,該土層為上海地區(qū)第一承壓含水層,其滲透性好、水量豐富,極易貼合樁基形成承壓水通道,盾構(gòu)機在承壓水的作用下存在以下風險:螺旋機噴涌,嚴重時引起地面塌陷,施工過程中可能出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象;盾構(gòu)機盾尾密封失效出現(xiàn)滲漏水;盾構(gòu)機鉸接密封失效出現(xiàn)滲漏水[1-6]。

        3 設(shè)備準備

        3.1 設(shè)備選型

        東西通道工程樁基侵入盾構(gòu)斷面,切削樁基時存在刀盤或盾構(gòu)機被樁基卡死風險,因此對盾構(gòu)刀盤、刀盤扭矩及推力都有較高的要求,以降低盾構(gòu)機卡殼的風險。

        3.2 設(shè)備優(yōu)化

        3.2.1 同步注漿系統(tǒng)優(yōu)化

        東西通道結(jié)構(gòu)下方另有預(yù)留的工程樁,盾構(gòu)穿越過程需切削樁基,且部分樁基位于盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)位置,極易在切削樁基過程中導致設(shè)備損壞。由于東西通道保護要求高,若采用內(nèi)置式同步注漿系統(tǒng),同步注漿量大,不利于地層損失率的控制。在該工況下實施盾構(gòu)推進,既要將東西通道結(jié)構(gòu)沉降變形、周邊環(huán)境地層損失率控制在規(guī)范要求內(nèi),又要確保盾構(gòu)機同步注漿系統(tǒng)不在切削樁基時被損壞。故在設(shè)備選型階段,對盾構(gòu)機外置式同步注漿系統(tǒng)進行加強改造(圖2):

        圖2 外置式注漿系統(tǒng)加固改造示意

        1)外置注漿管結(jié)構(gòu)內(nèi)部加強。

        2)注漿管前方斜導向段加長、加強,并耐磨堆焊,防止外置漿管受擠壓。

        3)在外置注漿管前部增設(shè)鏟刀,提前破樁。

        4)刀盤外周采用耐磨塊或耐磨堆焊。

        3.2.2 盾構(gòu)機鉸接裝置補強

        本工程盾構(gòu)機配備有鉸接裝置,當盾構(gòu)機在復(fù)雜地層中切削樁基時,在承壓水的作用下鉸接密封存在被擊穿的風險,需做如下補強:

        1)復(fù)雜地層中盾構(gòu)推進期間,鉸接裝置全部回縮到位,定時檢查鉸接環(huán)間隙,檢查鉸接環(huán)位置是否存在滲漏等異常現(xiàn)象。

        2)定時檢查鉸接系統(tǒng)液壓鎖緊裝置,確認鎖緊裝置功能正常,在鉸接油缸進回油回路上增加高壓手動截止閥,并將手動截止閥關(guān)閉。

        3)定時檢查鉸接裝置集中潤滑注入系統(tǒng),對鉸接系統(tǒng)進行壓注油脂密封,以確保整個密封腔充滿油脂。

        4)盾構(gòu)機安裝階段檢查盾構(gòu)機A、B環(huán)徑向注漿孔,確保緊急情況下的正常應(yīng)急使用。

        5)在鉸接油缸耳座位置增加機械鎖緊裝置,機械鎖緊裝置焊接位置按圓周方向4~6等分布置,拉伸裝置可調(diào)緊,確保鉸接環(huán)剛性連接。

        6)鉸接裝置開啟控制電磁閥在鉸接裝置不工作的情況下,全部拔除,防止誤操作。

        7)在推進過程中加強鉸接裝置維護保養(yǎng)工作,每臺盾構(gòu)機增加1臺單獨的備用氣動油脂泵為鉸接密封供油。

        3.2.3 盾尾刷密封油脂充填優(yōu)化

        盾尾刷初次油脂的涂抹需盡量均勻足量,在操作時將盾尾油脂壓注到尾刷各層間的最底部,保證尾刷縫隙和每層之間填有密實的油脂,因此需要人工進行手工填充。

        根據(jù)以往經(jīng)驗,傳統(tǒng)手工填充方式既困難又耗人工,因此本工程在軌道交通行業(yè)首次采用泵送方式進行尾刷油脂充填,利用油脂泵連接扁鴨嘴型的接口,將鴨嘴腔體伸入尾刷根部進行泵送充填,確保其底部充填飽滿。

