盾構(gòu)穿越隧道樁基的技術(shù)研究

張 鵬

（蘇州軌道交通建設(shè)有限公司，江蘇蘇州 215004）

1 引言

為了應(yīng)對城市交通壓力和滿足日益增長的交通需求，城市軌道交通建設(shè)在規(guī)模和數(shù)量上不斷增加。然而，隨著地鐵線路對地下空間的占用日益增多，后期規(guī)劃、建設(shè)可以選擇的空間被進一步壓縮。在此背景下，新建的區(qū)間隧道穿越既有建（構(gòu)）筑物和碰到所屬樁基的概率越來越大。區(qū)間建設(shè)在面對既有建（構(gòu)）筑物時，一般會選擇盡量避開，但在多數(shù)情況下，線路無法調(diào)整只能直接穿越；當線路區(qū)域存在無法避開的樁基等障礙物時，一般優(yōu)先選擇的方案是“清障”，即拔樁，有時還需要先進行樁基托換[1]或者補強后再拔樁。不過清障具有時間周期長、社會影響大等不利因素。另外，一些障礙物存在其特殊性，在既有空間內(nèi)或其所屬的建（構(gòu)）筑物功能條件下不具備清障條件。因此，盾構(gòu)直接穿越既有建（構(gòu)）筑物及所屬樁基的施工技術(shù)對地鐵建設(shè)甚至線路規(guī)劃顯得尤為重要。

王傳富、史海波[2-4]等人對盾構(gòu)機直接切割樁基礎(chǔ)穿越建（構(gòu)）筑物進行了施工研究；吳志峰[5]等人研究盾構(gòu)直接切削大直徑樁基的可行性，評價滾刀和切刀的切樁性能；李谷陽[6]等人研究分析了刀具刃角與刃寬對刀具受力的影響，并對切樁刀具貝殼刀進行了尺寸優(yōu)化；李凱[7]開展了對某擬建高層建筑項目盾構(gòu)切削鋼筋混凝土樁基施工技術(shù)的研究；周錦強[8]等人分析了盾構(gòu)下穿人行天橋樁基沉降變形特征，提出了針對性的施工控制技術(shù)，即地表注漿聯(lián)合洞內(nèi)注漿加固和盾構(gòu)控制方式；王國富、雷沙沙[9-10]等人對穿越群樁進行了數(shù)值模擬計算，提出了施工過程中各風(fēng)險事件的風(fēng)險等級；李洪慶[11]對盾構(gòu)機的刀盤各部分設(shè)計耐磨保護措施，并介紹大直徑盾構(gòu)穿越群樁的施工技術(shù)方案；張建華[12]等人研究盾構(gòu)下穿電力隧道切削樁基對地表的沉降影響；高洪梅[13]等人利用有限元方法分析了盾構(gòu)穿越截樁對周邊地層、蓋梁體系的影響；楊成龍[14]對盾構(gòu)穿越不明樁基后的處置工藝進行研究；張海[15]探討盾構(gòu)近距離始發(fā)并下穿既有運營線路隧道主要風(fēng)險及應(yīng)對措施；倫軍朝[16]闡述盾構(gòu)切削既有地鐵車站鋼筋混凝土樁施工技術(shù)。

2 工程概況

南京地鐵5 號線大中橋站—夫子廟站區(qū)間（以下簡稱“大夫區(qū)間”）采用盾構(gòu)施工方法。區(qū)間盾構(gòu)機自大中橋站始發(fā)推進至夫子廟站進行接收，區(qū)間長約1 177 m。區(qū)間隧道最大縱坡為32‰，隧道頂部埋深9.59～24.04 m，最小平面曲線半徑R=450 m。

大夫區(qū)間沿大光路向西推進，在龍蟠中路下穿正在運營的通濟門隧道，通濟門隧道為南京城市內(nèi)環(huán)東線的組成部分，屬于公路隧道。該公路隧道為地下一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)寬度27.5 m，結(jié)構(gòu)埋深約1.2 m，結(jié)構(gòu)底板厚度1.2 m，頂板厚度1.1 m，側(cè)墻厚度1 m，中隔墻0.8 m。主體結(jié)構(gòu)墻、板采用C30 混凝土。該區(qū)域圍護形式為型鋼水泥土攪拌（樁）墻（SMW 工法樁），施工完成后拔除H 型鋼。

在該公路隧道中部位置存在圍護施工時留下的3根φ1 000 mm 立柱樁（鉆孔灌注樁），每根樁基都包含14 根φ22 縱向主筋，箍筋φ8@200 mm，混凝土強度等級為C30。樁基與盾構(gòu)在平面和剖面上均為交叉位置關(guān)系。該區(qū)域盾構(gòu)掘進土層主要為粉細砂，滲透系數(shù)1.5×10-4cm/s，如圖1、圖2 所示。

