浅谈地铁盾构区间磨桩刀盘选型

浅谈地铁盾构区间磨桩刀盘选型

黄双印

（中铁三局集团第四工程有限公司  北京  102300）

摘要：根据天津富水软土地层环境特征，以及白庙站～北洋桥站区间盾构机需经过切削磨除原地面建筑桩基19根特点，现将该区间盾构使用刀盘选型情况以及一些施工重点进行探讨。

关键词：富水软土；磨除桩基；刀盘选型

一、工程概况

白庙站～北洋桥站区间位于天津市河北区，自白庙站大里程端头始发，向东南方向潜行，下穿问津园公园、北运河之后穿越天泰路，到达区间终点北洋桥站接收。区间右线起止于右DK15+785.258～DK16+606.437，长821.179m；左线起止于左DK15+785.161～DK16+606.435，长836.713m，其中长链15.439m，线间距为12.0 m～15.0 m，隧顶埋深约6.5 m～17.3m，最小平面曲线半径R=370m，最大纵坡为24‰。本区间设1座联络通道兼泵房（右DK16+025.250/左DK16+022.975），位于北运河北侧。

二、磨桩概况

白北区间左线在585环-616环（DK16+533.37～DK571.34）范围穿越已拆除原自行车二厂6层办公楼。盾构机经过此处时需要切削磨除桩基19根，其中1#至15#桩长21m，16#至19#桩长31m。该楼桩基直径600mm，主筋8根Ф14mm螺纹钢，螺旋筋Ф8@250，加强箍筋Ф10@2000，混凝土强度30mpa。根据已拔除桩基钢筋笼侵入隧道长度来看，桩基钢筋笼侵入隧道的数量较少且长度较短，仅在隧道顶部1/3以上部位。

三、工程地质概况

磨桩区域隧顶埋深约13.3m，工程地质为⑥4粉质黏土、⑦粉质黏土、⑧1粉质黏土。

四、水文地质情况

天津地区地下水类型主要为松散岩类孔隙水，按形成时代、成因和水理特征可划分为潜水含水层及承压水含水层，其中与本工程建设密切相关的含水层为潜水含水层，浅部第⑧1t、⑧2、⑨2、⑩2层第一承压水含水层和中深部第⑾2、⑾4层组成的第二承压水含水层。

1、潜水

潜水一般分布于浅部土层中，以第⑦、⑧1层松质黏土为相对隔水底板。潜水补给来源主要有大气降水入渗及地表水径流侧向补给，水位具有明显的丰、祜水期变化，受季节影响明显，丰水期水位上升、枯水期水位下降。潜水水位稳定埋深为2.1～3.7m。

2、承压水

对本工程有影响承压水含水层主要为第一承压含水层及与第一承压含水层相连通的第二承压含水层。根据天津地区经验、承压含水层水位受季节影响不大，水位变化幅度小，接受上层潜水的补给，以地下径流方式排泄，同时以渗透方式补给深层地下水。第一承压水主要赋存于第⑧1t、⑧2层黏质粉土及第⑨2、⑩2层粉砂层中。第二承压水赋存于第⑾2、⑾4层粉砂中，第⑾4层埋藏较深，对本区问隧道无影响。

五、隧道结构及线型设计

白庙站～北洋桥站区间衬砌环类型为通用楔形环管片，管片内径5500mm，外径6200mm，管片厚度为350mm，混凝土强度C50、抗渗等级P10，每环由1块封顶块K、2块邻接块L、3块标准块B构成，环宽1500mm（小曲线半径段采用1200mm管片）。区间左线管片设计645环，其中1500mm管片211环，1200mm管片434环，磨桩段为1200mm管片。

白庙站～北洋桥站区间左线全长836.710m，其中长链15.439m，磨桩区域平曲线为R=383m右转弯圆曲线，竖曲线为9.268‰上坡。

六、周边构建筑物

在已拆除的原自行车二厂6层办公楼旧址上后建有一层平房，现为高台阶涮羊肉饭店，其采用砖砌基础，墙体为砖砌体，大厅中部砖砌立柱承重，房屋顶部采用方钢+方木承重，顶部铺设木板并在其上铺设卷材防水层。

七、施工范围管线

磨桩范围管线主要涉及通信管线、路灯线、电力10KV管线。磨桩施工区域管线情况如下：

八、针对性设计

本方案针对因受现场条件制约，需采用刀盘切削破除的19根桩进行编制，其中15根桩长21m，4根桩长31m。桩基直径600mm，桩基主筋8根Ф14mm螺纹钢，螺旋筋Ф8@250，加强箍筋Ф10@2000，混凝土强度30mpa。

九、方案关键技术及采用措施

1、对刀盘进行改造。为增强刀盘切削钢筋混凝土桩的能力，配置直角刀刃贝壳刀，数量23把，刀高155mm；可更换撕裂刀，数量21把，刀高175mm，撕裂刀型式为直角刀刃贝壳刀；36把切刀，刀高130mm。同时刀盘配置磨损检测装置，面板上用焊接耐磨复合钢板和堆焊耐磨合金网格的方法来实行对刀盘切削桩基的保护。

2、螺旋输送机改造。采用900mm内径轴式叶片螺旋输送机，其最高转速25r/min, 最大出渣能力420m³/h，最大通过粒径φ340×560mm。叶片轴前部镶焊合金块，螺旋机筒体内表面堆焊耐磨复合网格，提高螺旋机的耐磨性，且减少叶片与筒壁间的间隙。螺机叶片轴安装过程中严格控制叶片与筒壁间的间隙不得大于10mm，防止桩基Ф14主筋进入叶片与筒壁间间隙

