盾构穿越废旧码头不明桩基的处置措施与技术

杨成龙

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

随着各大城市轨道交通的蓬勃发展，在盾构施工过程中遇到的不明障碍物也越来越多样。盾构穿越不明障碍物，将加大刀盘磨损的风险，造成螺旋出土机故障，无法顺利出土，导致停机，对土体的稳定性也会造成一定影响。如何快速有效地解决盾构切削不明桩基后导致螺旋机卡顿、出土困难的问题，是当前轨交工程以及其他地下工程发展过程中必然要面对的难点之一。

针对盾构穿越不明桩基，国内外也有一些常规的做法。主要有以下方法：

1）微动直接切削桩体。通过降低盾构机的推进速度，降低刀盘的转速，以达到微动切削的效果，以免造成盾构中心轴承损坏，盾构机自身旋转，导致盾构长时间停机、维修等不可控后果。

2）盾构选型采用复合盾构机，适应多种工况。如对盾构设备进行改装，增加盾构机低速掘进功能，适当配备滚刀、先行刀等刀具，以防要切削不明障碍物桩体等。

3）气压出仓，直接凿除盾构前方的障碍物。通过对盾构前方土体施加压力，确保开挖面稳定，由专业的人员出仓去清理障碍物。

4）爆破法处置。这种工艺适用于岩层、孤石等没有大量钢筋的情况。

本文以上海市轨道交通15号线工程土建14标段天山路站—长风公园站区间隧道穿越苏州河中不明桩基为例，采取了一系列处置措施，探讨研究盾构在穿越不明障碍物时的处置方法和工艺。

1 实例分析

1.1 工程概况

本区间总长1 222.761 m，隧道呈V字坡，最大坡度12.572‰，最小平面曲线半径449.840 m，隧道顶部埋深11.3～22.0 m。区间设2座联络通道，其中于隧道最低点设1座联络通道兼泵站。本区间采用2台盾构机进行施工。分别自长风公园站始发，沿上、下行线推进至天山路站接收（图1）。

图1 盾构区间隧道平面

天山路站—长风公园站区间有吴淞江分布，区间隧道穿越处呈近南北走向，穿越处吴淞江明浜宽约45 m，吴淞江水面宽为45.0 m左右，据详勘，浜底最大深度为5.30 m，最深处浜底绝对标高为－2.48 m，淤泥厚度0.4～2.1 m。据设计纵断面图，区间隧道穿越吴淞江处隧道顶标高约为－15.60 m，覆土厚度约为13.0 m。吴淞江新建防汛墙，防汛墙基础为250 mm×500 mm板桩及300 mm×400 mm方桩，桩长12 m，桩底绝对标高－8.50 m。上行线隧道在里程XK26＋453.034～XK26＋502.234、下行线隧道于里程SK26＋398.401～SK26＋450.001分别穿越防汛墙，隧道下穿，上、下行线隧道最小净距6.8 m。区间隧道距防汛墙桩基底部垂直净距7.7～8.4 m。

需要说明的是，盾构穿越防汛墙桩基是已知的，且防汛墙的桩基未侵入隧道断面内；而盾构穿越防汛墙后进入河道内4～5 m碰到不明桩基是本文重点要研究的对象。

1.2 工程地质情况

天山路站—长风公园站区间隧道在苏州河防汛墙区段主要穿越的土层为：②3-2层灰色砂质粉土、⑤1-1层灰色黏土、⑤1-2层灰色粉质黏土。

2 盾构遇不明障碍物情况简述

2019年5月27日8：00，盾构机在511环推进279 mm，此时盾构机切口刚进入苏州河北侧防汛墙3环（在508环开始穿越防汛墙，此时切口位于苏州河下方），刀盘扭矩由2 200 kN·m（44%）增至3 300 kN·m（68%），并一直保持至512环320 mm降至2 200 kN·m（44%），螺旋机压力保持13 MPa变化不大。5月27日10：30，盾构机在512环推进978 mm，螺旋机压力由13 MPa突变至20 MPa并保持不变，螺旋机已卡死，开始清理螺旋机内障碍物。

5月27日11：25，螺旋机清障完成后继续推进，螺旋机压力降至14 MPa，刀盘扭矩为2 100 kN·m（41%）。清障一共清出φ25 mm螺纹钢4根，长度40～50 cm；直径约20 cm混凝土块6块。5月27日12：45，盾构机在513环推进974 mm，螺旋机压力由13 MPa突变至18 MPa并保持不变，螺旋机再次卡死，并导致螺旋机故障。