圖1 區(qū)間和通濟門隧道平面關(guān)系

圖2 區(qū)間和通濟門隧道剖面關(guān)系（單位：m）

3 盾構(gòu)機選型

區(qū)間隧道采用了φ6 450 mm 中交天和復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機施工，根據(jù)磨樁特殊工況，對盾構(gòu)機進行了針對性的配置。

3.1 設(shè)備主要參數(shù)

盾構(gòu)機驅(qū)動系統(tǒng)額定扭矩為5 631 kN·m，脫困扭矩為7 320 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速0.3～3.05 rpm；推進系統(tǒng)最大推力為41 600 kN，低速模式推進速度為2 mm/min，最大推進速度為80 mm/min；螺旋機脫困扭矩達202 kN·m，螺旋機轉(zhuǎn)速為0.6～16 rpm。

3.2 刀盤刀具

盾構(gòu)機配備了復(fù)合式刀盤，其結(jié)構(gòu)采用輻條式設(shè)計，開口率40%，原主要刀具配置如表1 所示。

表1 原主要刀具配置表

針對磨樁特殊工況，針對性增加了34 把焊接式貝殼刀。如表2、圖3～圖5 所示。

表2 增加的焊接式貝殼刀表

圖3 R1～R3 刀具示意圖（單位：mm）

圖4 X 刀具示意圖（單位：mm）

圖5 增加刀具軌跡示意圖（單位：mm）

在結(jié)合設(shè)備性能基礎(chǔ)上，刀具的增加和布置主要圍繞“保刀盤、控渣樣、防卡設(shè)備”的目標開展，具體措施如下。

（1）刀盤周邊刀具磨損相對中心較大，邊緣刀具增加21 把，正面刀具增加13 把。

（2）增加的刀具與原先行刀形成2 個高差。180 mm高度的刀具提前將部分混凝土的保護層刮開，然后待160 mm 的先行刀到達后進行切削。

（3）為控制磨樁破除鋼筋的形態(tài)，應(yīng)切斷或部分切拉斷鋼筋，避免無法破壞鋼筋而纏繞刀盤，邊緣刀具軌跡間距89 mm。

（4）切削樁基順利完成還需保證刀盤周邊刀具的完整性，確保有效開挖直徑。周邊的保徑刀配置在外周邊同軌跡。

3.3 螺旋機

（1）盾構(gòu)螺旋機本身具備伸縮功能，當遇到鋼筋卡住螺旋機的情況時，可通過螺旋機伸縮動作使鋼筋位移錯動，同時，正反轉(zhuǎn)螺旋機也會盡可能將鋼筋排出；若螺旋機被鋼筋卡住，無法通過伸縮功能排除障礙物時，可以通過分布在螺旋機筒體上的2 個檢修窗口進行清理。

（2）螺旋機中部及出泥口處2 道閘門間各增設(shè)1 個2 寸注入口，以便添加渣土改良劑降低噴涌風(fēng)險、增強減阻效果。

4 主要技術(shù)措施

4.1 磨樁擾動模擬

在穿越切削過程中由于樁基連接著隧道底板，因此需要分析施工引起隧道底板沉降及受力是否滿足要求。

運用Midas GTS NX 進行影響分析，通濟門隧道樁基與隧道底板連接方式為鋼格構(gòu)柱插入底板，計算時插入深度即為底板厚度，如圖6、圖7 所示。

圖6 底板變形（單位：m）

圖7 底板應(yīng)力（單位：kPa）

磨樁期間，通濟門隧道最大豎向位移0.47 mm，最大水平向位移0.56 mm，底板最大應(yīng)力1.6 MPa，理論上磨樁安全。

4.2 穿越樁基起止研判

樁基的位置對于盾構(gòu)穿越而言顯得尤為重要。前期，結(jié)合圖紙上樁基位置采用物探雷達對樁基位置進行復(fù)核和精準定位，根據(jù)定位坐標反饋到區(qū)間線路上；盾構(gòu)臨近樁基前，多次復(fù)核管片里程，計算盾構(gòu)和樁基的距離，確定碰到樁基時盾構(gòu)推進油缸的里程和管片號。

根據(jù)盾構(gòu)實際推進里程，當盾構(gòu)距離樁基約1 環(huán)時，應(yīng)提前調(diào)整盾構(gòu)推進參數(shù)，降低掘進速度，以確保盾構(gòu)穿越樁基的穩(wěn)定性。同時，還要關(guān)注盾構(gòu)掘進的主要參數(shù)推力和扭矩。當推力和扭矩顯著提高且持續(xù)保持鋸齒狀，基本可以判斷設(shè)備開始碰到樁基，如圖8 所示。

