復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)切割地下通道樁基的施工技術(shù)

史海波（上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司， 上海 200002）

為了滿足日益緊張的城市交通需求，具有節(jié)能、快捷及大運(yùn)量特征的城市地鐵等地下交通得到了迅速發(fā)展，但隨著地下空間的不斷開(kāi)發(fā)，可利用的地下空間已進(jìn)一步縮小，城市地鐵線路的選擇余地也越來(lái)越小。在此情況下，新建城市地鐵線路遭遇既有建構(gòu)筑物樁基礎(chǔ)的情況將越來(lái)越多[1]，在隧道線路具備調(diào)整條件時(shí)，一般選擇從樁身側(cè)邊“側(cè)穿”[2]或從樁端下側(cè)“下穿”[3]，但此類設(shè)計(jì)方案往往容易導(dǎo)致其他新問(wèn)題并增加額外的費(fèi)用；當(dāng)線路受限制且無(wú)法避讓樁基時(shí)，則一般采用拆除原建構(gòu)筑物、地面拔樁、開(kāi)挖豎井后鑿樁等傳統(tǒng)方式[4]進(jìn)行事先清樁，這類方案雖相對(duì)安全成熟，但也存在對(duì)周邊環(huán)境影響大、成本高、工期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。因此，采用盾構(gòu)機(jī)直接切割樁基礎(chǔ)穿越建構(gòu)筑物的施工法，則可有效解決隧道調(diào)線調(diào)坡成本過(guò)高及無(wú)法事先清樁的問(wèn)題，進(jìn)一步擴(kuò)大城市地鐵等地下交通建設(shè)的選擇空間。

1 工程背景

上海市軌道交通 14 號(hào)線工程豫園站—陸家嘴站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間上、下行線隧道在新永安路與中山東二路路口位置先后下穿外灘通道，區(qū)間隧道和外灘通道在平面上分別呈 63° 和 64° 的斜交，穿越段長(zhǎng)度約 28 m，隧道與通道結(jié)構(gòu)底板最小豎向凈距約 19.7 m，與通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻）最小豎向凈距約 2.6 m。區(qū)間上、下行線隧道穿越外灘通道施工需切割 5 根外灘通道樁基，其中上行線切割 3 根，包括 1 根 A 型、2 根 B 型樁基；下行線切割2 根，包括 1 根 A 型、1 根 B 型樁基。A、B 型立柱樁均為φ700 mm 鉆孔灌注樁，采用 8 mmΦ25 mm 主筋、φ8 mm螺旋箍、φ14 mm 焊接加強(qiáng)筋，水下 C30 混凝土澆筑；A 型立柱樁底標(biāo)高為 －37.0 m，侵入隧道約 5.4 m，B 型立柱樁底標(biāo)高為 －48.0 m，全斷面侵入隧道（A、B 型樁均為臨時(shí)承重樁，與通道結(jié)構(gòu)底板間無(wú)直接連接）。

根據(jù)樁基的設(shè)計(jì)里程，結(jié)合管片的里程，下行線隧道 A型立柱樁位于 333 環(huán)，B 型立柱樁位于 344 環(huán)；上行線隧道 A 型立柱樁位于 341 環(huán)，B 型立柱樁分別位于 345 環(huán)及350 環(huán)。

穿越段上、下行線隧道豎曲線均為 －2% 的下坡，上行線平曲線為直線，下行線平曲線為緩和曲線（R=699.873 m）。穿越段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)土層為 ⑤3-1灰色粉質(zhì)黏土，為飽和軟土層，具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高的特性。

2 盾構(gòu)機(jī)切割樁基施工的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

（1）隨著盾構(gòu)機(jī)的切樁施工，立柱樁樁身截面逐步減少，樁身抗彎強(qiáng)度亦逐步降低，容易出現(xiàn)樁身直接斷裂形成殘樁并追隨盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，造成盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑擴(kuò)大，進(jìn)一步擾動(dòng)地層，對(duì)建構(gòu)筑物沉降控制產(chǎn)生不良影響。

（2）盾構(gòu)機(jī)切樁過(guò)程中，樁基的鋼筋并不會(huì)全部被直接切斷，部分鋼筋可能纏繞在刀盤(pán)上直至被扯斷，斷筋隨刀盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣可能造成超挖情況，甚至直接纏繞在刀盤(pán)中心軸上，造成刀盤(pán)無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）刀盤(pán)切樁產(chǎn)生的斷筋長(zhǎng)短不一，斷筋進(jìn)入螺旋機(jī)后可能纏繞在螺旋機(jī)葉片上，卡住螺旋機(jī)使其無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

（4）盾構(gòu)機(jī)切樁過(guò)程中，由于刀盤(pán)刀具需不斷沖擊及摩擦樁基的混凝土及鋼筋，刀盤(pán)刀具會(huì)產(chǎn)生一定的磨損，若沖擊力過(guò)大還會(huì)造成刀具的崩落、損壞，影響到盾構(gòu)機(jī)后續(xù)的正常掘進(jìn)。

（5）盾構(gòu)機(jī)穿越外灘通道時(shí)，上、下行線隧道豎曲線均為 －2% 的下坡，上行線平曲線為直線，下行線平曲線為緩和曲線（R=699.873 m），刀盤(pán)相對(duì)樁基存在夾角，不能同時(shí)接觸到樁身，受力不均可能導(dǎo)致隧道偏離設(shè)計(jì)軸線甚至盾構(gòu)機(jī)卡殼風(fēng)險(xiǎn)。

3 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備選型

豫園站—陸家嘴站區(qū)間隧道采用了兩臺(tái)中交天和φ6 830 mm 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工，盾構(gòu)機(jī)針對(duì)切樁需求進(jìn)行了針對(duì)性的配置。