        充填步驟:一人使用工具掰開盾尾刷,一人握緊鴨嘴槍插到盾尾刷底部,然后打開油脂泵,打開鴨嘴槍高壓球閥,等待油脂填充到盾尾刷內(nèi)。待油脂從鴨嘴扁嘴處擠壓出來后,根據(jù)油脂往外的壓力,手持鴨嘴槍人員隨著油脂填充緩慢往外拔槍。填充過程中,需要雙手壓住盾尾刷,盡量使盾尾刷包裹住鴨嘴槍,使盾尾油脂可以充分填充到盾尾刷中。油脂填充滿盾尾刷后即關(guān)閉油脂泵,然后關(guān)閉鴨嘴槍的高壓球閥。

        4 盾構(gòu)穿越樁基施工工況及穿越技術(shù)要點

        4.1 工況分析

        根據(jù)盾構(gòu)穿越樁基的不同階段,將盾構(gòu)切削樁基的整個過程細化為6個具體的工況:盾構(gòu)機刀盤觸碰樁基前、刀盤觸碰樁體、刀盤切削樁基、盾構(gòu)機刀盤穿越樁基后徑向注漿孔注漿、盾構(gòu)機盾尾離開樁體1環(huán)后同步注漿控制及穿越后二次注漿保護。針對不同工況,分別對土壓力、刀盤、推進速度、注漿進行控制,確保盾構(gòu)切削樁基的安全可靠。

        4.2 土壓力控制

        土壓平衡式盾構(gòu)機施工操作時,對于土壓平衡的方式一般分為2類:自動土壓平衡和手動土壓平衡。常規(guī)操作時,通常選擇自動土壓模式,即對土壓力目標值進行設(shè)定后,盾構(gòu)司機在進行盾構(gòu)推進系統(tǒng)操作時只需控制推進速度,螺旋機會根據(jù)土壓力設(shè)定值及盾構(gòu)司機所控制的推進速度自動調(diào)整螺旋機轉(zhuǎn)速,使螺旋機轉(zhuǎn)速與推進速度相匹配,達到土壓平衡的目的。

        在自動土壓平衡的模式下,由于盾構(gòu)機自身設(shè)定土壓力目標值可在設(shè)定土壓力值的上下限內(nèi)浮動,上下限值一般為±0.02 MPa,所以在該模式下土壓力始終處于波動的狀態(tài),最大幅度可能達到0.05 MPa。盾構(gòu)機螺旋機為達到土壓平衡,一直持續(xù)調(diào)整其轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速時高時低,尤其是在復(fù)雜地層中切削樁基的情況下,會造成螺旋機的出土量不連續(xù)、不均勻,從而引起皮帶機的打滑。

        故盾構(gòu)機在復(fù)雜地層內(nèi)切削樁基時,應(yīng)采用手動土壓平衡模式,并適當降低土壓力0.05~0.10 MPa。在手動土壓平衡模式下,盾構(gòu)司機可以通過調(diào)節(jié)螺旋機轉(zhuǎn)速、推進速度達到“六個恒定”,即:推進速度、刀盤進土量、螺旋機轉(zhuǎn)速、刀盤正面土壓、螺旋機出土量、皮帶機上土量均處于相對恒定的狀態(tài)。

        4.3 刀盤控制

        4.3.1 通過刀盤扭矩判斷是否碰樁

        刀盤在切削樁基時本身的扭矩就會增大,通常以刀盤扭矩是否短時間內(nèi)變化來判斷盾構(gòu)機是否在切削樁基,但在復(fù)雜地層中切削樁基時,盾構(gòu)機本身處于⑥層土中推進,⑥層土體本身密實、強度高,盾構(gòu)機刀盤刀具插入土層進行切削時,本身刀盤就會產(chǎn)生刀盤扭矩過高的情況。為此,需要通過刀盤加泥加水系統(tǒng)及渣土改良系統(tǒng)對土體進行改良,確保刀盤扭矩在40%限值內(nèi),在推進過程中當?shù)侗P觸碰樁基時,刀盤扭矩瞬間增大,以此判斷盾構(gòu)機是否觸碰道樁基。

        4.3.2 刀盤旋轉(zhuǎn)方向控制

        通過對于刀盤側(cè)部的樁基進行受力分析可知,不同的刀盤轉(zhuǎn)向會對側(cè)樁產(chǎn)生不同的切削分力,對于左側(cè)樁基,刀盤左回轉(zhuǎn)向下拉拽、右回轉(zhuǎn)向上定推,故刀盤旋轉(zhuǎn)方向選擇如下(圖3):1)切削左側(cè)樁基時,刀盤盡量右回轉(zhuǎn)(順時針)。2)切削右側(cè)樁基時,刀盤盡量左回轉(zhuǎn)(逆時針)。

        圖3 刀盤逆時針旋轉(zhuǎn)

