擴徑再制造盾構(gòu)穿越高架橋樁施工適應(yīng)性研究

汪衛(wèi)軍，楊緯華，劉 猛，劉 維，*

(1.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.北京住總集團有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著我國城市化進程的進一步推進，軌道交通以其安全、快速、高效的優(yōu)勢成為城市交通發(fā)展中的一大熱點。城市地鐵隧道開挖通常選用盾構(gòu)法，該方法中的盾構(gòu)是城市地鐵隧道建設(shè)中效率最高的施工裝備。目前，城市地鐵盾構(gòu)隧道施工有3大趨勢：1)盾構(gòu)遭遇建(構(gòu))筑物樁基礎(chǔ)的情況越來越多；2)盾構(gòu)隧道設(shè)計有擴徑的趨勢，如北京、上海、深圳、蘇州以及杭州，新建線路斷面設(shè)計由原有的6 200 mm 擴大至6 600 mm；3)盾構(gòu)再制造。2010年5月，國家11個部委聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于推進再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》，將再制造產(chǎn)業(yè)列為國家重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。

盾構(gòu)推進遇到地下樁基通常采取側(cè)穿、下穿或者采用傳統(tǒng)方式[1-2]對樁事先處理。付靜[3]依托盾構(gòu)穿越祁連橋樁基工程，對盾構(gòu)積極保護法進行了探討和研究，認為該方法在盾構(gòu)側(cè)穿時對樁基影響較小；岳鵬飛等[4]建立樁基土體隧道共同作用的三維有限元模型，通過分析計算得出在建筑荷載作用下地層沉降規(guī)律以及樁基的受力特性，由此判斷建筑物受盾構(gòu)下穿施工的影響程度；徐前衛(wèi)等[5]通過理論分析和數(shù)值計算等手段，對樁基托換施工過程中樁基合理開挖暴露長度、樁-筏體系受力轉(zhuǎn)換機制以及盾構(gòu)切樁對上部結(jié)構(gòu)的影響進行了研究，研究結(jié)果表明基礎(chǔ)托換法能夠有效減小施工期間橋梁的沉降及改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力性態(tài)。

近年來，隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，海內(nèi)外逐步出現(xiàn)了在盾構(gòu)設(shè)備改造加強的基礎(chǔ)上切削穿越樁基的工程案例[6-7]，使盾構(gòu)改造切削地下障礙物成為一種新的解決思路。如：唐仁等[8]通過理論計算、有限元分析、實測數(shù)據(jù)等，研究了盾構(gòu)直接切樁通過后剩余基樁的沉降及承載力計算問題，得到隧道直接切樁通過后剩余樁的沉降數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合，基樁沉降差很小，滿足規(guī)范要求的結(jié)論；王飛等[9-10]采用理論加現(xiàn)場試驗驗證了盾構(gòu)穿越橋樁可行，工程施工也佐證了這一結(jié)果。

盾構(gòu)再制造，是通過對盾構(gòu)的部分性能進行加強或者重新制造，使其滿足具體施工要求的一種技術(shù)升級手段。目前，針對盾構(gòu)切樁技術(shù)中盾構(gòu)再制造大多是對盾構(gòu)刀具進行增強，或者是對某一部分結(jié)構(gòu)進行升級以滿足切樁需求，而對擴徑再制造盾構(gòu)切樁的適應(yīng)性研究較少。本文以北京地鐵12號線盾構(gòu)穿越西壩河橋樁為背景，針對盾構(gòu)隧道擴徑設(shè)計以及切樁工況對盾構(gòu)的直徑、刀盤系統(tǒng)、推進系統(tǒng)以及排渣系統(tǒng)進行再制造研究，并在此基礎(chǔ)上分析再制造盾構(gòu)設(shè)備的切樁適應(yīng)性。

1 工程簡介

1.1 工程概況

西壩河橋位于北京地鐵12號線西壩河橋站—百盛盾構(gòu)區(qū)間，全長643.5 m，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)隧道設(shè)計直徑為6 600 mm，軸線平均埋深為22 m。隧道開挖至西壩河處，將遭遇西壩河橋樁等障礙物。盾構(gòu)穿越障礙物區(qū)域長60.4 m，主要障礙物為16根西壩河橋樁(左線12根，右線4根)，直徑主要為800 mm和1 200 mm，樁基最大主筋直徑為22 mm。

