楊成龍

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

隨著各大城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，在盾構(gòu)施工過程中遇到的不明障礙物也越來越多樣。盾構(gòu)穿越不明障礙物，將加大刀盤磨損的風(fēng)險，造成螺旋出土機故障，無法順利出土，導(dǎo)致停機，對土體的穩(wěn)定性也會造成一定影響。如何快速有效地解決盾構(gòu)切削不明樁基后導(dǎo)致螺旋機卡頓、出土困難的問題，是當(dāng)前軌交工程以及其他地下工程發(fā)展過程中必然要面對的難點之一。

針對盾構(gòu)穿越不明樁基，國內(nèi)外也有一些常規(guī)的做法。主要有以下方法：

1）微動直接切削樁體。通過降低盾構(gòu)機的推進(jìn)速度，降低刀盤的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到微動切削的效果，以免造成盾構(gòu)中心軸承損壞，盾構(gòu)機自身旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致盾構(gòu)長時間停機、維修等不可控后果。

2）盾構(gòu)選型采用復(fù)合盾構(gòu)機，適應(yīng)多種工況。如對盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行改裝，增加盾構(gòu)機低速掘進(jìn)功能，適當(dāng)配備滾刀、先行刀等刀具，以防要切削不明障礙物樁體等。

3）氣壓出倉，直接鑿除盾構(gòu)前方的障礙物。通過對盾構(gòu)前方土體施加壓力，確保開挖面穩(wěn)定，由專業(yè)的人員出倉去清理障礙物。

4）爆破法處置。這種工藝適用于巖層、孤石等沒有大量鋼筋的情況。

本文以上海市軌道交通15號線工程土建14標(biāo)段天山路站—長風(fēng)公園站區(qū)間隧道穿越蘇州河中不明樁基為例，采取了一系列處置措施，探討研究盾構(gòu)在穿越不明障礙物時的處置方法和工藝。

1 實例分析

1.1 工程概況

本區(qū)間總長1 222.761 m，隧道呈V字坡，最大坡度12.572‰，最小平面曲線半徑449.840 m，隧道頂部埋深11.3～22.0 m。區(qū)間設(shè)2座聯(lián)絡(luò)通道，其中于隧道最低點設(shè)1座聯(lián)絡(luò)通道兼泵站。本區(qū)間采用2臺盾構(gòu)機進(jìn)行施工。分別自長風(fēng)公園站始發(fā)，沿上、下行線推進(jìn)至天山路站接收（圖1）。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間隧道平面

天山路站—長風(fēng)公園站區(qū)間有吳淞江分布，區(qū)間隧道穿越處呈近南北走向，穿越處吳淞江明浜寬約45 m，吳淞江水面寬為45.0 m左右，據(jù)詳勘，浜底最大深度為5.30 m，最深處浜底絕對標(biāo)高為－2.48 m，淤泥厚度0.4～2.1 m。據(jù)設(shè)計縱斷面圖，區(qū)間隧道穿越吳淞江處隧道頂標(biāo)高約為－15.60 m，覆土厚度約為13.0 m。吳淞江新建防汛墻，防汛墻基礎(chǔ)為250 mm×500 mm板樁及300 mm×400 mm方樁，樁長12 m，樁底絕對標(biāo)高－8.50 m。上行線隧道在里程XK26＋453.034～XK26＋502.234、下行線隧道于里程SK26＋398.401～SK26＋450.001分別穿越防汛墻，隧道下穿，上、下行線隧道最小凈距6.8 m。區(qū)間隧道距防汛墻樁基底部垂直凈距7.7～8.4 m。

需要說明的是，盾構(gòu)穿越防汛墻樁基是已知的，且防汛墻的樁基未侵入隧道斷面內(nèi)；而盾構(gòu)穿越防汛墻后進(jìn)入河道內(nèi)4～5 m碰到不明樁基是本文重點要研究的對象。

1.2 工程地質(zhì)情況

天山路站—長風(fēng)公園站區(qū)間隧道在蘇州河防汛墻區(qū)段主要穿越的土層為：②3-2層灰色砂質(zhì)粉土、⑤1-1層灰色黏土、⑤1-2層灰色粉質(zhì)黏土。

