探究基于膨胀土地层的地下隧道盾构磨群桩施工方法

代建桃

随着城市化进程的快速发展，地下隧道建设成为现代城市发展中不可或缺的重要工程，然而在实际施工中，膨胀土地层具有高度可压缩性和膨胀性，对地下结构的稳定性和施工过程的安全性提出了严峻要求，给地下隧道施工带来了巨大的挑战。为了克服这一难题，本文针对基于膨胀土地层的地下隧道盾构磨群桩施工方法开展了深入的研究和探索，以期为解决膨胀土地层条件下的地下隧道施工技术难题提供新的思路和方法。

盾构磨群桩是一种用于地下隧道施工中处理桩基问题的施工方法。在部分情况下，隧道的设计线路与现有的桩基相交或桩基已经侵入隧道内部，在面对无法避开原有桩基，同时又无法对桩基进行拔桩处理的情况下，应用盾构磨群桩技术就成为一种克服膨胀土地层带来的施工问题的可靠的解决方案。该方法通过切削和处理膨胀土地层中的桩基，使盾构机能够在桩基侵入隧道内的情况下持续前进，不仅能够解决无法拔桩或调整线路的难题，而且能够确保隧道的稳定性和施工的高效性。因此，本研究旨在探究基于膨胀土地层的地下隧道盾构磨群桩施工方法，研究其工艺流程以及施工过程中的关键技术，以期为城市基础设施建设提供有力支撑，同时推动隧道工程领域的发展和创新。

一、工程概况

某市中心区域地铁2号线地下隧道工程，隧道类型为双线双洞，隧道起点里程为YDK10+500，终点里程为YDK12+800。右线设计长度为300.5m，左线为305.2m。线路最小曲线半径为500m。隧道间距为15.2～35.6m，埋深为10.3～20.8m。线路最小纵坡为0.3%，最大纵坡为1.8%。区间YDK11+200及YDK11+700处设置有2个联络通道。该地下隧道区域的地质条件主要由膨胀土地层组成，有桩基为295mm沉管灌注桩，桩长22.5～24.6m，混凝土强度等级为C35，隧道内共有16根桩基侵入，由于桩基无法进行拔除处理，且受线路限制，隧道埋深的最大可调整值已达上限，须采用切削桩基的方式，以确保隧道能够顺利推进。因此采用盾构磨群桩的方法进行施工，希望实现连接市中心区域的交通线路的目标，为市民提供安全、高效、便捷的交通运输方式。

二、地下隧道盾构磨群桩施工工艺流程

地下隧道盾构磨群桩施工是一种特殊的工程技术，用于处理隧道施工过程中遇到的桩基问题。通过盾构机上的切削工具，施加切削力并采用旋转、振动或锤击等方式，对桩基进行切削和破碎，以确保桩基侵入隧道的情况下，盾构机能够继续前进。地下隧道盾构磨群桩施工工艺流程，如图1所示。

图1 地下隧道盾构磨群桩施工工艺流程

在地下隧道盾构磨群桩的施工过程中，首先进行现场勘察，确定桩基的位置和尺寸，并制定施工方案和图纸，准备盾构机、切削设备和所需材料。并在隧道进口处设置施工平台，安装盾构机和切削设备，配置电力、供水和排水系统，使用盾构机和切削设备逐步切削桩基，并在切削过程中进行安全监测。完成切削后，进行清理和检查，确保施工区域无残留物和其它施工隐患，记录施工过程的数据、质量检验结果、安全情况、变更记录、照片和图纸等信息。通过以上工艺流程，达到高效、安全、质量可控的地下隧道盾构磨群桩施工目标。

