全斷面穿越橋樁盾構機改造技術研究

周璇

摘要：文章以盾構全斷面掘削橋梁橋樁項目為背景，對盾構機的改進改造技術進行了分析和研究。目前，國內雖已有多個盾構切削穿越樁基的施工案例，但國際上還沒有一套盾構機切削鋼筋混凝土樁基的成套方案，相關的系統研究也幾乎沒有。本文綜合采用工程案例調研等技術手段對盾構機穿越地下障礙物的改造進行了全面深入的研究，總結了施工經驗，并提出合理的盾構機改造方案。

關鍵詞：盾構機，全斷面，穿越橋樁，改造技術

中圖分類號：U455文獻標識碼：A

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，城市化進程不斷加快，以及大中城市人口的不斷增長造成的交通堵塞日益嚴重，這為城市軌道交通的發展提供了一個良好的發展機遇。城市軌道交通憑借發車間隔短、方便快捷、運距長、運量大和故障少等優勢逐漸贏得人們的青睞，輸送了大量城市的居民，緩解了大城市的交通擁堵問題。而在地鐵工程的建設過程中，不免出現許多盾構機下穿地下障礙物的工程案例。本文以盾構機直接切削鋼筋混凝土橋樁的工程案例為基礎，開展了全斷面穿越橋樁的盾構機改造技術研究，可為今后其他類似盾構切除障礙物工程，提供較好的技術支撐和參考借鑒。

2 國內外技術現狀

根據前期調研，目前國際上還沒有一套盾構切削鋼筋混凝土樁基的成套技術，關于盾構切削鋼筋混凝土樁基的系統研究也幾乎沒有。國內雖已有多個盾構切削穿越樁基的施工案例，但不管是主動切樁還是被動切樁，相應的盾構切樁施工技術措施和風險控制方法還并不成熟。

盾構切樁可分為主動切削和被動切削。所謂主動切削是指在已知有樁基的前提下，采取相應的措施，切削穿越樁基。被動切削是指在不知有樁的條件下，切削穿越了樁基。通過向相關領域專家的詢問了解，基本的結論是盾構直接切削穿越樁基是可行的，當然也存在一些不確定因素，有一定的風險，主要以鋼筋不完全切削，可能纏繞刀盤以及損傷刀具，以及切削的鋼筋無法從螺旋輸送機排出為主。

3盾構穿越地下障礙物刀具選擇

根據盾構機穿越橋樁的風險分析，設計采用貝殼先行刀作為主切樁刀具，改造后的盾構機刀盤上共追加焊接55把大貝殼刀，大貝殼刀高160mm長214mm寬64mm，鑲嵌有五塊高強硬質合金。

另外，在中心刀上面焊接增加10把小貝殼刀。小貝殼刀上鑲嵌有四塊高強硬質合金，中心刀及固定在上面的小貝殼刀（以下簡稱為“中心小貝殼刀”）總高350mm。

圖1改造完成后的刀盤刀具實物照片

改造完成后的刀盤和刀具有以下特點：

1）刀盤面板上追加焊接貝殼先行刀和切削型先行刀，以及中心刀盤增加了切削貝殼刀，極大地增強了刀盤整體的切削能力，能夠把鋼筋混凝土均勻分段分塊切斷磨碎；

2）刀盤結構便于刀具的布置及受力，結構堅固、強度高、剛性大、耐磨程度高，可以承受在粉砂層中切削鋼筋混凝土樁基時所產生的強大推力和扭矩；

3）刀盤開口率為40%，開口幅度550mm，可以有效地使切斷鋼筋、樁體混凝土碎渣、開挖面渣土所組成的混合渣土順暢進入土倉的通道。同時土倉空間較大，中心障礙物少，表面平滑，可有效增加添加劑與渣土的混合效率，改善渣土的和易性；

4）盾構機采用8臺55kW變頻電動機驅動，具有較大的扭矩和多檔轉速，可適應切樁時的低速切磨掘進的需要；

5）裝配了兩把改進后仿形刀，最大超挖量為80mm，主要用于破碎對盾構機外包管有影響的殘樁混凝土，能夠對盾尾保護起到非常重要作用。

4 螺旋輸送機改造

在富水軟弱地層，一般使用有軸式螺旋輸送機。但根據前期調研的結果，這種螺旋輸送機排出盾構切樁產生的鋼筋條和碎樁塊的能力較差，鋼筋條和碎樁塊很有可能卡住螺旋輸送機，使盾構機無法正常掘進施工，因此，采用能使盾構切樁產生的鋼筋條和碎樁塊能較為順暢地排出的無軸式螺旋輸送機，即帶式螺旋輸送機。