2 盾構(gòu)遇不明障礙物情況簡述

2019年5月27日8：00，盾構(gòu)機在511環(huán)推進(jìn)279 mm，此時盾構(gòu)機切口剛進(jìn)入蘇州河北側(cè)防汛墻3環(huán)（在508環(huán)開始穿越防汛墻，此時切口位于蘇州河下方），刀盤扭矩由2 200 kN·m（44%）增至3 300 kN·m（68%），并一直保持至512環(huán)320 mm降至2 200 kN·m（44%），螺旋機壓力保持13 MPa變化不大。5月27日10：30，盾構(gòu)機在512環(huán)推進(jìn)978 mm，螺旋機壓力由13 MPa突變至20 MPa并保持不變，螺旋機已卡死，開始清理螺旋機內(nèi)障礙物。

5月27日11：25，螺旋機清障完成后繼續(xù)推進(jìn)，螺旋機壓力降至14 MPa，刀盤扭矩為2 100 kN·m（41%）。清障一共清出φ25 mm螺紋鋼4根，長度40～50 cm；直徑約20 cm混凝土塊6塊。5月27日12：45，盾構(gòu)機在513環(huán)推進(jìn)974 mm，螺旋機壓力由13 MPa突變至18 MPa并保持不變，螺旋機再次卡死，并導(dǎo)致螺旋機故障。

5月28日9：00，螺旋機清理完成后恢復(fù)推進(jìn)，螺旋機壓力降至9.6 MPa，刀盤扭矩為1 820 kN·m（36%）。清障一共清出φ25 mm螺紋鋼3根，長度40～60 cm；直徑約20 cm混凝土塊2塊。5月30日19：00，盾構(gòu)機在524環(huán)推進(jìn)至273 mm，螺旋機壓力由10 MPa突變至23 MPa，螺旋機已無轉(zhuǎn)速，刀盤扭矩2 370 kN·m（45%）。

5月31日17：35，螺旋機清理完成后恢復(fù)推進(jìn)，螺旋機壓力降至9.2 MPa，刀盤扭矩為2 000 kN·m（39%）。清障一共清出φ25 mm螺紋鋼3根，長度30～50 cm（圖2）。6月1日0：45，盾構(gòu)機在529環(huán)推進(jìn)至1 160 mm，螺旋機壓力由9.2 MPa突變至25.8 MPa并保持不變，刀盤扭矩?zé)o明顯變化。

圖2 清理出的混凝土塊和鋼筋

截至6月4日早上7點，盾構(gòu)已停機42 h，螺旋機情況仍無改善，螺旋機啟動時最高轉(zhuǎn)速僅為0.7 r/min，螺旋機回轉(zhuǎn)壓力驟然提升至27 MPa。

3 主要處理措施及處理過程簡述

針對上述情況，判斷盾構(gòu)機停機時間會較長，由于盾構(gòu)機切口位于蘇州河下，盾尾位于防汛墻下面，所以必須確保盾構(gòu)機、盾構(gòu)隧道自身姿態(tài)及防汛墻安全。

首先，初步判斷障礙物位于螺旋機前端，通過之前幾次數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，從螺旋機壓力變大至障礙物排出有一定的時間差；其次，螺旋機前端鋼板為加強鋼板，板厚較厚，螺旋機葉片與炮筒間隙小于其他位置。初步判斷位置后，進(jìn)行解決方案的討論，根據(jù)實際情況采取以下措施。

3.1 及時調(diào)整土壓、定時測量盾構(gòu)姿態(tài)

由于盾構(gòu)機停機時間過久，土倉內(nèi)土壓會逐漸下降，為防止土壓偏低導(dǎo)致盾構(gòu)機切口下沉的問題，盾構(gòu)機操作人員對開挖倉土壓進(jìn)行實時監(jiān)控，如有下降情況發(fā)生，及時通過盾構(gòu)機悶推（不出土，通過千斤頂微量伸長提升土壓）對土壓進(jìn)行調(diào)整。

同時測量人員每日對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)測，確保對盾構(gòu)姿態(tài)的掌握，防止停機過久盾構(gòu)出現(xiàn)較大偏離情況。

