盾構穿越隧道樁基的技術研究

張 鵬

（蘇州軌道交通建設有限公司，江蘇蘇州 215004）

1 引言

為了應對城市交通壓力和滿足日益增長的交通需求，城市軌道交通建設在規模和數量上不斷增加。然而，隨著地鐵線路對地下空間的占用日益增多，后期規劃、建設可以選擇的空間被進一步壓縮。在此背景下，新建的區間隧道穿越既有建（構）筑物和碰到所屬樁基的概率越來越大。區間建設在面對既有建（構）筑物時，一般會選擇盡量避開，但在多數情況下，線路無法調整只能直接穿越；當線路區域存在無法避開的樁基等障礙物時，一般優先選擇的方案是“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，在既有空間內或其所屬的建（構）筑物功能條件下不具備清障條件。因此，盾構直接穿越既有建（構）筑物及所屬樁基的施工技術對地鐵建設甚至線路規劃顯得尤為重要。

王傳富、史海波[2-4]等人對盾構機直接切割樁基礎穿越建（構）筑物進行了施工研究；吳志峰[5]等人研究盾構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化；李凱[7]開展了對某擬建高層建筑項目盾構切削鋼筋混凝土樁基施工技術的研究；周錦強[8]等人分析了盾構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，即地表注漿聯合洞內注漿加固和盾構控制方式；王國富、雷沙沙[9-10]等人對穿越群樁進行了數值模擬計算，提出了施工過程中各風險事件的風險等級；李洪慶[11]對盾構機的刀盤各部分設計耐磨保護措施，并介紹大直徑盾構穿越群樁的施工技術方案；張建華[12]等人研究盾構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穿越截樁對周邊地層、蓋梁體系的影響；楊成龍[14]對盾構穿越不明樁基后的處置工藝進行研究；張海[15]探討盾構近距離始發并下穿既有運營線路隧道主要風險及應對措施；倫軍朝[16]闡述盾構切削既有地鐵車站鋼筋混凝土樁施工技術。

2 工程概況

南京地鐵5 號線大中橋站—夫子廟站區間（以下簡稱“大夫區間”）采用盾構施工方法。區間盾構機自大中橋站始發推進至夫子廟站進行接收，區間長約1 177 m。區間隧道最大縱坡為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環東線的組成部分，屬于公路隧道。該公路隧道為地下一層鋼筋混凝土結構，結構寬度27.5 m，結構埋深約1.2 m，結構底板厚度1.2 m，頂板厚度1.1 m，側墻厚度1 m，中隔墻0.8 m。主體結構墻、板采用C30 混凝土。該區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。樁基與盾構在平面和剖面上均為交叉位置關系。該區域盾構掘進土層主要為粉細砂，滲透系數1.5×10-4cm/s，如圖1、圖2 所示。

圖1 區間和通濟門隧道平面關系

圖2 區間和通濟門隧道剖面關系（單位：m）

3 盾構機選型

區間隧道采用了φ6 450 mm 中交天和復合式土壓平衡盾構機施工，根據磨樁特殊工況，對盾構機進行了針對性的配置。

3.1 設備主要參數

盾構機驅動系統額定扭矩為5 631 kN·m，脫困扭矩為7 320 kN·m，刀盤轉速0.3～3.05 rpm；推進系統最大推力為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，螺旋機轉速為0.6～16 rpm。

3.2 刀盤刀具

盾構機配備了復合式刀盤，其結構采用輻條式設計，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）

在結合設備性能基礎上，刀具的增加和布置主要圍繞“保刀盤、控渣樣、防卡設備”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，應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1 個2 寸注入口，以便添加渣土改良劑降低噴涌風險、增強減阻效果。

4 主要技術措施

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

根據盾構實際推進里程，當盾構距離樁基約1 環時，應提前調整盾構推進參數，降低掘進速度，以確保盾構穿越樁基的穩定性。同時，還要關注盾構掘進的主要參數推力和扭矩。當推力和扭矩顯著提高且持續保持鋸齒狀，基本可以判斷設備開始碰到樁基，如圖8 所示。

圖8 盾構機扭矩時程曲線圖

盾構機在碰到樁基時推力由1 460 t 變為1 544 t，提高了約6%，刀盤扭矩由2 579 kN·m 變為4 330 kN·m，提高了68%；穿越過程中盾構推力呈現較為平穩的趨勢，扭矩則呈現鋸齒狀波動的變化形式；當扭矩參數趨于穩定后基本可以判斷盾構機已經穿越樁基。

4.3 盾構推進速度

穿越磨樁期間的推進速度對于最終磨樁的形態和效果尤為關鍵。在穿越公路隧道期間速度控制在2 cm/min以內，且保持穩定；盾構機在碰到樁基后，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 盾構刀盤速度

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

此區域碰樁前盾構刀盤轉速設置為0.8～1.0 r/min，碰樁后調整為1.0～1.2 r/min。如此不僅保證了磨樁形態的穩定性，也滿足了設備正常運轉需求。磨樁期間，盾構刀盤扭矩總體在4 500 kN·m 以內變化，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，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。注漿的填充率結合土層設置為140%～180%，即每環注漿量為4.5～5.8 m3，實際的注漿量會根據監測數據進行動態調整。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時，由于保壓困難，會影響上部隧道的穩定性。為解決這個問題，并結合實際磨樁工況，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。根據現場土樣試驗最終確定聚合物摻入物的技術參數為濃度1.2%，摻量15%，實際推進中根據推進速度均勻加入；泡沫混合液控制在3%的濃度，混合液的開度設置在45%～50%。

4.7 監測措施

考慮到公路隧道交通繁忙和盾構穿越的重要性，采用精力水準自動化監測技術，每小時監測1 次公路隧道本體內部的結構側墻和地表沉降。通過采取高精度高頻率的監測技術可以提高盾構穿越的精細化水平，便于及時調整施工參數確保工程的順利進行。

5 實際施工成果

5.1 上部隧道狀態

（1）總體而言，盾構穿越公路隧道及其樁基對公路隧道的影響較小，結構豎向累計位移變化2 mm 左右，小于產權單位規定的5 mm 要求；隨著土體的穩定，沉降量逐漸減少到0.5 mm，如圖9 所示。

圖9 公路隧道結構累計沉降監測曲線圖

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

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

5.2 出渣狀態

（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。根據鋼筋的數量、長度、斷口形態可以判斷，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，盾構刀盤出現一段高扭矩狀態（約5 000 kN·m），后期螺旋機扭矩達到117 kN·m的峰值，經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 型鋼參數基本吻合。根據鋼板尺寸和結構形式，該鋼板是H 型鋼的翼板，應位于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，結合斷口的破壞形式可以判斷，翼板是土體包裹狀態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 結語

通過刀具改造、模擬分析、自動化監測、渣土改良等措施的應用，盾構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施工的難題，得出了以下結論。

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

（2）針對磨樁工況，在設備性能得到保障的基礎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）結合盾構設備自身性能，適當增加螺旋機內部耐磨措施（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，加入的摻量應根據實際土樣進行調整。

（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果。40 cm×30 cm 大小、厚度約2.6 cm 的鋼板從螺旋機內順利排出有一定的巧合因素，在類似的工程項目中應加強地下障礙物的排摸，避免發生切削H 型鋼的工況。