圖8 盾構(gòu)機扭矩時程曲線圖

盾構(gòu)機在碰到樁基時推力由1 460 t 變?yōu)? 544 t，提高了約6%，刀盤扭矩由2 579 kN·m 變?yōu)? 330 kN·m，提高了68%；穿越過程中盾構(gòu)推力呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的趨勢，扭矩則呈現(xiàn)鋸齒狀波動的變化形式；當扭矩參數(shù)趨于穩(wěn)定后基本可以判斷盾構(gòu)機已經(jīng)穿越樁基。

4.3 盾構(gòu)推進速度

穿越磨樁期間的推進速度對于最終磨樁的形態(tài)和效果尤為關(guān)鍵。在穿越公路隧道期間速度控制在2 cm/min以內(nèi)，且保持穩(wěn)定；盾構(gòu)機在碰到樁基后，啟動微動模式，磨樁期間推進速度保持為2～3 mm/min。穩(wěn)定的低速磨樁有利于保證樁基主要被磨斷，而不是被折斷或者被拉斷，同時也有利于控制鋼筋以磨斷或者磨拉破壞的形式斷裂。

4.4 盾構(gòu)刀盤速度

在穿越樁基過程中，控制刀盤轉(zhuǎn)速至關(guān)重要，刀盤轉(zhuǎn)速大小與磨樁形態(tài)和設(shè)備狀態(tài)密切相關(guān)。如果刀盤轉(zhuǎn)速過高，一方面可能會對樁周土體造成較大擾動，對周邊環(huán)境的沉降產(chǎn)生不利影響。另一方面，持續(xù)的高轉(zhuǎn)速會使得設(shè)備承受的負荷較大，持續(xù)的時間越久影響越大；相反，如果刀盤轉(zhuǎn)速過低，則刀盤的貫入度過大，相應(yīng)刀盤在磨樁期間的扭矩也會變得很大，對于設(shè)備和磨樁均會產(chǎn)生不利影響。因此，合理的刀盤轉(zhuǎn)速對于穿越樁基和設(shè)備的正常運行至關(guān)重要。

此區(qū)域碰樁前盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.8～1.0 r/min，碰樁后調(diào)整為1.0～1.2 r/min。如此不僅保證了磨樁形態(tài)的穩(wěn)定性，也滿足了設(shè)備正常運轉(zhuǎn)需求。磨樁期間，盾構(gòu)刀盤扭矩總體在4 500 kN·m 以內(nèi)變化，未超過額定扭矩。

4.5 注漿控制

注漿包含同步注漿和二次注漿，其中同步注漿的控制尤為重要。同步注漿及時充分填補管片和土體建筑間隙，一方面可以減少推進的土體變形，另一方面可以減少后期二次注漿量，進而減少對土體的二次擾動。

同步注漿原漿液采用傳統(tǒng)厚漿，主要材料為膨潤土、中細砂、石灰、粉煤灰、水，漿液泌水率控制在3%以內(nèi)，坍落度為14±2 cm，7 天抗壓強度不低于0.4 MPa，28 天的抗壓強度大低于1.0 MPa。注漿的填充率結(jié)合土層設(shè)置為140%～180%，即每環(huán)注漿量為4.5～5.8 m3，實際的注漿量會根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整。為了及時控制地面沉降，減少管片后期上浮量，在原漿液內(nèi)按照1%的比例加入水泥。

4.6 改良措施

在含水砂層中掘進盾構(gòu)時，由于保壓困難，會影響上部隧道的穩(wěn)定性。為解決這個問題，并結(jié)合實際磨樁工況，需要添加物對刀盤進行減阻降溫。因此在實施中添加2 種改良物進行渣土改良：高分子聚合物和泡沫。根據(jù)現(xiàn)場土樣試驗最終確定聚合物摻入物的技術(shù)參數(shù)為濃度1.2%，摻量15%，實際推進中根據(jù)推進速度均勻加入；泡沫混合液控制在3%的濃度，混合液的開度設(shè)置在45%～50%。

4.7 監(jiān)測措施

考慮到公路隧道交通繁忙和盾構(gòu)穿越的重要性，采用精力水準自動化監(jiān)測技術(shù)，每小時監(jiān)測1 次公路隧道本體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)側(cè)墻和地表沉降。通過采取高精度高頻率的監(jiān)測技術(shù)可以提高盾構(gòu)穿越的精細化水平，便于及時調(diào)整施工參數(shù)確保工程的順利進行。