為了增加排出不規則形狀鋼筋以及混凝土塊的能力，在可能的范圍內加大螺旋輸送機的直徑；在螺旋輸送機外殼、螺旋機前端靠近胸板處追加注泥漿孔及注漿管路；加大螺旋輸送機的功率。同時，為了及時觀察和處理不規則的鋼筋以及可能發生的排土不暢等情況，應在螺旋輸送機上多設幾處施工、觀測孔（50cm×50cm），可做臨時緊急處理卡住的鋼筋。對土艙內的螺旋輸送機頭部應進行加強處理，以應對可能遇到的斷樁及鋼筋。

螺旋輸送機的最終改造方案如下：

（1）螺旋輸送機傳輸軸更換為帶式(無軸式)輸送軸。

（2）增加1臺液壓馬達，從3臺變成4臺，扭矩可提高33%。

（3）在螺旋機外殼再追加4個檢查孔。

（4）在螺旋輸送機外殼、螺旋機前端靠近胸板處追加改良及加固土體用的注漿管路（帶球閥），共10個注入口。

（5）筒體內壁下方增強耐磨性。

（6）由于對現有螺旋輸送機改動量較大，應重新做一個具有伸縮功能的帶式螺旋輸送機，可與原有更替使用。

5 外包管的保護改造

本次穿越橋梁橋樁所用盾構機的壁后注漿管和油脂注入管原是外置式的，即在盾構機殼的外部有局部突起。該突起部分在盾構切樁時可能碰到樁體而損壞，因此，有必要對其進行適當的保護和改造。外包管的最終改造方案如下：

（1）首先降低外部注漿配管的突起高度，由原來12cm降到8cm。

（2）在外殼板上追加配置減輕阻力用的先行刀。破除洞門掘進時，為防止洞口密封破損，此先行刀先用布和木材覆蓋。

（3）去掉上、下部位遇到樁次數較多處的油脂外包管，原處用鋼板焊住。往該位置注脂的配管與盾構機內右上用和左下用的注脂配管分別合流。

6 增加人艙系統

由于刀具可能受到損傷脫落等原因，有可能需要進艙換刀。盾構機在富水軟弱地層掘進時，無壓下開艙有很大的風險，需要人員帶壓進艙換刀，這就需要增加人行艙。同時，盾構土艙內也要預先安裝工作人員在加壓條件下進入土艙進行刀盤刀具檢查更換作業的必要的安全設施。另外，在盾構土艙合理部位設置觀察孔，以便在穿越橋樁時能充分掌握土艙中的情況，為氣壓法檢查刀具刀盤情況進行必要的準備。具體改造如下：

（1）增加人艙系統（直徑約1500mm，長度約3500mm），做氣密性等相關檢驗，確保其性能完好，保證能夠帶壓進艙換刀。

（2）為實際便于進入人艙進行有效的壓氣作業，追加以下附件：

①2個送氣空氣流量計；②8個消聲器；③3個對講機；④2個耐壓防爆型日光燈；⑤1個壓氣室內用加熱器；⑥1個送氣空氣冷卻器。

7 其他

由于切磨樁的需要，對盾構機的刀盤扭矩提出更高的要求，應充分考慮切磨樁所需扭矩的增加量，加大盾構機的功率，并有一定的安全儲備。當然，由于切磨樁時的對刀盤的軟弱不均以及偏心矩的存在，應加強刀盤的剛度和抗變形能力。為了配合低速掘進（切磨樁）的需要，應為盾構推進系統增加微動功能。因此，改造時做了以下措施：

（1）增加一臺低壓推進泵，保證盾構機過樁時能夠穩定低速推進；

（2）檢查超前注漿孔，確保其安全暢通。過樁前準備好超前鉆機；

（3）備兩個土壓傳感器，過樁損壞時可更換。

8結論

文章中統計了國內現有盾構機穿越樁基的案例，總結了施工經驗，并分析盾構切削地下障礙物可能遭遇的風險。在此基礎上，綜合考慮研究目的和試驗場地條件等因素，有針對性地提出合理的盾構機改造加強方案、刀盤刀具及其他設備的改造方案。

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