為積極響應(yīng)國家再制造政策，提升盾構(gòu)行業(yè)綜合利用水平，施工計劃左線始發(fā)采用1臺新購6 600 mm土壓平衡盾構(gòu)，后發(fā)右線采用1臺由直徑6 150 mm擴徑改造為6 600 mm的土壓平衡盾構(gòu)。隧道與樁基位置剖面如圖1所示。隧道與樁基位置平面如圖2所示。

圖1 隧道與樁基位置剖面圖(單位：m)

圖2 隧道與樁基位置平面圖

右線盾構(gòu)隧道主要穿越地層為⑦卵石—圓礫層、⑦1中粗砂層、⑦2粉細砂層、⑦3粉質(zhì)黏土層、⑦4粉土層及⑦5黏土層。各地層主要參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)主要穿越地層參數(shù)

1.2 盾構(gòu)現(xiàn)狀

施工計劃右線后發(fā)采用1臺直徑為6 150 mm的土壓平衡盾構(gòu)，設(shè)計最大開挖直徑可達6 380 mm。原有盾構(gòu)參數(shù)如表2所示。盾構(gòu)曾用于廣州地鐵施工，廣州地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，包含富水砂層以及黏性土地層，與北京地區(qū)砂卵石地層有較大出入。綜合評估，該盾構(gòu)在設(shè)計直徑、地層適應(yīng)性方面均難以滿足區(qū)間的施工要求，故施工前對其進行擴徑改造，以期達到工程的施工要求。

表2 原有盾構(gòu)參數(shù)

2 刀盤系統(tǒng)改造及適應(yīng)性分析

2.1 刀盤系統(tǒng)切樁難點

盾構(gòu)切樁主要是靠盾構(gòu)刀具磨削樁體來實現(xiàn)，切樁效果與刀具的性能有很大關(guān)系。蔣建敏等[11]在研究北京地區(qū)盾構(gòu)掘進切刀失效時，認為盾構(gòu)掘進過程中硬質(zhì)合金刀具的崩脫與折斷是其主要原因。結(jié)合實際工況，盾構(gòu)除了掘進常規(guī)地層，還將磨削地下樁基，工程主要難點為盾構(gòu)掘進與磨削樁基過程刀具將磨損嚴重，極易發(fā)生刀具崩脫與折斷；此外，推進和磨削過程刀盤產(chǎn)生大量熱量，易在刀盤處形成泥餅。

2.2 刀盤系統(tǒng)再制造要求

依據(jù)隧道設(shè)計直徑及刀盤系統(tǒng)切樁難點，對刀盤系統(tǒng)再制造提出以下要求：

1)刀盤系統(tǒng)再制造后開挖直徑可滿足隧道設(shè)計的直徑要求，且具有合理的開口形式、開口率以及支撐方式。

2)刀具、刀座具有足夠的剛度、強度，易于更換，且具有足夠的耐磨性能。

3)刀盤再制造后具有良好的渣土改良效果，泥餅不易結(jié)節(jié)。

2.3 刀盤系統(tǒng)再制造

2.3.1 刀盤選型

盾構(gòu)原有刀盤開挖直徑為6 350 mm，開口率約為41%，盾構(gòu)推進里程較大，刀具磨損嚴重，難以適應(yīng)本工程。綜合考慮，對刀盤進行新制。新制刀盤如圖3所示。通過對北京地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)刀盤選型案例統(tǒng)計[12-15]，發(fā)現(xiàn)多采用輻條式。輻條式刀盤具有裝備較小的刀盤驅(qū)動功率、足夠的開口率、土壓平衡容易控制以及利于渣土流動等優(yōu)點。新制刀盤采用6輻條式，輻條為圓柱形，刀盤開口率提升至61%，保證大塊石塊順利進入土艙，減小磨樁摩擦以及降低泥餅結(jié)節(jié)概率。刀盤整體采用Q345B鋼材，刀盤直徑達6 600 mm，刀盤設(shè)置中間圈梁，輻條外端與外圈板設(shè)置三角筋板，刀盤外圈板厚度為90 mm，增加內(nèi)環(huán)筋板，以保證刀盤磨樁及長距離掘進的結(jié)構(gòu)剛度、強度要求。

