全断面穿越桥桩盾构机改造技术研究

摘要：文章以盾构全断面掘削桥梁桥桩项目为背景，对盾构机的改进改造技术进行了分析和研究。目前，国内虽已有多个盾构切削穿越桩基的施工案例，但国际上还没有一套盾构机切削钢筋混凝土桩基的成套方案，相关的系统研究也几乎没有。本文综合采用工程案例调研等技术手段对盾构机穿越地下障碍物的改造进行了全面深入的研究，总结了施工经验，并提出合理的盾构机改造方案。

关键词：盾构机，全断面，穿越桥桩，改造技术

中图分类号：U455文献标识码：A

1 引言

随着我国经济的快速发展，城市化进程不断加快，以及大中城市人口的不断增长造成的交通堵塞日益严重，这为城市轨道交通的发展提供了一个良好的发展机遇。城市轨道交通凭借发车间隔短、方便快捷、运距长、运量大和故障少等优势逐渐赢得人们的青睐，输送了大量城市的居民，缓解了大城市的交通拥堵问题。而在地铁工程的建设过程中，不免出现许多盾构机下穿地下障碍物的工程案例。本文以盾构机直接切削钢筋混凝土桥桩的工程案例为基础，开展了全断面穿越桥桩的盾构机改造技术研究，可为今后其他类似盾构切除障碍物工程，提供较好的技术支撑和参考借鉴。

2 国内外技术现状

根据前期调研，目前国际上还没有一套盾构切削钢筋混凝土桩基的成套技术，关于盾构切削钢筋混凝土桩基的系统研究也几乎没有。国内虽已有多个盾构切削穿越桩基的施工案例，但不管是主动切桩还是被动切桩，相应的盾构切桩施工技术措施和风险控制方法还并不成熟。

盾构切桩可分为主动切削和被动切削。所谓主动切削是指在已知有桩基的前提下，采取相应的措施，切削穿越桩基。被动切削是指在不知有桩的条件下，切削穿越了桩基。通过向相关领域专家的询问了解，基本的结论是盾构直接切削穿越桩基是可行的，当然也存在一些不确定因素，有一定的风险，主要以钢筋不完全切削，可能缠绕刀盘以及损伤刀具，以及切削的钢筋无法从螺旋输送机排出为主。

3盾构穿越地下障碍物刀具选择

根据盾构机穿越桥桩的风险分析，设计采用贝壳先行刀作为主切桩刀具，改造后的盾构机刀盘上共追加焊接55把大贝壳刀，大贝壳刀高160mm长214mm宽64mm，镶嵌有五块高强硬质合金。

另外，在中心刀上面焊接增加10把小贝壳刀。小贝壳刀上镶嵌有四块高强硬质合金，中心刀及固定在上面的小贝壳刀（以下简称为“中心小贝壳刀”）总高350mm。

图1改造完成后的刀盘刀具实物照片

改造完成后的刀盘和刀具有以下特点：

1）刀盘面板上追加焊接贝壳先行刀和切削型先行刀，以及中心刀盘增加了切削贝壳刀，极大地增强了刀盘整体的切削能力，能够把钢筋混凝土均匀分段分块切断磨碎；

2）刀盘结构便于刀具的布置及受力，结构坚固、强度高、刚性大、耐磨程度高，可以承受在粉砂层中切削钢筋混凝土桩基时所产生的强大推力和扭矩；

3）刀盘开口率为40%，开口幅度550mm，可以有效地使切断钢筋、桩体混凝土碎渣、开挖面渣土所组成的混合渣土顺畅进入土仓的通道。同时土仓空间较大，中心障碍物少，表面平滑，可有效增加添加剂与渣土的混合效率，改善渣土的和易性；

4）盾构机采用8台55kW变频电动机驱动，具有较大的扭矩和多档转速，可适应切桩时的低速切磨掘进的需要；

5）装配了两把改进后仿形刀，最大超挖量为80mm，主要用于破碎对盾构机外包管有影响的残桩混凝土，能够对盾尾保护起到非常重要作用。

4 螺旋输送机改造

在富水软弱地层，一般使用有轴式螺旋输送机。但根据前期调研的结果，这种螺旋输送机排出盾构切桩产生的钢筋条和碎桩块的能力较差，钢筋条和碎桩块很有可能卡住螺旋输送机，使盾构机无法正常掘进施工，因此，采用能使盾构切桩产生的钢筋条和碎桩块能较为顺畅地排出的无轴式螺旋输送机，即带式螺旋输送机。