        4.3.3 刀盤扭矩控制

        盾構(gòu)在復(fù)雜地層中切削時樁基刀盤扭矩本身就比較高,為防止刀盤扭矩過大,造成盾構(gòu)機刀盤卡死,嚴重時可能造成盾構(gòu)機中心回轉(zhuǎn)系統(tǒng)故障,給盾構(gòu)機造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞,因此在推進過程中,刀盤扭矩≤40%限值,超過設(shè)定值停止推進,轉(zhuǎn)動刀盤,刀盤繼續(xù)切削,待扭矩降低后再復(fù)推。

        4.4 推進速度控制

        為保證盾構(gòu)平穩(wěn)順利切削東西通道樁基,同時將對東西通道結(jié)構(gòu)的影響降到最低,應(yīng)嚴控每一道推進速度,將盾構(gòu)穿越參數(shù)數(shù)據(jù)化。

        1)當盾構(gòu)機刀盤前行至距離鉆孔灌注樁約50 cm時,降低推進速度至10 mm/min,勻速推進。

        2)當?shù)侗P觸碰到樁基后,控制推進速度至2 mm/min,勻速推進。

        3)刀盤切削完成后推進速度可適當增加(≤10 mm/min),根據(jù)刀盤扭矩及推力適當調(diào)整。

        4)盾尾脫出樁基后,恢復(fù)推進速度至設(shè)定值。

        4.5 注漿控制

        4.5.1 徑向注漿孔注漿控制

        當盾構(gòu)機徑向注入口推進至鉆孔樁位置時,停止推進,利用徑向注漿系統(tǒng)注入膨潤土漿液,減小穿越過程中側(cè)向的摩阻力。

        4.5.2 同步注漿控制

        盾構(gòu)機盾尾離開樁體1環(huán),此后1~2環(huán)同步注漿方量由原150%~180%提升至200%,填充穿越后樁體與管片上下間的間隙。推進注漿時為保證樁基與管片間均勻壓注,注漿施工推進一段,注漿一段,以保障及時填補空隙。

        4.5.3 二次注漿控制

        1)環(huán)箍注漿。盾構(gòu)機穿越鉆孔樁10環(huán)后,首選對鉆孔灌注樁前后2環(huán)進行打設(shè)環(huán)箍,采用單液水泥漿,以注漿壓力控制為主,注漿量控制為輔,注漿壓力控制在0.3 MPa,注漿量每環(huán)不少于2.5 m3,并遵循“多點、多次”原則。每環(huán)環(huán)箍注漿點位均勻布置在拱底塊、標準塊和連接塊,充分利用管片預(yù)留注漿孔,并預(yù)留觀測孔,所有注漿孔和觀測孔應(yīng)帶球閥,確保在復(fù)雜地層中注漿安全。

        2)二次注漿。二次注漿是以彌補同步注漿及環(huán)箍注漿的缺點為目的進行的注漿,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋對沉降較大或根據(jù)地質(zhì)雷達探測顯示壁后空腔對應(yīng)位置,進行單點填充注漿,并遵循“多次,均勻,少量”的原則,主要內(nèi)容為:完全填充同步注漿未填充的部分;對注漿材料的浮漿及氣泡消失等造成的體積減少的補充;防止盾構(gòu)通過后土體的固結(jié)沉降。注漿材料采取單液漿與雙液漿相結(jié)合使用,根據(jù)施工實際采用適合的漿液。其中單液漿材料為水泥漿。雙液漿甲液主要為水泥、膨潤土、粉煤灰、水混合液,乙液為水玻璃。另外再加入適量的促進劑,甲、乙兩液配比由現(xiàn)場試驗確定,初凝時間為30~60 s。注漿過程中根據(jù)實際情況對配比作適當調(diào)整。

        5 施工效果分析

        本工程對于已建地下通道工程樁基進入盾構(gòu)斷面的特殊工況,結(jié)合樁基對盾構(gòu)機的影響、樁基及復(fù)雜地層對盾構(gòu)施工的影響,通過前期調(diào)查、盾構(gòu)機選型、同步注漿系統(tǒng)改造、鉸接裝置優(yōu)化、盾尾刷油脂充填優(yōu)化、盾構(gòu)穿越樁基的施工流程細化,做到盾構(gòu)切削樁基過程中各項數(shù)據(jù)、參數(shù)的優(yōu)化控制,順利完成施工作業(yè)任務(wù),最終將東西通道累計沉降控制在5 mm內(nèi)。本工程的順利實施,為后續(xù)類似工程提供了相關(guān)的施工經(jīng)驗,并給出了采取對應(yīng)處理方式的理論依據(jù)。

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