圖3 新制刀盤

2.3.2 刀具配置方案

刀盤整體新制，充分考慮盾構(gòu)切樁工況，刀盤將配備中心魚尾刀、先行刀、正面刮刀、邊緣刮刀、磨樁刀以及重型撕裂刀，每種刀具均根據(jù)工程難點進行設(shè)計。盾構(gòu)新配刀具配置如表3所示。刀具布置展開如圖4所示。

圖4 刀具布置展開圖

表3 盾構(gòu)新配刀具配置

1)刮刀采用雙層合金設(shè)計以及栓接方式，加強刮刀切樁時刀座的穩(wěn)定性以及刀具的耐磨能力。刮刀基座合金指標(biāo)如表4所示。刮刀合金指標(biāo)如表5所示。

表4 刮刀基座合金指標(biāo)

表5 刮刀合金指標(biāo)

2)刀盤側(cè)裝6把重型撕裂刀，每個軌跡布置1把，撕裂刀布置在相鄰輻條之間。重型撕裂刀如圖5所示。

圖5 重型撕裂刀

3)先行刀采用焊接方式，采用高低3層同心圓全軌道布置形式，刀具分別高出到盤面220、190、150 mm(見圖6)，實現(xiàn)對樁體的層次切割。3層刀具作用如下：第1層次刀具主要以切削鋼筋混凝土為主要功能；第2層次刀具為保證第1層次刀具磨損后仍具備切削樁體的能力；第3層次刀具以收刮渣土進土艙為主要功能。

圖6 先行刀高低布置圖(單位：mm)

4)刀盤上裝有3處刀具磨損檢測點，用于檢測刀盤上刀具的磨損狀況。

2.3.3 耐磨設(shè)計

為適應(yīng)切樁過程磨損情況，刀盤迎土面邊角處采用封閉式耐磨堆焊、盤圈外側(cè)采用耐磨板(碳化鉻復(fù)合式耐磨板)來增加刀盤耐磨性能。此外，先行刀與重型撕裂刀刀身加焊耐磨高強硬質(zhì)合金，以增強刀具的切樁耐磨性能。

2.3.4 攪拌棒設(shè)計

磨樁過程中產(chǎn)生大量熱量，會提高刀盤泥餅結(jié)節(jié)的概率。為解決這一難題，設(shè)計刀盤時除增加刀盤開口率外，還在刀盤背部不同直徑處設(shè)置7根主動攪拌棒，以確保切樁時可以充分攪拌整個土艙。攪拌棒分布如圖7所示。

圖7 攪拌棒分布圖

2.4 刀盤系統(tǒng)切樁適應(yīng)性分析

2.4.1 刀具適應(yīng)性分析

1)雙層合金刮刀采用栓接，可提高刮刀抗沖擊、耐磨損能力，避免磨削過程刀具的崩落與脆性折斷，且易于更換；刀盤邊緣刮刀可在磨樁過程中清理外圍開挖的渣土，防止刀盤外緣的直接磨損，保證開挖直徑的精度。