三、膨胀土地层的地下隧道盾构磨群桩施工技术点

1.土层处理

在膨胀土地层的地下隧道盾构磨群桩施工中，第一步是执行土层处理。该地下隧道穿越桩基段范围地质主要为膨胀土，黏土、壤土和粉土等，液限在20%～100%之间，塑限低于60%。由于该类型土的颗粒表面带有电荷，在吸水后将吸附水分，并在颗粒间形成一层水合离子层，使土壤颗粒之间的间隙增大，导致土壤体积膨胀，施工过程中推进转矩较大，出土较为困难。因此，采用加注泡沫的处理方式，每3L水中加入1L泡沫剂和0.2L稳定剂，以60r/min的搅拌速度进行泡沫混合。在混合过程中，观察泡沫混合物是否均匀且没有明显的分层或沉淀现象，确保泡沫剂和稳定剂完全溶解并均匀分散在水中。泡沫混合完毕后，在土层表面设置加注泡沫的喷射口，然后将加注泡沫设备移动到喷射口位置，并将喷嘴置于土层表面。之后启动加注泡沫设备进行泡沫加注，保持喷射距离为2～3m、喷射角度为45°左右，每环加注量为40～50L，确保泡沫均匀分布在土层中。并根据实际施工需要，在不同位置重复以上步骤，直至整个土层完成加注泡沫处理，加注完毕后最短等待5h，即可继续正常施工。最后，清理施工区域，移除表层杂物和松散土壤，利用振动器、压路机等设备进行土壤压实，以便盾构机在后续工作中能够以匀速平稳的方式切削桩基，顺利推进膨胀土地层的地下隧道施工。

2.盾构机掘进

在推进起点附近的施工区域，清理碎石、垃圾、残留建筑物等阻碍盾构机推进的障碍物。在施工区域内选择固定的岩石层或混凝土结构作为基准点，使用激光仪、全站仪等测量工具进行现场测量和标记，确定推进起点的位置和隧道轴线的准确位置，测量误差在±5mm以内，以确保推进起点和隧道轴线的位置的测量结果具有较高的精度。根据测量结果，使用喷漆、标线等临时标记物，标记起点和隧道轴线的位置，确保标记清晰可见，为后续的施工过程提供参考和定位。并在推进起点附近安装盾构机的导轨和防护板，为盾构机引导前进方向，确保盾构机的运行轨迹准确无误，并防止坍塌土体对现场造成伤害。

根据膨胀土地层地质情况和地下隧道设计要求，控制盾构机的正面土压力、推进速度及刀盘转速以及出土量。未遇到桩基时，将盾构机的推进速度控制为3～6cm/min，控制盾构机刀盘转速为8r/min，正面土压力波动小于20kPa，若转矩小、无出土，则增加转速至10r/min，最高可调整至12r/min。当刀盘贴近桩基时，将推力范围保持在500～1000kN之间，每次增加推的幅度不超过50kN。由于地下隧道内各个桩基与刀盘的接触位置具有差别，为确保盾构机在施工期间能够保持稳定的姿态运行，严格控制盾构姿态变化量，将其限制在3～5mm/环的范围内，将油缸行程差控制在5cm以内，以精确调整盾构机的位置，适应不同桩基础的接触位置差异。确认盾构机刀盘完全通过切削桩基区后，逐步将盾构机的推进速度恢复至正常段推进速度，即5～10cm/min。同时，在切削桩基开始后记录出土方量，将出土量控制在50m3/h左右，同时密切观察螺旋输送机出土口处土层的排出情况，使用刷子清除螺旋输送机内部的残留物，使用高压水枪清洗螺旋和螺旋槽，清除土层堆积、泥浆等杂质，每7d清理一次，以保持其顺畅的工作状态。

3.注浆

为保证结构底板下基层密实，确保地下隧道的结构安全，施工中须加强隧道内注浆管理。注浆施工的过程中，要严格控制灌注桩工程质量，综合分析注浆材料的选择、注浆压力等因素，确保注浆参数能够达到地下隧道盾构磨群桩施工需求，降低施工问题的出现概率。

根据膨胀土地层的地质情况，设置同步注浆浆液配比，砂∶粉煤灰∶石灰∶膨润土∶水泥∶水∶外加剂为100∶200∶50∶50∶300∶150∶10，控制浆液体积质量大于1.2g/cm3，泌水率为10～50ml/h。将注浆孔的位置设置于隧道底板以下，注浆孔的间距在1～2m之间，与桩基相接触的部分为主要注浆区域，严格控制浆液稠度在8～10cm，注浆压力不可高于0.4MPa，以1.5倍左右的充填率进行注浆。切削桩基后，静置72h再进行二次注浆，设置二次注浆浆液配比，水泥∶粉煤灰∶砂∶膨润土∶水∶减水剂为300∶200∶400∶100∶400∶10，并根据地下隧道监测结果进行实时调整，以填充切削桩基与土体之间的空隙，并加固周围土体，增加支护效果，以防止土体松动和塌方，保证隧道结构的稳定。在二次注浆过程中，保持低速慢压，控制注浆压力为0.4～0.6MPa，注浆量为每环1m3。注浆完成后，及时对钻孔进行堵塞，以防止注浆材料泄漏。