3.2 超聲波測厚儀探測

利用超聲波測厚儀測定螺旋機內(nèi)壁與異物之間的間距，計算出障礙物的尺寸。經(jīng)過測定后判斷，障礙物與螺旋機內(nèi)部密貼，長度為30 cm。

3.3 金屬探測儀

金屬探測器是一種應(yīng)用廣泛的探測器。探測區(qū)工作面經(jīng)特殊設(shè)計，探測面積大、掃描速度快、靈敏度極高。外殼采用ABS工程塑料一次鑄成，具有抗擊能力強、工藝精細(xì)、質(zhì)量輕、便于攜帶等特點。

金屬探測器使用前，需要調(diào)整探測桿的長度，只要將黑膠通旋松，推拉膠通套管至適宜的長度，再旋轉(zhuǎn)膠內(nèi)通管，使電纜線繞緊，并使手柄尖端朝上，最后將黑膠通旋緊，鎖住膠通套管。這樣，手握探測器手柄時，大拇指正好緊挨靈敏度調(diào)節(jié)電位器。調(diào)整金屬探測器靈敏度時，探測碟（振蕩線圈）要遠(yuǎn)離金屬，包括帶鋁箔的紙張，然后旋轉(zhuǎn)靈敏度細(xì)調(diào)電位器旋鈕打開電源開關(guān)，并旋轉(zhuǎn)到一半的位置，再調(diào)節(jié)粗調(diào)電位器旋鈕，使揚聲器音頻叫聲停止，最后再微調(diào)細(xì)調(diào)電位器，使揚聲器叫聲剛好停止，這時金屬探測器的靈敏度最高。用金屬探測器探測金屬時，只要探測碟靠近任何金屬，揚聲器便會發(fā)出聲音，遠(yuǎn)離到一定位置叫聲自動停止。

項目部通過金屬探測儀進(jìn)行多次探測，在螺旋機內(nèi)部探測到金屬物質(zhì)，后證實是各種直徑規(guī)格的鋼筋。

3.4 螺旋機維修

1）通過超聲波探傷確定螺旋機內(nèi)部損壞位置，對相應(yīng)部件進(jìn)行維修與更換。同時檢修工人對相應(yīng)配套設(shè)施進(jìn)行檢修，維修更換已損壞的零件設(shè)備。

2）由于清障會增加螺旋機系統(tǒng)油壓，故需要對螺旋機油壓系統(tǒng)進(jìn)行加強處理。更換高規(guī)格油管、閥門、壓力表、閥塊密封圈、優(yōu)質(zhì)液壓油等。

3）維修的設(shè)備、零件配備備件，后期遇到螺旋機故障，可以第一時間進(jìn)行維修、更換，節(jié)約修理時間。

3.5 障礙物清理措施

1）螺旋機正反轉(zhuǎn)交替啟動，逐漸增加螺旋機正反轉(zhuǎn)壓力，通過螺旋機不斷地正反旋轉(zhuǎn)，將被卡的異物排出。同時在螺旋機正反轉(zhuǎn)過程中，通過螺旋機前端的加水閥添加膨潤土液進(jìn)行潤滑（圖3）。

圖3 螺旋機示意

2）正反轉(zhuǎn)交替啟動螺旋機，在螺旋機筒壁開檢修孔，確定障礙物位置，并對障礙物進(jìn)行處理。開孔之前在開孔位置焊接球閥，防止開孔后泥砂噴涌。該方法在前4次故障中均成功排出異物，第5次故障發(fā)生至6月4日，該方法無明顯效果。在螺旋機正反轉(zhuǎn)過程中，通過螺旋機前端的加水閥進(jìn)行加膨潤土液潤滑，效果不佳。

3）障礙物無法排出，則須啟動螺旋機開倉措施。打開螺旋機之前，先向刀盤下部土倉添加克泥效[1]低強密封漿，對螺旋機前端土體進(jìn)行加固密封處理；在開倉位置提前安裝1道可快速關(guān)閉的閘門，如發(fā)生泥水噴涌現(xiàn)象可立即關(guān)閉閘門，阻止泥漿噴涌。再對螺旋機進(jìn)行開倉處理后，直接將障礙物掏出，之后恢復(fù)螺旋機各項功能后開始推進(jìn)。