5 實際施工成果

5.1 上部隧道狀態(tài)

（1）總體而言，盾構(gòu)穿越公路隧道及其樁基對公路隧道的影響較小，結(jié)構(gòu)豎向累計位移變化2 mm 左右，小于產(chǎn)權(quán)單位規(guī)定的5 mm 要求；隨著土體的穩(wěn)定，沉降量逐漸減少到0.5 mm，如圖9 所示。

圖9 公路隧道結(jié)構(gòu)累計沉降監(jiān)測曲線圖

（2）穿越前，隨著盾構(gòu)機與公路隧道距離的逐漸接近，隧道結(jié)構(gòu)位移開始呈現(xiàn)微上抬趨勢。在實際推進過程中，為使盾構(gòu)前方區(qū)域保持微隆狀態(tài)，將土壓力設(shè)置稍高一些，這樣可以消除盾構(gòu)穿越后期地面和公路隧道的沉降。

（3）磨樁期間，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移變化較大，說明磨樁工況盾構(gòu)刀盤對樁體的作用力在一定程度上影響了隧道結(jié)構(gòu)的位移狀態(tài)，這與模擬分析0.47 mm 的最大位移影響結(jié)論一致。

5.2 出渣狀態(tài)

（1）螺旋機出土口清理出的φ22 mm 鋼筋長度分布在30～50 cm 之間，局部最長達到120 cm，混凝土碎渣尺度大約在15～20 cm 范圍內(nèi)。根據(jù)鋼筋的數(shù)量、長度、斷口形態(tài)可以判斷，部分鋼筋是刀具切與拉扯組合下破壞的。刀具的間距可以適當再小一些以減小鋼筋的破壞長度，如圖10 所示。

圖10 出土口取出的鋼筋、碎塊

（2）部分鋼筋會“卡住”螺旋機，但通過伸縮功能，鋼筋被順利排出，鋼筋截面被劈裂的深度約為10 mm。

（3）在穿越公路隧道前期，盾構(gòu)刀盤出現(xiàn)一段高扭矩狀態(tài)（約5 000 kN·m），后期螺旋機扭矩達到117 kN·m的峰值，經(jīng)過渣土口清理排出了一塊40 cm×30 cm 大小、厚度約2.6 cm 的鋼板，這與該公路隧道施工期間插入的工法樁H 型鋼參數(shù)基本吻合。根據(jù)鋼板尺寸和結(jié)構(gòu)形式，該鋼板是H 型鋼的翼板，應(yīng)位于H 型鋼的底端部位。翼板表面被刀具切屑的深度達到1.2 cm，結(jié)合斷口的破壞形式可以判斷，翼板是土體包裹狀態(tài)下在刀具的切屑和刀盤的拉扯中被撕裂，如圖11 所示。

圖11 出土口取出的H 型鋼翼板

6 結(jié)語

通過刀具改造、模擬分析、自動化監(jiān)測、渣土改良等措施的應(yīng)用，盾構(gòu)在砂性土層中順利穿越公路隧道樁基，解決了不具備拔樁條件盾構(gòu)施工的難題，得出了以下結(jié)論。

（1）盾構(gòu)砂性土層穿越公路隧道和樁基可以將上部結(jié)構(gòu)最大沉降控制在2 mm 左右。高精度和高頻率的自動化監(jiān)測手段有助于推進參數(shù)精細化調(diào)整和控制，進一步降低施工影響。

（2）針對磨樁工況，在設(shè)備性能得到保障的基礎(chǔ)上可以進一步減少周邊刀具軌跡的間距，從而更好地控制出渣鋼筋和混凝土塊的尺寸。

（3）結(jié)合盾構(gòu)設(shè)備自身性能，適當增加螺旋機內(nèi)部耐磨措施（增加耐磨條等），同時將脫困扭矩提高至200 kN·m 以上，可以降低鋼筋卡住螺旋機的風(fēng)險。

（4）針對砂性土層下穿越公路隧道和樁基的施工特點，可以采用添加高分子聚合物和泡沫改良劑的方式對土體進行改良，加入的摻量應(yīng)根據(jù)實際土樣進行調(diào)整。

（5）2.6 cm 厚度的H 型鋼翼板被切削，一方面說明在刀具切削下H 型鋼末端有被切削的可能，另一方面說明型鋼被切削破壞是刀具切削和拉扯等組合下的結(jié)果。40 cm×30 cm 大小、厚度約2.6 cm 的鋼板從螺旋機內(nèi)順利排出有一定的巧合因素，在類似的工程項目中應(yīng)加強地下障礙物的排摸，避免發(fā)生切削H 型鋼的工況。