淺談盾構機利用空心樁 進行常壓開倉的前景

李嘉駿

以成都軌道交通17號線一期9標項目盾構區間為例，首先介紹了在地下水豐富的砂卵石地層中盾構開倉前使用常規的袖閥管注漿預加固土體失敗的案例，然后從失敗案例中逐步分析并總結出一種全新的施工工藝——在預開倉位置提前施工空心樁，盾構機刀盤掘進至空心樁，操作人員在空心區域常壓進倉。

一、引言

盾構法作為隧道挖掘最安全便捷的施工工藝，目前已不僅僅是用于地鐵施工，還廣泛運用于公路隧道、鐵路隧道，盾構機刀盤刀具是其最重要零部件之一，在盾構掘進中保證刀盤刀具優良的運轉性能，是盾構順利施工的前提。因此，盾構開倉基本上是絕大多數盾構隧道都要經歷的事件，但在不穩定地層中，開倉有著極高的施工風險，尤其是帶壓開倉或者非硬巖地層常壓開倉。砂卵石地層中，由于地層之間空隙較大，帶壓開倉往往較難實現，一般的做法是提前在開倉區域用袖閥管對土體進行注漿加固，然而在富水區域，袖閥管加固質量較難保證。采用掏空混凝土樁作為平臺，既對掌子面進行了隔離，同時形成了工人作業空間，同步利用井點降水，保證空心樁內水位低下，保障開倉安全。本文重點介紹空心樁的由來及應用，井點降水簡要帶過。

二、現場概況

1.水文地質情況

成都軌道交通17號線一期9標盾構區間全長約2220m，采用8.6m土壓平衡式盾構機，主要穿越<3-8-3>密實卵石土層，圍巖等級為V級，地下水位平均為4.2m。隧道最大埋深17m，最小埋深約7.5m，最小曲線半徑600m，最大坡度34‰。卵石成分以花崗巖、灰巖、砂巖為主，粒徑一般為20~200mm，卵石質量大于70%，場地局部地段見漂石，漂石粒徑大于200mm。層厚較大，場地內普遍分布，呈層狀分布于基巖之上。

2.常規工藝加固土體后的開倉情況

區間計劃常壓開倉換刀八次，第一次開倉時，項目人員按照既定的施工方案（袖閥管注漿加固土體+井點降水）做開倉前的準備工作，開倉后，發現掌子面極不穩定，存在較高的垮塌風險，且土倉內水位較高，未能降到刀盤中心以下區域；項目部對加固區域取芯觀察，發現芯樣破碎、水泥含量少，并不能達到預期加固的目的，第一次開倉換刀計劃以失敗告終。

三、空心樁常壓開倉

1.思路形成

分析開倉失敗的原因，主要有兩點：一是開倉位置周邊降水沒有達到預期效果，二是掌子面不穩定。解決思路：（1）降水問題，將理論計算與其它成功開倉的項目進行比較，尋求合適的計算系數，將水位降到刀盤中心以下位置；（2）確保掌子面穩定有兩個思路，其一是通過地層加固使掌子面自身穩定，但在富水砂卵石區域，三軸攪拌樁實施困難，袖閥管注漿效果一般；二是通過隔離掌子面（即在刀盤與掌子面之間加一道“墻”）達到預期效果，項目人員首先想到利用鋼板樁進行隔離，這種方法高效且經濟，但在砂卵石地層鋼板樁施打及拔出較困難，只能放棄，通過鋼板樁進行思維發散，發現可以利用一排混凝土咬合樁對掌子面進行隔離，而且掏空混凝土樁，施工人員還能在空心區域作業，增大作業面積，且通過計算空心樁受力滿足受力要求，如圖1所示。

圖1 空心樁受力驗算圖

2.工藝原理

在提前設定好的開倉里程施工一排混凝土鉆孔樁（根據現場需求設置2~3根空心樁），混凝土樁長位于盾構機刀盤底部2m，能將整個刀盤包裹起來，掏空區域底部位于刀盤中心下方1m。空心樁既是臨時支護，也可作為盾構換刀人員的操作平臺、換氣通道，在空心樁內施工，良好的施工環境是施工安全及開倉換刀質量的前提保證。在空心樁成型后進行井點降水，使得水位在刀盤中心以下，確保作業空間，如圖2及圖3所示：

圖2 空心樁常壓開倉布置圖a

圖3 空心樁常壓開倉布置圖b

3.工藝流程

樁基施工采用旋挖鉆及其配套設備，降水井施工采用沖擊鉆及其配套設備，水平運輸采用叉車及裝載機，垂直運輸采用汽車吊。

先提前確定開倉位置，再施做樁基，然后進行降水井施工及降水作業，最后出空土倉渣土、開倉。需要特別說明的是，為了減少開倉停機時間，最少需要在盾構機到達開倉里程前一周，完成降水井施工并開始降水，當盾構到達指定位置后便可直接開倉。具體工藝流程為：確定開倉位置→施工準備，測量放樣→樁基施工→降水井施工→降水→盾構到達、清土倉、開倉→恢復掘進。

4.空心樁施工步驟及關鍵點

由于樁基施工工藝較為成熟，下述內容只針對在富水砂卵石地層中施工空心樁需要重點注意的事項。

（1）平整施工場地

將雜物清出場外并平整壓實，如若存在軟弱地質則需要進行換填。

（2）鋼護筒埋設

鋼護筒由8毫米鋼板制作而成，長約2-3m（根據實際情況調整），頂面高出地面0.5m左右，其半徑大于樁半徑10cm左右。為了防止護筒壁滲水或流失泥漿，在鋼護筒周圍1m用粘土夯填。

