超深搅拌桩在盾构常压换刀中的应用

８６　管理施工　城市道桥与防洪　２０１０年７月第７期　超深搅拌桩在盾构常压换刀中的应用　陈建军　（中铁十六局集团有限公司，北京市１０００１８）　摘要：南水北凋中线穿黄工程中要进行盾构刀盘常　下修复的Ｔ作，须在盾构机　、生行防渗墙和地基加固的施Ｔ。该文　阐述　采用超深搅拌桩方案进行盾构常压换刀的方案选择过程，并介绍ｒ其施　工艺及主要设计参数。文章最后总结了施　Ｔ中存在的问题及其改进措施。　关键词：超深搅拌桩；盾构刀盘修复；止水帷幕；土体加固　中图分类号：Ｕ４５５．４３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—７７１６（２０１０）０７—００８６—０６　

０　引言　盾构穿越砂卵石等地层时，南于地下水位高、　土层渗透系数大，盾构刀具磨损严重。在这种地层　施工时经常需要更换盾构刀具，有时甚至要对刀　盘进行修复。一般情况下，采用气压作业是解决城　市隧道刀具检查与更换的较好办法Ⅲ。沈阳地铁　

一号线第９标段采用人工挖孔进行盾构换刀，取　得了成功ｌ　２】。成都地铁盾构２标采用从刀盘前方　注ＡＢ液填充注浆的方式对地层进行加固，成功　进行了刀具更换　。广州轨道交通三号线市桥站　北一番禺广场段区问盾构采用三重管旋转喷射施　工工艺加固地层后进行了换刀Ｉ４ｊ。另外，采取小导　管注浆加固或采用素混凝土桩并进行桩问袖阀管　注浆对地层加固进行换刀也有成功案例【　］。　南水北调中线穿黄工程盾构机在埋深２７．９　ｍ　处进行换刀作业。采用４２　ｍ超深深层搅拌桩对盾　构前方地层进行加固形成止水帷幕，在止水帷幕　内外对土体进行降水，实现了常压下刀盘改造和　修复　１　工程概况　１．１施工背景　南水北调中线穿黄工程盾构机进入粘土夹钙　质结核层后，扭矩、推力明显增大，掘进速度非常　缓慢。初步判断为刀具磨损严重，刀盘也遭到一定　程度的磨损。通过带压进舱检查，发现１６把边缘　铲刀均受到了严重的磨损，铲刀外缘全部被磨损　掉，仅剩余１５　ｅｍ长的刀体，外缘约２５　ｅｍ的刀座　全部磨损，同时滚刀、先行刀和刮刀也都受到不同　程度的磨损。经分析认为，目前的刀具配置不能很　好地适应穿黄工程地质的需要，同时在今后的穿　收稿日期：２０１０—０５一ｉｌ　作者简介：陈建军（１９７２一），男，河南南阳人，硕士，高级Ｔ程　师，副总工程师，从事地下工程施工技术管理丁作。　黄盾构掘进施工巾还会有长距离含大量钙质结核　的全断面粘土层和约３００　１ＴＩ的全断面砂卵石地　层，这些地层对刀盘的冲击和损坏很大，冈此，对　刀盘刀具进行修复和改造势在必行。　由于对盾构刀盘修复及刀具改造需要进行大　量动火作业，而目前在高压下动火作业非常危险　且不易操作，经过研究分析后认为，刀盘修复及刀　具改造宜在常压下进行。　１．２工程地质和水文地质条件　施工场地位于河南焦作市温县东南部黄河滩　内，为耕植地，地形平坦，四周开阔。对盾构换刀　加同区域地质进行了补充勘察，打勘察孔４孔，通　过４个钻孔所揭露的地层岩性，并参考南水北调　中线穿黄工程的地质资料，对地层结构作了分层，　其地层岩性自上而下分布情况如表１、图１。　

表１　盾构常压换刀段岩土物理力学指标　土岩名称　，　耕植土　２０．６　１５．４　０．７４３　７一ｌ２　２６．０～２７．０　粉砂　２３．７　１５．０　０．８３３　０　２９．０～３１．０　细砂　２２．８　１５．３　０．７６４　０　３１．６～３３．５　中砂　２１．４　１５．６　０．７３３　０　３２．５～３５．６　中砂　１９．３　１６．９　０．５８２　０　３１．８　中砂　２１．６　１６．５　０．６４５　０　３２．８～３５．１　粉质壤土　２１．１　１６．７　０．６０７　２４～３１　１８．５～２０．５　粉质粘土　２０．５　１７．４　０．５６６　２８～４５　１８．１—２０．３　砂岩　１８．７　１７．２　０．５６１　０　３０　