2)先行刀高低布置，可實現(xiàn)層次切割，提高刀具對樁體的切割效率。

3)重型撕裂刀防止邊緣刮刀過渡磨損，同時也增加對硬物的切削能力以及對下層刮刀的保護。

4)刀具磨損檢測點的設(shè)置，對刀具磨損進行檢測，可用于指導(dǎo)刀具的維護、更換以及調(diào)整掘進參數(shù)。

2.4.2 耐磨及攪拌棒適應(yīng)性分析

1)新制刀盤及部分刀具進行耐磨加強，整體提高刀盤系統(tǒng)耐磨性能，可在磨樁過程中有效地保護刀盤以及刀具，保障盾構(gòu)平穩(wěn)高效穿越樁基。

2)在刀盤背部不同直徑處設(shè)置的7根攪拌棒，將提高渣土改良效果，降低土艙內(nèi)泥餅結(jié)節(jié)的概率，保障施工過程順利進行。

3 推進系統(tǒng)再制造及適應(yīng)性分析

3.1 推進系統(tǒng)切樁難點

盾構(gòu)推進系統(tǒng)設(shè)計用于廣州地區(qū)，曾在廣州富水砂土或黏土地層進行長距離推進。北京地區(qū)主要以砂卵石地層為主，相比于廣州富水地層，對盾構(gòu)的推進系統(tǒng)要求更高。同時，工程的特殊切樁工況對盾構(gòu)的推進系統(tǒng)要求比一般北京地區(qū)盾構(gòu)施工要求更高，若盾構(gòu)在切樁過程動力不足，則極易發(fā)生刀盤被卡情況，影響進度。綜合考慮，施工前對盾構(gòu)推進系統(tǒng)進行再制造。

3.2 推進系統(tǒng)再制造要求

依據(jù)推進系統(tǒng)在切樁過程的難點，避免出現(xiàn)卡機情況，對盾構(gòu)動力系統(tǒng)再制造提出以下要求：

1)再制造后盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩大于切樁所需最大轉(zhuǎn)矩，且有一定余度。

2)再制造后盾構(gòu)推力大于切樁所需最大推力，且有一定調(diào)整空間。

3.3 推進系統(tǒng)再制造

3.3.1 主驅(qū)動

切樁過程對盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩要求更高。為保證盾構(gòu)切樁時擁有足夠的轉(zhuǎn)矩，主驅(qū)動再制造時在原有配置基礎(chǔ)上增加2臺功率為75 kW的驅(qū)動電機，左右分別配置1臺。新增驅(qū)動電機如圖8所示。為保證負荷分配均勻，新增電機可將盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩由5 918 kN·m提升至7 398 kN·m。

圖8 新增驅(qū)動電機

3.3.2 推力系統(tǒng)

再制造后盾構(gòu)推力系統(tǒng)共配置24個260 mm推進油缸，單個油缸推力大小為1 750 kN，盾構(gòu)整體推力由30 000 kN提升至42 000 kN。

3.4 推進系統(tǒng)適應(yīng)性校核

3.4.1 轉(zhuǎn)矩計算模型

盾構(gòu)切樁過程的總轉(zhuǎn)矩

Ttotal=Tpile+Tsoil[16]。

(1)

純切樁轉(zhuǎn)矩

(2)

n=n總SZ/SP。

(3)

式中：n總為刀具總數(shù)；SZ為樁體被切削面積;SP為刀盤面積(除去中心刀范圍內(nèi))。

純掘土轉(zhuǎn)矩

Tsoil=T1+T2+T3+T4+T5。

(4)

刀盤切削轉(zhuǎn)矩

(5)

式中：D0為盾構(gòu)外徑；q為地層土體平均抗剪強度；vmax為盾構(gòu)推進速度；n1為刀盤轉(zhuǎn)速。

刀盤正面摩擦力矩

(6)

式中：α為刀盤開口率；μ1為盾構(gòu)外殼與地層摩擦因數(shù)；p為刀盤正面土壓。

刀盤背面摩擦力矩

T3=T2/2。

(7)

刀盤圓周摩擦力矩

(8)

式中B為刀盤邊緣厚度。

艙內(nèi)攪拌力矩

(9)

式中：R1、R2為刀盤支撐梁內(nèi)、外徑；l1為支撐梁長度；τ為渣土抗剪強度。

3.4.2 推力計算模型

盾構(gòu)切樁過程的總推力

Ftotal=Fpile+Fsoil。

(10)

純切樁推力

Fpile=n2fv。

(11)

式中：n2為切樁刀具數(shù)量；fv為盾構(gòu)刀具切樁時的貫入力。

純掘土推力

Fsoil=F1+F2+F3+F4[17]。

(12)