5月28日9：00，螺旋机清理完成后恢复推进，螺旋机压力降至9.6 MPa，刀盘扭矩为1 820 kN·m（36%）。清障一共清出φ25 mm螺纹钢3根，长度40～60 cm；直径约20 cm混凝土块2块。5月30日19：00，盾构机在524环推进至273 mm，螺旋机压力由10 MPa突变至23 MPa，螺旋机已无转速，刀盘扭矩2 370 kN·m（45%）。

5月31日17：35，螺旋机清理完成后恢复推进，螺旋机压力降至9.2 MPa，刀盘扭矩为2 000 kN·m（39%）。清障一共清出φ25 mm螺纹钢3根，长度30～50 cm（图2）。6月1日0：45，盾构机在529环推进至1 160 mm，螺旋机压力由9.2 MPa突变至25.8 MPa并保持不变，刀盘扭矩无明显变化。

图2 清理出的混凝土块和钢筋

截至6月4日早上7点，盾构已停机42 h，螺旋机情况仍无改善，螺旋机启动时最高转速仅为0.7 r/min，螺旋机回转压力骤然提升至27 MPa。

3 主要处理措施及处理过程简述

针对上述情况，判断盾构机停机时间会较长，由于盾构机切口位于苏州河下，盾尾位于防汛墙下面，所以必须确保盾构机、盾构隧道自身姿态及防汛墙安全。

首先，初步判断障碍物位于螺旋机前端，通过之前几次数据分析发现，从螺旋机压力变大至障碍物排出有一定的时间差；其次，螺旋机前端钢板为加强钢板，板厚较厚，螺旋机叶片与炮筒间隙小于其他位置。初步判断位置后，进行解决方案的讨论，根据实际情况采取以下措施。

3.1 及时调整土压、定时测量盾构姿态

由于盾构机停机时间过久，土仓内土压会逐渐下降，为防止土压偏低导致盾构机切口下沉的问题，盾构机操作人员对开挖仓土压进行实时监控，如有下降情况发生，及时通过盾构机闷推（不出土，通过千斤顶微量伸长提升土压）对土压进行调整。

同时测量人员每日对盾构姿态进行复测，确保对盾构姿态的掌握，防止停机过久盾构出现较大偏离情况。

3.2 超声波测厚仪探测

利用超声波测厚仪测定螺旋机内壁与异物之间的间距，计算出障碍物的尺寸。经过测定后判断，障碍物与螺旋机内部密贴，长度为30 cm。

3.3 金属探测仪

金属探测器是一种应用广泛的探测器。探测区工作面经特殊设计，探测面积大、扫描速度快、灵敏度极高。外壳采用ABS工程塑料一次铸成，具有抗击能力强、工艺精细、质量轻、便于携带等特点。

金属探测器使用前，需要调整探测杆的长度，只要将黑胶通旋松，推拉胶通套管至适宜的长度，再旋转胶内通管，使电缆线绕紧，并使手柄尖端朝上，最后将黑胶通旋紧，锁住胶通套管。这样，手握探测器手柄时，大拇指正好紧挨灵敏度调节电位器。调整金属探测器灵敏度时，探测碟（振荡线圈）要远离金属，包括带铝箔的纸张，然后旋转灵敏度细调电位器旋钮打开电源开关，并旋转到一半的位置，再调节粗调电位器旋钮，使扬声器音频叫声停止，最后再微调细调电位器，使扬声器叫声刚好停止，这时金属探测器的灵敏度最高。用金属探测器探测金属时，只要探测碟靠近任何金属，扬声器便会发出声音，远离到一定位置叫声自动停止。

项目部通过金属探测仪进行多次探测，在螺旋机内部探测到金属物质，后证实是各种直径规格的钢筋。

3.4 螺旋机维修

1）通过超声波探伤确定螺旋机内部损坏位置，对相应部件进行维修与更换。同时检修工人对相应配套设施进行检修，维修更换已损坏的零件设备。

2）由于清障会增加螺旋机系统油压，故需要对螺旋机油压系统进行加强处理。更换高规格油管、阀门、压力表、阀块密封圈、优质液压油等。

3）维修的设备、零件配备备件，后期遇到螺旋机故障，可以第一时间进行维修、更换，节约修理时间。

3.5 障碍物清理措施

1）螺旋机正反转交替启动，逐渐增加螺旋机正反转压力，通过螺旋机不断地正反旋转，将被卡的异物排出。同时在螺旋机正反转过程中，通过螺旋机前端的加水阀添加膨润土液进行润滑（图3）。