（１）０～２．４　ｍ为耕植土，灰色，松散状；（２）　２．４～１４　ｍ为粉细砂，浅黄色，较为纯净，松散一　稍密状；（３）１４～２７．９　ｉｎ为中粗砂，浅褐灰色，饱　和，密实状；（４）２７．９～２９．９　ＩＴＩ为粉质壤土含大量　钙质结核，褐黄色，结构较紧密，可塑状；（５）２９．９～　３３　ｍ为粉质粘土，浅棕红色，可塑～硬塑状；（６）　３３～３５．１　ＩＴＩ为粉质壤土；（７）３５．１～３７．５　１ＴＩ为粉质　２０１０年７月第７期　城市道桥与防洪　管理施工　８７　１＃钻孔　２＃钻孔　耕植土　耕植土　粉细砂　粉细砂　ｊ　

中砂　中砂　盾构机位置　，２１．８（１　．８）　２７．９（１３　９１　竖　粉质壤土　／一　—＼　粉质壤土　

ｆ　、　粉质粘土　

粉质粘土　一　３３．０（３．１）Ｖ　粉质壤土　蚴（　，　一　粉质壤土　—：　堑　．　２＼～＼　粉质粘上　粉质粘土　

ｌｌ、Ｌ　＼　钙质结核胶结层　蛆　』　塑　钙质结核胶结Ｆ　

粉质粘土　ｌ　业　粉质粘土　

第三纪微胶结砂岩　，４　：　（２：２）　笪　第ｊ纪微胶结砂岩　

图１　盾构常压换刀区域地层结构图　

粘土含大量钙质结核；（８）３７．５～４０　ｍ为泥钙质　结核胶结层，结构紧密，渗透系数很小，强度较高，　单个钙质结核单轴抗压强度为８．５～ｌ５．７　ＭＰａ，硬　度约３度；（９）４０～４２．２　１ＴＩ为粉质粘土，（１０）４２．２～　４８　ＩＴＩ为第ｊ纪未胶结砂岩。　该工程地下水类型主要为孔隙潜水，含水层　主要为第四系砂层，地下水静水位高程１００．２５　１３３，　埋深约２．７８　１ＴＩ。水位受气候变化影响较大，并具　有一定的季节性变化规律。根据区域地质资料，该　处水位年变化幅度在±２．０　ｍ左右。　２盾构常压换刀加固方案设计　２．１盾构常压换刀加固方案选择　盾构机上方有２７．９　ｉｎ的砂层，地下水位高，　水量丰富，加固及降水施工难度极大。为此，在盾　构机周边施工一道防渗墙作为止水帷幕，并对盾　构刀盘前部和尾部周围土体进行加固，施工深度　达４２　ＩＴＩ，待加固全部完成后，在止水帷幕内外对　土体进行降水。然后，再进行常压下修复及改造刀　盘施工。　由于该工程盾构机埋深较大，地质情况复杂，　止水帷幕距离盾构机及成型隧洞管环较近，加固　深度大，施工难度极高。采用搅拌桩防渗墙作为止　水帷幕，需解决搅拌桩施工深度浅的问题。普通的　三轴搅拌桩，加固深度在桩架３０　１ＴＩ高度以内。超　过３０　ｍ以后桩架的稳定性减弱，钻杆加接难度较　大，而且搅拌动力等设备条件也ＩＩ￣ＩＩ４了此工艺在　深层地基加固领域的应用。为解决此难题，该工程　采用日本三和株式会社生产的ＭＡＣ一２４０—３Ｂ　（ｃＩ，８５０）三轴搅拌机具和预埋钻杆加接技术，以及　配套的施工工艺，来解决三轴搅拌桩加固深度的　难题。　２．２止水帷幕及地基加固搅拌桩布置方案　选用水泥搅拌桩在盾构机四周施工止水帷　幕，采用桩问套打施工。同时，为确保常压修复　及改造刀盘时刀盘上方和前方土体的稳定，对　盾构机前方土体进行三排搅拌桩加固，对盾构　机上方范围进行７排搅拌桩加固（具体布置见　图２～图４）　

３施工工艺及主要设计参数　３．１超深三轴水泥土搅拌桩施工流程　超深三轴水泥土搅拌桩施工工艺流程见图５。　具体步骤如下：　（１）场地平整　三轴机施工前，必须先进行场地平整，原始地　面标高为１０３．０２　ｉｎ，清除施工区域内的表层硬物　及浮土。在对施工区域进行障碍物清理之后，用碎　石土回填夯实，地面标高控制为１０３．２２　１ＴＩ，并在桩　机车辆的行走区域上面铺设钢板和路基箱，确保　８８　管理施工　城市道桥与防洪　２０１０年７月第７期　图２搅拌桩防渗墙与地基加固桩位布置图（单位：ｃｍ）　／‘　ｄ　

