1、盾构机突遇钻孔桩桥基础的应急处理摘要：本文依托盾构机掘进过程中突遇钻孔桩桥基础的工程实例，阐述了通过综合参数分析、采取针对性措施，保证盾构机顺利穿越地下障碍，避免设备损伤的应急处理过程。论证了盾构机在不可预见情况下全断面切削钢筋混凝土结构的可行性，同时也提供了桥梁基础受损后的基础补强方案，供类似工程参考。 关键词：盾构机；钻孔桩；基础；应急处理 Emergent Treatment in Case of Shield Machines Encountering Abutment with Bored Piles Li Runwei （China Railway No.9 Engineering
2、 Group Co., Ltd, Liaoning,110051） Abstract: According to engineering examples of shield machines encountering abutment with bored piles, this paper expounds the process of emergent treatment which ensures that the shield machine can go through the underground obstacles smoothly without equipment dam
3、age by means of specific measures based on comprehensive parameter analysis. It also proves the feasibility that shield machines can cut reinforced concrete structure by full section under the condition of no foresight and provides basic reinforcement schemes in case of abutment damage, which simila
4、r engineering can take for reference. Keywords: shield machines; bored piles; abutment; emergent treatmen 中图分类号：U45 文献标识码：A 引言：地铁施工已经在全国超过 88 个城市展开，盾构机作为地铁区间施工的主要设备广泛应用，城市地下复杂的管网和隐蔽构筑物给盾构施工带来困难，在地下掘进过程中突遇钢筋混凝土结构的应急处理越来越成为普遍面临的问题。 本文着重介绍了盾构机非预见性正面切削钻孔桩桥梁基础的工程实例，论证了盾构机穿越切削钢筋混凝土的可行性，给同类工程作为参考。1 情况说明 20
5、08 年 10 月 20 日 18 时，沈阳地铁一号线五标段盾构机掘进左线第429 环，管理行程 952mm 时，刀盘扭矩出现 40%到 90%的突变。之后掘进430 环管片时刀盘扭矩继续增大，同时千斤顶推力增大，螺旋输送机出土时出现 20 及 8 钢筋，第 430 环共用 2 小时 40 分钟。完成第 430 环拼装后，盾构机掘进参数变回正常，无其他异常情况。 发现问题后，项目部立刻把问题反映给设计单位及监理单位，经三方协商，需要确定卫工桥 2001 年施工图纸与启保区间右线的结构关系。经查，设计院设计时参考的是卫工桥 1957 年的施工图纸，与启保区间隧道图纸对比，桥墩底高程为 33.74
6、2，隧道顶部高程 25.4，二者之间距离8 米左右，启保区间左线与卫工桥在结构上不发生冲突。但经施工单位几经辗转在沈阳市政公司第五工程处查找到编制日期为 2004 年 6 月 30 日的竣工图纸。图纸上显示建设大路卫工明渠桥东西向共 3 排墩柱，每排13 根，墩柱底距桥面板 26.771 米。与现施工的启保区间左线图纸进行对比后发现，盾构隧道与最南侧卫工桥人行道下的墩柱出现结构冲突。详见图 4-1 和图 4-2。 图 1 盾构穿桩纵断面图 图 2 盾构穿桩剖面图 2 总体处理方案 (1)首先要保证卫工桥安全，立刻封锁桥面交通，避免荷载引起桥桩下沉，避免隧道结构受损。为不影响工期，盾构推进前对桥