盾構(gòu)與地層之間的摩擦阻力

F1=μ1(πD0lpm+W)。

(13)

式中：l為盾構(gòu)長度；pm為作用在盾構(gòu)上的平均土壓；W為盾構(gòu)自重。

刀盤正面阻力

(14)

式中p1為盾構(gòu)平均土壓。

盾尾密封與管片之間的摩阻力

F3=1.2kπD1f。

(15)

式中：k為盾尾管片環(huán)數(shù)；D1為管片外徑；f為每m管片長度摩擦阻力。

盾構(gòu)掘進時后配套牽引力

F4≈200 kN。

(16)

3.4.3 轉(zhuǎn)矩校核結(jié)果

根據(jù)3.4.1章節(jié)中轉(zhuǎn)矩計算模型粗略計算盾構(gòu)切樁時所需轉(zhuǎn)矩，結(jié)果如表6所示。可以看出：盾構(gòu)切樁時所需轉(zhuǎn)矩約為3 871 kN·m，僅占盾構(gòu)裝備轉(zhuǎn)矩的52.3%，即再制造盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩可滿足切樁需求，且有較大調(diào)整余度。

表6 盾構(gòu)切樁轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果

3.4.4 推力校核結(jié)果

根據(jù)3.4.2章節(jié)中推力計算模型粗略計算切樁時所需推力，結(jié)果如7表所示。可以看出：盾構(gòu)切樁所需推力約為18 564 kN，僅占盾構(gòu)裝備推力的44%，即再制造盾構(gòu)裝備推力可滿足切樁需求，且有較大調(diào)整空間。

4 排渣系統(tǒng)再制造及適應(yīng)性分析

4.1 排渣系統(tǒng)切樁難點

不同于普通地層掘進排渣，盾構(gòu)切樁會產(chǎn)生較大塊的混凝土石渣，這些切削下來的石渣在排出過程對排渣系統(tǒng)的動力要求更高。同時，由于樁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，切削后會產(chǎn)生長短不同的鋼筋，鋼筋的排出易造成螺旋輸送機卡頓，導(dǎo)致盾構(gòu)出土不暢，產(chǎn)生噴涌。

表7 盾構(gòu)切樁推力計算結(jié)果

4.2 排渣系統(tǒng)再制造要求

依據(jù)盾構(gòu)排渣系統(tǒng)在切樁時的排渣難點，為保證螺旋輸送機可順利排出石渣以及鋼筋，提出以下螺旋輸送機再制造要求：

1)再制造后，螺旋輸送機排渣量以及整體輸送能力得到提升。

2)螺旋輸送機可平穩(wěn)順利排出切削下來的石渣以及鋼筋，不易出現(xiàn)螺旋輸送機卡頓現(xiàn)象。

4.3 排渣系統(tǒng)再制造

根據(jù)排渣系統(tǒng)改造要求，保障再制造螺旋輸送機具有良好的運行性能，對其進行如下改造：

1)螺旋輸送機設(shè)計長10.1 m，內(nèi)徑為800 mm，提升高4 m，最大排渣量由300 m3/h增大至480 m3/h。

2)采用無軸式螺旋輸送機，主要原因是相較于軸式螺旋輸送機，無軸式螺旋輸送機對大粒徑卵石地層的渣土排出具有良好的適應(yīng)性，同時抗纏繞性能優(yōu)良，可減小切削下來的鋼筋卡住概率，即使鋼筋卡住，相較于軸式螺旋輸送機易處理。無軸螺旋輸送機如圖9所示。

圖9 無軸螺旋輸送機

3)為順利排出渣土，螺旋輸送機更換2臺馬達來增大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。改造前后螺旋輸送機參數(shù)對比如表8所示。轉(zhuǎn)速的提升，將增加盾構(gòu)艙內(nèi)土壓平衡的動態(tài)調(diào)節(jié)能力[18-19]。

表8 螺旋輸送機參數(shù)對比

4)螺旋輸送機葉片改造。根據(jù)原螺旋輸送機葉片的磨損情況，修補螺旋輸送機葉片并堆焊耐磨層至設(shè)計尺寸，使螺旋輸送機葉片恢復(fù)原有性能，實現(xiàn)再利用。