泥掺量１５％．　ｄ　ｃ　复　水泥掺量３０％　水泥　参量３０％　

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图３搅拌桩防渗墙与地基加固纵剖面图【单位：ｃｍ）　

桩机的行走安全。　（２）测量放样　根据该工程的坐标基准点，按照设计图进行　放样定位工作，并做好标志，以便挖掘机开挖。然　后提请监理进行复核验收。　（３）开挖沟槽　根据测量放样采用挖机开挖沟槽，并清除地　下障碍物，施工沟槽的中心线为三轴搅拌水泥土　墙的施工中心线，沟槽的宽度不大于１　ｍ。　’　（４）搅拌桩机的拼装　该项工法要求对施工设备进行选型，选型的　主要依据是桩深、桩截面形状和尺寸等，通常要确　

图４盾构机尾部防渗墙剖面图（单位：ｃｍ）　图５超深搅拌桩施工流程图　定的内容包括：桩机型号、桩架高度、加接次数、　钻杆组合等。一般能够进行超深三轴搅拌桩施工　的桩机为１２０　ｍ以上液压履带式桩机，桩架的高　度一般为１８　ｍ、２４　ｍ、２７　ｍ和３３　ｍ。　根据技术要求对桩架、电机和钻杆进行组装，　组装要求至少需要有４０　ｍ×２０　ｍ的场地，并需要　吊车配合施工。　（５）桩机就位　由起重指挥工统一指挥，桩机就位。移动前看　２０１０年７月第７期　城市道桥与防洪　管理施工　８９　清上、下、左、右各方面的情况，桩机就位桩机应　平稳、平正，并用桩机自带的仪表进行垂直度检　测。检测前需要先用经纬仪对垂直度仪表进行规　零校正，桩架两个方向的垂直度偏差不大于　１／５Ｏ０。　（６）三轴搅拌桩孔定位　搅拌桩机上的２根吊锥线距钻杆中心线为　６００～１　２００　ｍｍ，导沟开挖好后，在沟漕中心线向　外６００　１　２００　ｍｍ处用固定物做出标记，并在固　定物上标记好每幅桩的中心点。这样，桩机吊锥线　对准定标记，即完成孔位定位。　（７）搅拌下沉　启动电动机，根据土质情况控制好速率，放松　卷扬机使搅拌头自上而下切土、搅拌、下沉，直到　钻头下沉钻进至设定标高。　（８）拆卸钻杆接头　第一组钻杆下沉到接头位于地面附近时，用　短梁将钻杆组的顶端抱箍（即连轴器）挑起，搁置　在导梁或路基箱上。拆下接头，使机架与第一组钻　杆脱离，桩机移位。　（９）加接预埋钻杆　先将待加接的钻杆放置在地下预先钻好的桩　位孑Ｌ中，通过移动桩机来“获取”待加接的钻杆　组，使钻杆加接的操作可以由人工在地面上进　行，利用桩机本身的提升动力，拉动预置在地下　的钻杆。　将桩机移动到预埋钻杆的位置，并将预埋钻　杆连接到桩架上，提升动力装置和其下部连接的　第二组钻杆（预埋钻杆），再移动桩机回到原来的　桩位。仔细调整桩架的垂直度和平面位置，使加接　钻杆和第一组钻杆的接头准确对接。　（１０）反转提升　搅拌钻杆反转，按照设计提升速度低档转速，　喷浆、喷气，在提升过程中，根据钻杆加接次数的　不同，相应也有一个逐段拆接钻杆的过程，所以超　深搅拌桩的提升过程并不是连续的，必须不断把　拆卸下来的钻杆，放回到预埋孔中，连接钻杆以　后，方能继续搅拌提升。当搅拌钻头提升到离地面　５０　ｃｍ处或桩顶设计标高后，关闭灰浆泵。此时单　幅搅拌桩的搅拌施工结束，按照施工顺序可以移　动桩机到下一幅桩位进行施工。　３．２水泥土搅拌桩主要施工参数　由于本次加固使用的是超深三轴搅拌桩，需　要加接钻杆，且该工程２８　ｍ以下地层以褐黄或浅　棕红色粉质壤土和粉质粘土为主，含大量次生钙　质结核，多呈硬塑～坚硬状，大大限制了搅拌桩施