7、基础采用钢管支撑临时加固，盾构通过后对桥基础采用桩基托换进行永久加固。 (2)盾构所处地层条件比较恶劣，根据右线掘进经验，盾构停机时间过长易造成盾构机及管片下沉，土压也不好保持。对桥梁安全更不利，所以盾构必须尽快推进。 (3)盾构继续掘进切削剩余 2 根桩不可避免，要采取所有可能措施减少盾构刀具磨损，保证盾构顺利通过并且对桥基础影响最小。根据盾构通过卫工桥南侧第一根桩后的掘进参数来看，盾构刀具并没有受到桩身钢筋的太大影响。431438 的掘进参数比较正常。但是针对剩余两根桩要有应急预案，做好出现意外的准备。 (4)加强桥桩沉降观测，若在基础托换施工前桥桩沉降已接触到管片，则需隧道设计单位计算其
8、对地铁隧道的影响，必要时要进行局部处理。 3 桥基础临时加固方案 (1)卫工明渠桥被盾构机切断桩身位于桥南侧人行道连续混凝土板下，其中人行道连续混凝土板尺寸为（30m7m0.7m）700mm，自重为 3820 kN。按照新公路规范公路人群荷载为 4 kN /平方米，换算面积后为 840 kN 。人行道下共 6 根桩，每根桩平均承重 780 kN。 根据地质资料，卫工桥联系梁底所处地层为-3 中粗砂地层，地基承载力为 300KPa，通过计算在跟联系梁底同标高处采用 1.5m2m0.5m的扩大基础即可满足地基承载力要求。为了满足尽快掘进要求基础采用609mm 钢管支撑在连续混凝土板梁底。 其中桥板
9、跨中加固范围 3.6m4.8m，桥台处加固范围 3.6m3.6m。脚手架搭设高度为 3.5-4.0 米(挖到系梁底所处地层为-3 中粗砂地层，地基承载力为 300KPa)。搭设尺寸为：立杆的纵距 b=0.6 米，立杆的横距 l=0.6 米，立杆的步距 h=0.6 米。 基础布置见图 3 和图 4，计算过程附后。 (2)本加固方案仅考虑桥梁自重荷载，在永久性加固方案实施前，桥面应封锁交通。 图 3 脚手架临时加固剖面图 图 4 脚手架临时加固平面图 4 临时加固方案计算过程 4.1 已知条件及计算要求 (1)已知条件： 类型：阶梯形； 柱数：单柱； 阶数：1； 基础尺寸(单位 mm)：b1=20
10、00, b11=1000, a1=1500, a11=750, h1=500； 柱：圆柱直径=600mm； 设计值：N=1080.00kN, Mx=0.00kN.m, Vx=0.00kN, My=0.00kN.m, Vy=0.00kN； 标准值：Nk=800.00kN, Mxk=0.00kN.m, Vxk=0.00kN, Myk=0.00kN.m, Vyk=0.00kN； 混凝土强度等级：C15， fc=7.20N/mm2； 钢筋级别：HPB235，fy=210N/mm2； 基础混凝土保护层厚度：40mm； 基础与覆土的平均容重：20.00kN/m3； 地基承载力设计值：342kPa； 基础埋
11、深：2.00m； 作用力位置标高：0.000m。 (2)计算要求： 基础抗弯计算； 基础抗剪验算； 基础抗冲切验算； 地基承载力验算。 4.2 基底反力计算 (1)承载力验算时，底板总反力标准值(kPa)：相应于荷载效应标准组合 Pk = (Nk+Gk)/A = 306.67 P kmax = (Nk+Gk)/A + Mkx/Wx + Mky/Wy = 306.67 Pkmin = (Nk+Gk)/A - Mkx/Wx - Mky/Wy = 306.67 各角点反力 P1=306.67, P2=306.67, P3=306.67, P4=306.67。 (2)强度计算时，底板净反力设计值(kP
12、a)：相应于荷载效应基本组合 P= N/A = 360.00 Pmax = N/A + Mx/Wx + My/Wy = 360.00 Pmin = N/A - Mx/Wx - My/Wy = 360.00 各角点反力 P1=360.00, P2=360.00, P3=360.00, P4=360.00。 (3)地基承载力验算: Pk=306.67 fa=342.00kPa, 满足； Pkmax=306.67 1.2fa=410.40kPa, 满足。 (4)基础抗剪验算: 抗剪验算公式 V0.7hftAcGB50010-2002 第 7.5.3 条 (剪力 V 根据最大净反力 Pmax 计算)