图3 螺旋机示意

2）正反转交替启动螺旋机，在螺旋机筒壁开检修孔，确定障碍物位置，并对障碍物进行处理。开孔之前在开孔位置焊接球阀，防止开孔后泥砂喷涌。该方法在前4次故障中均成功排出异物，第5次故障发生至6月4日，该方法无明显效果。在螺旋机正反转过程中，通过螺旋机前端的加水阀进行加膨润土液润滑，效果不佳。

3）障碍物无法排出，则须启动螺旋机开仓措施。打开螺旋机之前，先向刀盘下部土仓添加克泥效[1]低强密封浆，对螺旋机前端土体进行加固密封处理；在开仓位置提前安装1道可快速关闭的闸门，如发生泥水喷涌现象可立即关闭闸门，阻止泥浆喷涌。再对螺旋机进行开仓处理后，直接将障碍物掏出，之后恢复螺旋机各项功能后开始推进。

3.6 监测措施

由于盾构机位于防汛墙下方，恐切削障碍物对防汛墙下方土体造成较大扰动，故需要加强对防汛墙及周边地表的沉降变形监测频率。

监测频率为每天2次，监测报警值如下：

1）河道驳岸垂直位移：累计±10 mm，1 mm/d。

2）地表垂直位移：累计隆起10 mm或沉降20 mm，2 mm/d。

根据监测数据及时调整盾构切口土压力、补充同步注浆量，最终在盾构停机的这段时间里（共计11 d），防汛墙累计变化最大值为－9.87 mm，地表沉降累计变化最大值为－1.61 mm，均符合设计及规范要求。

3.7 二次注浆加固

盾构通过后，对该区段隧道进行保护性注浆加固（图4）。本区间隧道在下行线盾构穿越防汛墙（不明障碍物）控制区共设置400环特殊管片，管片上增设10个注浆孔[2]，每环管片共计15个注浆孔，除封顶块外每块管片设3孔。加固后的土体应有良好的均匀性和较小的渗透系数，注浆加固后土体强度要求不低于1.0 MPa。隧道推进结束后，根据实测监测资料，对变形较大的部分，打开预留的注浆孔，进行再注浆，以达到控制变形的目的。

图4 保护性注浆示意

3.8 盾尾油脂压注

由于盾构停机时间较久，障碍物可能对盾尾刷造成损伤，管片分层注浆施工导致盾尾处密封压力增大。为保护盾尾刷及盾尾密封性能，更换优质的进口盾尾油脂，并增加盾尾油脂压注量[3]，以确保盾尾的密封效果。

4 经验总结

本次不明障碍物的处置方法及过程，有效地解决了本项目的难题，但在个别方面还是有所不足，总结了一些经验教训，特别是对于盾构机设备配置，可为有可能遇到不明障碍物风险的盾构施工项目提供参考。

盾构设备在设计制造时，应做好切削障碍物的配置：

1）刀盘磨损检测装置。刀盘上安装液压式的磨损检测装置。当液压系统压力下降时，会发出警报信号。磨损检测装置为可更换式，磨损后可以从刀盘背面进行更换。

2）增大刀盘扭矩。为了在切削桩基时，盾构机有足够的推力，要求盾构刀盘驱动系统具备足够的扭矩以应对切削桩基施工。

3）径向注浆系统。盾构壳体切口环环向设置4个带球阀的径向注浆孔，盾构机本体内预先安置注浆管路。盾构长期停机过程中，必要时可以向外部土体进行注浆加固，以有效防止盾构机本体磕头或下沉。

4）低速掘进功能。盾构推进系统具备低速掘进功能，能够实现盾构机以≤2 mm/min的超低速度稳定地进行掘进施工。

5）螺旋机配置。螺旋机应具备前、后2道闸门，可伸缩装置，并增开多道检修窗口，可有效防止被障碍物卡住（图5）。

图5 螺旋机配置示意

5 结语

城市不断发展更新，地下会存在许多废弃桩基以及其他建（构）筑物，有些障碍物由于时间久远，资料可能会查不到。由于地下空间的不断开发，盾构施工过程中穿越不明障碍物的情况无法避免。

本文以上海市轨道交通15号线14标段天山路站—长风公园站区间为例，通过采取超声波探测、螺旋机维修、施工参数控制、施工工艺调整及二次注浆等一系列措施，进行盾构穿越不明障碍物的处置，及时快速地解决了由于盾构穿越不明障碍物导致盾构施工暂停的问题，减小了由于暂停推进对土体稳定性造成的影响，确保了在建隧道的施工安全，可为今后类似工程的施工提供借鉴。