为了增加排出不规则形状钢筋以及混凝土块的能力，在可能的范围内加大螺旋输送机的直径；在螺旋输送机外壳、螺旋机前端靠近胸板处追加注泥浆孔及注浆管路；加大螺旋输送机的功率。同时，为了及时观察和处理不规则的钢筋以及可能发生的排土不畅等情况，应在螺旋输送机上多设几处施工、观测孔（50cm×50cm），可做临时紧急处理卡住的钢筋。对土舱内的螺旋输送机头部应进行加强处理，以应对可能遇到的断桩及钢筋。

螺旋输送机的最终改造方案如下：

（1）螺旋输送机传输轴更换为带式(无轴式)输送轴。

（2）增加1台液压马达，从3台变成4台，扭矩可提高33%。

（3）在螺旋机外壳再追加4个检查孔。

（4）在螺旋输送机外壳、螺旋机前端靠近胸板处追加改良及加固土体用的注浆管路（带球阀），共10个注入口。

（5）筒体内壁下方增强耐磨性。

（6）由于对现有螺旋输送机改动量较大，应重新做一个具有伸缩功能的带式螺旋输送机，可与原有更替使用。

5 外包管的保护改造

本次穿越桥梁桥桩所用盾构机的壁后注浆管和油脂注入管原是外置式的，即在盾构机壳的外部有局部突起。该突起部分在盾构切桩时可能碰到桩体而损坏，因此，有必要对其进行适当的保护和改造。外包管的最终改造方案如下：

（1）首先降低外部注浆配管的突起高度，由原来12cm降到8cm。

（2）在外壳板上追加配置减轻阻力用的先行刀。破除洞门掘进时，为防止洞口密封破损，此先行刀先用布和木材覆盖。

（3）去掉上、下部位遇到桩次数较多处的油脂外包管，原处用钢板焊住。往该位置注脂的配管与盾构机内右上用和左下用的注脂配管分别合流。

6 增加人舱系统

由于刀具可能受到损伤脱落等原因，有可能需要进舱换刀。盾构机在富水软弱地层掘进时，无压下开舱有很大的风险，需要人员带压进舱换刀，这就需要增加人行舱。同时，盾构土舱内也要预先安装工作人员在加压条件下进入土舱进行刀盘刀具检查更换作业的必要的安全设施。另外，在盾构土舱合理部位设置观察孔，以便在穿越桥桩时能充分掌握土舱中的情况，为气压法检查刀具刀盘情况进行必要的准备。具体改造如下：

（1）增加人舱系统（直径约1500mm，长度约3500mm），做气密性等相关检验，确保其性能完好，保证能够带压进舱换刀。

（2）为实际便于进入人舱进行有效的压气作业，追加以下附件：

①2个送气空气流量计；②8个消声器；③3个对讲机；④2个耐压防爆型日光灯；⑤1个压气室内用加热器；⑥1个送气空气冷却器。

7 其他

由于切磨桩的需要，对盾构机的刀盘扭矩提出更高的要求，应充分考虑切磨桩所需扭矩的增加量，加大盾构机的功率，并有一定的安全储备。当然，由于切磨桩时的对刀盘的软弱不均以及偏心矩的存在，应加强刀盘的刚度和抗变形能力。为了配合低速掘进（切磨桩）的需要，应为盾构推进系统增加微动功能。因此，改造时做了以下措施：

（1）增加一台低压推进泵，保证盾构机过桩时能够稳定低速推进；

（2）检查超前注浆孔，确保其安全畅通。过桩前准备好超前钻机；

（3）备两个土压传感器，过桩损坏时可更换。

8结论

文章中统计了国内现有盾构机穿越桩基的案例，总结了施工经验，并分析盾构切削地下障碍物可能遭遇的风险。在此基础上，综合考虑研究目的和试验场地条件等因素，有针对性地提出合理的盾构机改造加强方案、刀盘刀具及其他设备的改造方案。

参考文献：

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