4.开仓更换刀具

为保证盾构磨群桩施工的高效、稳定，施工中须每14d检查一次螺旋刀片、轴承、密封件等零部件的磨损和损坏情况，并及时更换磨损量达到更换标准的刀具，及时更换损坏的零部件。开舱前，停止运行盾构机，并确保已经采取关闭电源、断开动力源等安全措施。为防止隧道后方地下水涌入舱内，停机后在盾构机后方尾部、盾构机刀盘周围、螺旋输送机出口，分别做止水环封水，均匀施注速凝的水泥水玻璃双液浆，比例为水泥∶水∶水玻璃=1∶1.5∶0.2，控制注入压力为2.5～3.5MPa，按照从上到下的次序进行注入，逐渐向深层延伸，确保注入效果持续有效。

之后，使用气体检测仪对舱内气体进行检测，确认无有害气体后，安排施工人员进舱检查并记录刀盘前方钢筋位置和刀具磨损情况。记录完毕后，使用扳手和螺丝刀拧松固定螺栓，并使用液压千斤顶卸下旧刀具，然后使用刷子仔细清理切割区域，安装新刀具并紧固螺栓以确保刀具安装的正确性及稳固性。安装新刀具后，进行检查和调整，确保刀具安装正确，没有松动或倾斜。确认刀具已经安装好并调整到位后，将刀具螺丝二次复紧，并逐一清点使用工具，将其带出舱外并关闭刀盘室门，确保门扣紧，严格按照规范进入减压阶段，确保施工人员安全出仓。最后，按照操作规程和安全程序逐步启动盾构机，确保刀盘正常运转和切削作业。

5.后期处理

在膨胀土地层的地下隧道盾构磨群桩施工完毕后，进行后期的完善处理。使用推车、铲子、扫帚等工具清理隧道内的碎石，将碎石收集后运出隧道，并将泥浆收集到专用的泥浆池或泥浆槽中，采用泥浆分离器、离心机等泥浆处理设备，进行固液分离处理，将泥浆中的固体颗粒分离出来，对液体进行处理和排放。之后，使用激光测距仪、裂缝测量仪获取墙壁、天花板、地面等隧道内的结构数据，观察是否存在裂缝、掉落的石块或混凝土、脱落的涂层等情况，并对通风孔、紧急出口等隧道内特殊部位进行专门的检查，确保其完好无损和正常运行。对于裂缝宽度小于0.5mm的裂缝，使用聚合物或水泥浆料进行封堵，当裂缝宽度大于0.5mm时，则需仔细记录，并报告给相关的工程师和技术人员，使用混凝土修补或重建。最后，为确保修复后的隧道符合设计要求和安全标准，进行土壤稳定性、隧道结构完整性的验收程序，要求土壤渗透系数小于0.01 cm/s，土壤干密度达到1.8 g/cm3以上，土壤含水量保持在10%～15%之间，隧道结构中裂缝的宽度不超过0.2 mm，土壤侧压力小于20 kPa，从而通过盾构磨群桩施工，减少对周围土壤和桩基的振动和冲击，确保地基的稳定性和隧道结构的安全性，顺利推进膨胀土地层的地下隧道施工。

四、结束语

综上所述，通过使用地下隧道盾构磨群桩的施工方法，能够减轻土壤膨胀对施工的影响，为盾构机提供稳定的施工环境，不仅有助于提高施工效率，还有效地降低了地下隧道施工的安全隐患。本文结合工程概况，介绍了地下隧道盾构磨群桩施工工艺流程，并针对性地提出了土层处理、盾构机掘进、注浆、开仓更换刀具、后期处理等施工技术点，以期进一步优化盾构磨群桩施工方法的细节，为地下隧道工程的安全高效施工提供技术支持。