13、第 1 阶(kN)：V 下=367.20,V 右=410.40,V 上=367.20,V 左=410.40； 砼抗剪面积(m2)：Ac 下=0.91,Ac 右=0.68,Ac 上=0.91,Ac 左=0.68； 抗剪满足。 (5)基础抗冲切验算: 抗冲切验算公式 Fl0.7hpftAqGB50007-2002 第 8.2.7条 (冲切力 Fl 根据最大净反力 Pmax 计算) 第 1 阶(kN):Fl 下=28.61,Fl 右=163.61,Fl 上=28.61,Fl 左=163.61； 砼抗冲面积(m2): Aq 下=0.43,Aq 右=0.43,Aq 上=0.43,Aq 左=0.43； 抗
14、冲切满足。 (6) 基础受弯计算： 弯矩计算公式 M=1/6la2(2b+b)Pmax(la=计算截面处底板悬挑长度) 配筋计算公式 As=M/(0.9fyh0) 第 1 阶(kN.m)： M 下=69.91,M 右=120.60,M 上=69.91,M 左=120.60； 计算 As(mm2/m)：As 下=407,As 右=935,As 上=407,As 左=935； 抗弯计算满足。 5 盾构切削桥桩时的控制措施 桥桩临时加固后，盾构继续掘进切削剩余 2 根桩，推进过程中采取所有可能措施减少盾构刀具磨损，保证盾构顺利通过并且对桥基础影响最小。具体措施如下： (1)切削剩余桩体时降低盾构推进
15、速度和刀盘转速，推进速度控制在8mm 以内，刀盘采用 1 档转速。 (2)穿越过程中严格控制推进土压降低总推力。根据本工程穿越卫工桥盾构隧道覆土深度（14.3m） ，正常情况下盾构掘进控制土压为0.120.15MPa。土压升高或降低对桩基础都是不利的，土压过高对盾构周边桩体扰动大，刀具磨损加剧。土压过低地面沉降容易超标。所以在掘进过程中要严格保持掘进面的土压在 0.120.13Mpa 左右。 (3)向盾壳外注膨润土降低盾壳摩擦力，降低总推力。 (4)增加同步注浆量，及时填充盾尾间隙。 (5)盾尾通过桩体 4 环后，采用水泥浆进行二次注浆。 (6)采用高浓度膨润土浆液和泡沫剂进行渣土改良，降低刀
16、具温度、主轴承扭矩和改善渣土的和易性。 (7)如果盾构无法切削通过桩体，或通过桩体后无法正常掘进则按照以下应急预案实施： 情况一：盾构在切削中间桩体时，刀具磨损严重，总推力大于盾构设计推力。 处理方法：卫工明渠正处于枯水季节，可封闭半个渠道，换填河底淤泥后，筑岛进行降水井施工。水位降到刀盘底后，进行人工挖孔，开挖直径 1800mm，深度 18m，1 米一个节段。护壁厚度 150mm 采用早强混凝土。人工挖孔深度范围内中粗砂、卵石层较厚，考虑到砂土地层自立性差，较为松散。为加强护壁安全，竖向采用 8 圆钢，环向采用 10 圆钢。 人工挖孔到刀盘底标高后，对刀盘范围内人工挖孔桩外围进行注浆加固，达
17、到强度后破除刀盘侧桩壁，更换刀具及破除桩身钢筋。 情况二：盾构在切削最后一根桩体时，刀具磨损严重，盾构推不动。处理方法：在桥台两侧进行降水井施工。水位降到刀盘底后，同样进行人工挖孔，更换刀具及破除桩身钢筋。 情况三：盾构通过桥桩后，刀具磨损严重，盾构无法继续推进。 处理方法：根据情况可选择将盾构停在便于封闭围挡、便于施工作业位置，进行降水井施工。水位降到刀盘底后，同样进行人工挖孔，更换刀具及破除桩身钢筋。 6 盾构切桩过程及切桩前后数据分析 6.1 盾构切削桥桩前掘进情况 盾构切削桩前所处地层基本为粉细砂及中粗砂地层，每环掘进时间3040 分钟，出土 45m3 左右（虚方） ，其他掘进参数均较
18、理想。详见表1。 表 1 掘进参数表 6.2 盾构切削桥桩过程中掘进情况 (1)盾构机切削第一根桩推进情况（施工前不知情） （推进环数为429430） （推进 429 环，切桩 100mm；推进 430 环切桩完毕） 429 环推进过程 429 环管理行程至 1061mm 时，刀盘扭矩突然变大，扭矩从先前的 40%突然上升到 80%以上，而且扭矩不稳定，其间刀盘出现三次瞬间超扭矩，推力逐渐增大到 14000kN，并在 1200014000 kN 之间变动，推进速度降低到 10cm/min。 430 环推进过程 430 环刀盘启动时，扭矩比较高，达到 70%左右。添加剂设定为泡沫原液混合比 50，流量 800L/min，1 号加泥泵打开，流量为 60L/min，2号加泥泵关闭。千斤顶速度开始为 30cm/min，此时刀盘扭矩开始跳动，在 40%90%之间来回跳动。千斤顶速度也不稳定，随着刀盘扭矩的突变忽快忽慢（即扭矩大时，千斤顶速度降低，扭矩小时，千斤顶速度加快） 。将千斤顶速度减到 20mm/min 推进，刀盘转速设定为 2 档后。刀盘频繁出