4.4 排渣系統(tǒng)適應(yīng)性分析

4.4.1 輸送量適應(yīng)性分析

再制造螺旋輸送機設(shè)計輸送量QVO=480 m3/h，而盾構(gòu)在推進最快的情況下，挖掘土體最大流量QV=255 m3/h。

螺旋輸送機輸送量安全系數(shù)

SV=QVO/QV=1.88>1。

(17)

即螺旋輸送機的輸送量完全可以滿足工程要求。

4.4.2 轉(zhuǎn)矩分析

工程中螺旋輸送機轉(zhuǎn)矩依據(jù)式(18)—(19)計算[20-21]。

T=9 550P/n3。

(18)

式中：n3為螺旋輸送機轉(zhuǎn)速；P為螺旋輸送機總功率。

P=PH+PN+Pst。

(19)

物料運行時所需功率

PH=Iml2λ1g/900；

(20)

Im=QVOρ。

(21)

式中：l2為螺旋輸送機長度；λ1為比例系數(shù)，通常取2～4；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籕VO為最大出土量；ρ為渣土密度。

空載驅(qū)動功率

PN=D2l2/20。

(22)

式中D2為螺旋輸送機直徑。

傾斜功率

Pst=ImHg/3 600。

(23)

式中H為渣土提升高度。

4.4.3 轉(zhuǎn)矩校核

根據(jù)式(19)—(23)計算螺旋輸送機各功率及總功率，所得結(jié)果如表9所示。進而根據(jù)式(18)計算得到螺旋輸送機轉(zhuǎn)矩為163.23 kN·m，即螺旋輸送機實際裝備轉(zhuǎn)矩大于切樁排渣實際所需轉(zhuǎn)矩，可滿足切樁排渣要求。

表9 螺旋輸送機功率及總功率計算結(jié)果

5 結(jié)論與討論

1)為應(yīng)對切樁工況對刀盤系統(tǒng)帶來的難點以及隧道擴徑要求，盾構(gòu)刀盤整體擴徑新制，主要對刀盤材質(zhì)、開口率、刀具布置以及渣土改良進行升級再制造，刀盤整體采用高強度鋼材進行新制，增加耐磨性能；刀盤開口率增大，減小摩擦；先行刀交叉階梯高低3層同心圓全軌道布置，對樁體實現(xiàn)層次切割，極大地提高了刀具的切樁效率。以上改造滿足切樁工況對刀盤系統(tǒng)的要求。

2)為保證推進切樁過程盾構(gòu)動力足夠，對盾構(gòu)推進系統(tǒng)進行部分升級，通過簡單校核，再制造后盾構(gòu)的推力、轉(zhuǎn)矩滿足切樁的動力要求，且有較大余度，可適應(yīng)切樁過程。

3)為保證切樁產(chǎn)生大量的混凝土塊和鋼筋能夠順利排出，采用無軸式螺旋輸送機，且提升螺旋輸送機的輸送能力、轉(zhuǎn)矩以及加強改造葉片。為應(yīng)對無軸式螺旋輸送機出土器保壓較弱情況，施工過程采用圍堰排干河道水，降低噴涌風(fēng)險；盾構(gòu)通過渣土改良、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速以及出土能力提升來提高整體保壓的能力。通過對再制造后的螺旋輸送機簡單驗算可知，出土器的出土量及轉(zhuǎn)矩滿足切樁排渣的要求。

綜上，盾構(gòu)的擴徑再制造后刀盤系統(tǒng)、推進系統(tǒng)以及排渣系統(tǒng)在理論層面對切樁施工具有良好的適應(yīng)性，但實際再制造盾構(gòu)施工效果還需進一步結(jié)合實際施工情況進行討論。盾構(gòu)的再制造實現(xiàn)了舊盾構(gòu)的再利用，有效地降低了工程施工成本，符合國家政策，對同類工程盾構(gòu)的再制造和應(yīng)用具有一定的參考意義。