（3）泥漿制備

（4）測量定位、鉆機就位

（5）鉆進

（6）鋼筋籠制作與安裝

鋼筋籠由兩部分組成，一部分是常規鋼筋籠、另一部分是玻璃纖維鋼筋籠（盾構掘進區域），玻璃纖維筋段在下，普通鋼筋段在上，利用U型卡連接。

①鋼筋籠制作

玻璃纖維筋柔性大剛度差，給制作和安裝帶來諸多不便：由于柔性大加強箍筋不能達到預期的效果，玻璃纖維筋籠成品質量差，橢圓度大，吊裝時難以成型。措施：在制作的過程中，加強箍筋采用普通鋼筋與纖維筋配合使用，在后期當鋼筋籠被豎向吊起時，割掉加強鋼箍筋。鋼筋籠最好在開倉點現場制作，免去了運輸難度大的問題。

②鋼筋籠的吊裝

為確保骨架起吊時不變形，玻璃纖維筋籠起吊前應在加強骨架處焊接三角支撐，加強骨架的剛度。使用兩點吊裝方式，第一吊點設置于骨架的頭部，第二點設在骨架中點到三分點之間（該吊點應位于普通鋼筋加強箍筋處，前后還應各有一個普通鋼筋加強箍筋、并采用鋼管將3個普通鋼筋加強箍筋連起來，目的是增加玻璃纖維筋籠的整體剛度利于起吊）。

（7）灌注混凝土

（8）取芯（成空心樁）

取芯是在混凝土灌注之后尚未終凝之前進行的一道工序。取芯的關鍵在于取芯的時間：取芯過早，混凝土強度低，容易將鋼筋一起絞上來，破壞樁的完整性，達不到預期的效果；取芯過晚，混凝土強度高，增加機械設備的損耗，降低施工速度。根據現場實際施工情況來看，最佳取芯時間為混凝土剛好達到終凝狀態時。

另外一點需要注意的是，空心樁要同軸，方便控制刀盤進入空心樁的范圍，盡可能增大人的活動空間。

5.井點降水重點注意事項

（1）降水井施工及降水必須在樁基施工完成后。

（2）洗井：建議空壓機洗井。

（3）降水井計算：根據《建筑與市政工程地下水控制技術規范》《建筑基坑支護技術規程》：①基坑降水總涌水量Q=πK（2H0-S0）S0/ln（1+R/r0），②單井出水能力q0=120πrslk1/3。

四、空心樁常壓實際運用

1.空心樁常壓開倉效果

成都軌道交通17號線9標項目，第一次使用空心樁進行常壓開倉，便達到預期效果，掌子面極其穩定，且人員操作空間較大，安全順利地完成換刀任務。在后面的幾次換刀過程中，依舊采取此方案，無一失敗，如圖4所示。

圖4 盾構機刀盤進入空心樁實際效果圖

2.經濟比選情況

對比一：袖閥管注漿加固土體。

以成都軌道交通17號線一期9標項目為例，按照常規做法，單個換刀點需要施工1200m袖閥管，費用約30萬元，若采取空心樁常壓開倉方式，樁基施工費用約40萬元（2m空心樁1.4m取芯小計69m，1.2m素樁小計23m，1.4m素樁小計46m，降水井小計105m），但樁基加固比袖閥管加固節約工期約5天，每天按5萬元管理的成本計算，采用空心樁開倉單次可節約30+5×5-40=15萬元。

對比二：帶壓開倉。

以珠海興業快線南段2標為例，目前在礫質粘性土進行了一次帶壓開倉換刀，成本約538萬元【泥膜制作20萬元；進倉服務費（76倉），費用53.2萬元；換刀周期約26天，管理費及勞務費290萬元；設備租賃費139萬（龍門吊10萬/月，泥水處理系統租金120萬/月，地下水平運輸20萬/月，地上運輸設備10萬/月）；水電費27.3萬（31.5萬/月）；生活辦公費8.7萬（10萬/月）】。若換成空心樁常壓開倉，成本約為309.5萬元【樁基施工費用40萬元；渣土處置費9.2萬元；路面硬化及破除外運費用5萬元；交通圍蔽費用3萬元；換刀服務費7萬元；換刀周期約10天，管理費及勞務費179萬元；設備租賃費53萬元；水電費10萬元；辦公費3.3萬元】。

節省費用538-309.5=228.5萬元，工期節省16天。

五、結語

利用空心樁進行常壓開倉，已經在中國交建承建的成都地鐵17號線全線標段推廣應用，并得到了各參建方的高度認可，亦有多個兄弟施工企業前來交流學習。

越來越多的城市使用盾構法掘進隧道，我們所面對的是國內豐富多變的地層，刀盤、刀具適應性得不到保障，若在盾構掘進后發現刀盤、刀具適應性較差而需要改造，刀具還好說，最多進行帶壓開倉換刀，刀盤就非常麻煩，只能挖豎井改造刀盤，那會是一項非常麻煩的工作，而空心樁的應用，讓地下安全改造刀盤的想法成為現實。

利用空心樁常壓開倉，不僅適用于富水砂卵石地層，經過周密籌劃后，也可以延伸到各種軟弱地層使用，更可在地表空曠區域代替風險極大的帶壓開倉作業。并且該方法實施流程相對簡單，效果明顯，一定會有廣闊的推廣前景。