卡死螺机。

3、做好施工前准备工作。如高台阶涮羊肉房屋结构及现状调查、磨桩前盾构机等设备性能检查、安全技术交底及应急培训、监测点布设及初始值采集、场内外沟通协调、以及现场施工物资设备准备；同时确保渣土池容量满足磨桩连续掘进要求。

4、加强掘进参数控制。根据本标段其它区间线路掘进参数总结，磨桩阶段盾构掘进时土压控制在1.6～1.8bar，初期推进速度10mm/min左右，刀盘转速0.8～1.0rpm，贯入度10mm/min以内，刀盘扭矩2500kN•m以内，总推力2000T以内，出土量为39m³左右，同步注浆量6.0方左右，注浆压力控制在2～5bar，并视情况进行二次补充注浆。

5、做好渣土改良及姿态控制。渣土改良采用泡沫加水，若掘进过程中出现渣温超36℃、有连续较大块状渣土、喷渣等现象或出现应急情况时，采用高分子聚合物或超强分散型泡沫剂进行渣土改良，以减小刀盘扭矩。由于磨桩段处于R=383m小曲线半径，盾构机姿态水平拟控制在+20～+30mm，垂直拟控制在-10～-30mm，并视施工情况进行适当调整。

6、做好磨桩期间的施工组织安排。盾构切削磨桩安排在高台阶涮羊肉店铺夜间息业时进行，磨桩过程安排专人负责地面的值守，一旦出现异常情况及时反馈给值班领导。

7、做好磨桩风险点的安全控制和应急措施。如磨桩过程中可能出现的盾构刀盘卡死、螺旋机被卡、刀具磨损、地表及建筑物沉降、桩头随盾构掘进位移、轴线偏移、刀盘结泥饼等；同时按方案储备所需应急物资。

8、加强监控量测。盾构磨桩前严格按方案要求埋设地表、建筑物及管线监测点埋设及初始值采集，磨桩过程中加强监控量测和地面巡视，并及时对监测数据进行分析，以指导现场施工。

9、由于刀盘改造后相比原刀盘重约22吨，盾构掘进过程中使拼装机后移以平衡重力，同时将下一环管片提前放置于拼装区。

10、加强领导带班管理。盾构磨桩时制定白夜班领导带班表并严格落实，同时磨桩期间由公司派人驻场提供相应技术支持。

十、核心控制点

核心控制点为刀盘及螺机改造质量，周边环境现状调查，掘进参数如掘进速度、刀盘贯入度、刀盘扭矩、总推力控制，渣土改良效果，姿态控制，施工组织安排、领导带班、监控量测、应急物资储备、以及磨桩过程风险点的安全控制及应急措施。

十一、盾构机刀盘改造

白庙站～北洋桥区间右线拟采用中铁594#盾构机掘进，中铁594号盾构机的主体设备推力和刀盘扭矩、转速、同步注浆、渣土改良系统、管片拼装机、螺旋输送机、皮带输送机、铰接密封等系统性能均能满足区间施工掘进要求，但原软土刀盘强度、刚度及刀具配置较弱，需更换刀盘，其结构如下图所示：

更换刀盘结构图

刀具配置：为增强刀盘对切削钢筋混凝土桩基工况的适应性，需优化其刀具配置。刀盘结构布置有23把焊接撕裂刀，刀高155mm，焊接撕裂刀轨迹与原滚刀轨迹相同。为增强刀盘切削钢筋混凝土桩的能力，现将焊接撕裂刀更换为直角刀刃贝壳刀，数量23把，刀高155mm，直角刀刃贝壳刀整体有较好的刚度和硬度，具有较大的抗折能力和抗冲击能力，焊接撕裂刀位置及直角刀刃贝壳刀如下图所示。

焊接撕裂刀位置示意图

直角刀刃贝壳刀

焊接撕裂刀轨迹图

滚刀更换为可更换撕裂刀，适应软土地层掘进，同时提高磨桩能力。原刀盘结构布置4把17寸中心双刃滚刀，刀高175mm；32把17寸单刃滚刀，刀高175mm；为满足天津软土地层刀盘适应性要求及保留足够的磨桩能力，将滚刀更换为可更换撕裂刀，刀高175mm，撕裂刀型式为直角刀刃贝壳刀。

撕裂刀安装示意图

刀盘安装36把切刀，刀高130mm。切刀主要起刮削作用，将破碎的混凝土及切削下来的钢筋刮削至土仓，防止钢筋缠绕刀具。

改造后刀盘技术参数表

刀盘面板上用焊接耐磨复合钢板和堆焊耐磨合金网格的方法来实行对刀盘本体结构的保护。

十二、盾构姿态控制

盾构机刀盘在切削破除桩基时，容易发生盾构机姿态偏移等情况。盾构司机在掘进过程中应利用测量系统连续测量盾构姿态偏差，根据偏差及时降低推进速度，缓慢切削混凝土及钢筋，并降低一侧油缸压力，通过不断加大油缸分区油压差以减小偏心影响来调整盾构机推进方向。

由于磨桩区域处于R=383m的小曲线半径，盾构机姿态水平拟控制在+20～+30mm，垂直拟控制在-10～-30mm，并视情况进行适当调整。同时加强盾尾间隙的控制及管片的选型，盾尾间隙应尽量保持四周均匀，控制在60mm左右，油缸的行程差不宜大于50mm，避免管片破损。