3.6 監(jiān)測措施

由于盾構(gòu)機位于防汛墻下方，恐切削障礙物對防汛墻下方土體造成較大擾動，故需要加強對防汛墻及周邊地表的沉降變形監(jiān)測頻率。

監(jiān)測頻率為每天2次，監(jiān)測報警值如下：

1）河道駁岸垂直位移：累計±10 mm，1 mm/d。

2）地表垂直位移：累計隆起10 mm或沉降20 mm，2 mm/d。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整盾構(gòu)切口土壓力、補充同步注漿量，最終在盾構(gòu)停機的這段時間里（共計11 d），防汛墻累計變化最大值為－9.87 mm，地表沉降累計變化最大值為－1.61 mm，均符合設(shè)計及規(guī)范要求。

3.7 二次注漿加固

盾構(gòu)通過后，對該區(qū)段隧道進(jìn)行保護性注漿加固（圖4）。本區(qū)間隧道在下行線盾構(gòu)穿越防汛墻（不明障礙物）控制區(qū)共設(shè)置400環(huán)特殊管片，管片上增設(shè)10個注漿孔[2]，每環(huán)管片共計15個注漿孔，除封頂塊外每塊管片設(shè)3孔。加固后的土體應(yīng)有良好的均勻性和較小的滲透系數(shù)，注漿加固后土體強度要求不低于1.0 MPa。隧道推進(jìn)結(jié)束后，根據(jù)實測監(jiān)測資料，對變形較大的部分，打開預(yù)留的注漿孔，進(jìn)行再注漿，以達(dá)到控制變形的目的。

圖4 保護性注漿示意

3.8 盾尾油脂壓注

由于盾構(gòu)停機時間較久，障礙物可能對盾尾刷造成損傷，管片分層注漿施工導(dǎo)致盾尾處密封壓力增大。為保護盾尾刷及盾尾密封性能，更換優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口盾尾油脂，并增加盾尾油脂壓注量[3]，以確保盾尾的密封效果。

4 經(jīng)驗總結(jié)

本次不明障礙物的處置方法及過程，有效地解決了本項目的難題，但在個別方面還是有所不足，總結(jié)了一些經(jīng)驗教訓(xùn)，特別是對于盾構(gòu)機設(shè)備配置，可為有可能遇到不明障礙物風(fēng)險的盾構(gòu)施工項目提供參考。

盾構(gòu)設(shè)備在設(shè)計制造時，應(yīng)做好切削障礙物的配置：

1）刀盤磨損檢測裝置。刀盤上安裝液壓式的磨損檢測裝置。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力下降時，會發(fā)出警報信號。磨損檢測裝置為可更換式，磨損后可以從刀盤背面進(jìn)行更換。

2）增大刀盤扭矩。為了在切削樁基時，盾構(gòu)機有足夠的推力，要求盾構(gòu)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)具備足夠的扭矩以應(yīng)對切削樁基施工。

3）徑向注漿系統(tǒng)。盾構(gòu)殼體切口環(huán)環(huán)向設(shè)置4個帶球閥的徑向注漿孔，盾構(gòu)機本體內(nèi)預(yù)先安置注漿管路。盾構(gòu)長期停機過程中，必要時可以向外部土體進(jìn)行注漿加固，以有效防止盾構(gòu)機本體磕頭或下沉。

4）低速掘進(jìn)功能。盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)具備低速掘進(jìn)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)機以≤2 mm/min的超低速度穩(wěn)定地進(jìn)行掘進(jìn)施工。

5）螺旋機配置。螺旋機應(yīng)具備前、后2道閘門，可伸縮裝置，并增開多道檢修窗口，可有效防止被障礙物卡?。▓D5）。

圖5 螺旋機配置示意

5 結(jié)語

城市不斷發(fā)展更新，地下會存在許多廢棄樁基以及其他建（構(gòu)）筑物，有些障礙物由于時間久遠(yuǎn)，資料可能會查不到。由于地下空間的不斷開發(fā)，盾構(gòu)施工過程中穿越不明障礙物的情況無法避免。

本文以上海市軌道交通15號線14標(biāo)段天山路站—長風(fēng)公園站區(qū)間為例，通過采取超聲波探測、螺旋機維修、施工參數(shù)控制、施工工藝調(diào)整及二次注漿等一系列措施，進(jìn)行盾構(gòu)穿越不明障礙物的處置，及時快速地解決了由于盾構(gòu)穿越不明障礙物導(dǎo)致盾構(gòu)施工暫停的問題，減小了由于暫停推進(jìn)對土體穩(wěn)定性造成的影響，確保了在建隧道的施工安全，可為今后類似工程的施工提供借鑒。