（1）配置了復(fù)合式刀盤(pán)，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式為輻條＋面板，開(kāi)口率為 40%，并采用可更換式刀具，同時(shí)還配有磨損檢測(cè)裝置及仿形刀。

（2）盾構(gòu)螺旋機(jī)配置了可伸縮裝置，如出現(xiàn)鋼筋卡死，可開(kāi)啟螺旋機(jī)伸縮裝置，并結(jié)合螺旋機(jī)正反轉(zhuǎn)操作來(lái)盡量排除鋼筋；同時(shí)螺旋機(jī)上還布置有三道檢修口，如出現(xiàn)鋼筋卡死螺旋機(jī)且無(wú)法排除的情況，可打開(kāi)檢修口進(jìn)行清除。

（3）為避免切樁過(guò)程中出現(xiàn)同步注漿系統(tǒng)（烏龜殼）被卡風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)機(jī)采用了內(nèi)置式同步注漿系統(tǒng)；同時(shí)盾構(gòu)機(jī)還配置了徑向注漿系統(tǒng)，切樁過(guò)程中可及時(shí)向外部土體進(jìn)行補(bǔ)漿，控制上部結(jié)構(gòu)沉降及推進(jìn)時(shí)應(yīng)急減阻（可加注膨潤(rùn)土等材料）。

（4）盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定扭矩為 8 251 kN·m，脫困扭矩為 10 726 kN·m，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速 0～1.5 r/min；推進(jìn)系統(tǒng)最大總推力為 51 200 kN，微動(dòng)模式推速為 2 mm/min，最大推進(jìn)速度為 60 mm/min；盾構(gòu)機(jī)還配有主動(dòng)鉸接系統(tǒng)。

4 施工技術(shù)措施

4.1 切樁判斷依據(jù)

切割樁基前，對(duì)管片里程進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)結(jié)合樁基的設(shè)計(jì)里程，計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)接觸樁基的理論環(huán)號(hào)及盾構(gòu)機(jī)油缸行程等。同時(shí)考慮到樁基實(shí)際施工時(shí)可能存在一定偏差，因此在刀盤(pán)接觸樁基前，提前 1 環(huán)將刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度等施工參數(shù)調(diào)整至切樁狀態(tài)。當(dāng)演算工坊中刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)電機(jī)電流折線圖出現(xiàn)較正常推進(jìn)階段更為明顯的波動(dòng)，其表現(xiàn)為振幅明顯擴(kuò)大，則可判斷為刀盤(pán)刀具已接觸樁基；當(dāng)?shù)侗P(pán)扭矩、刀盤(pán)電機(jī)電流折線圖波動(dòng)開(kāi)始變緩，則可判斷為切樁已基本完成（圖1）。

圖1 盾構(gòu)機(jī)參數(shù)變化折線圖（以刀盤(pán)電機(jī)電流為例）

4.2 合理設(shè)置土壓力

盾構(gòu)機(jī)切割樁基時(shí)，應(yīng)合理設(shè)定土壓力，以維持開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定，盡可能減少對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，防止土體的過(guò)量沉降和變形。根據(jù)施工段劃分，參數(shù)模擬段土壓力設(shè)定值為 0.69～0.70 MPa；結(jié)合土層情況、隧道埋深、地下通道結(jié)構(gòu)自重等計(jì)算出穿越段理論土壓力為 0.58～0.60 MPa；根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整后，穿越段土壓力設(shè)定為0.57～0.58 MPa。

4.3 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制

刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制對(duì)樁的穩(wěn)定性有著重要影響，若轉(zhuǎn)速過(guò)快則對(duì)樁周土體的擾動(dòng)較大[5]，對(duì)結(jié)構(gòu)沉降控制不利，同時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)設(shè)備負(fù)荷過(guò)大，影響到盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；若刀盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)小，則刀盤(pán)的貫入度過(guò)大[6]，刀盤(pán)扭矩隨之增大，對(duì)整個(gè)切樁施工不利。因此，在參數(shù)摸索段對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速進(jìn)行模擬性試驗(yàn)，驗(yàn)證刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定值，既能滿足盾構(gòu)機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)需求，也能提高切樁效率。

切割樁基前，對(duì)管片里程進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)結(jié)合樁基的設(shè)計(jì)里程，計(jì)算出盾構(gòu)接觸樁基的理論環(huán)號(hào)及油缸實(shí)際行程等，以此作為參考。同時(shí)考慮到樁基實(shí)際施工時(shí)可能存在一定偏差，因此在刀盤(pán)接觸樁基前，提前 1 環(huán)將刀盤(pán)轉(zhuǎn)速調(diào)整至 1.0 r/min，非切樁期間刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在 0.8 r/min。

4.4 推進(jìn)速度控制

盾構(gòu)機(jī)切割樁基時(shí)，啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)微動(dòng)模式進(jìn)行慢速切磨，減少對(duì)樁體的擾動(dòng)。參數(shù)摸索段盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度控制在20 mm/min左右；穿越段，非切樁階段盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在 10～20 mm/min；切樁階段啟動(dòng)微動(dòng)模式，推進(jìn)速度控制在≤5 mm/min（在刀盤(pán)接觸樁基前，提前 1 環(huán)啟動(dòng)微動(dòng)模式）；穿越后控制段盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度控制在 20 mm/min左右。

4.5 同步注漿及二次注漿

施工期間，嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，及時(shí)充填管片與土體之間的間隙，減少施工過(guò)程中的土體變形，有效控制外灘通道結(jié)構(gòu)沉降。同步注漿采用了新型厚漿，其材料由石灰、粉煤灰、膨潤(rùn)土、中細(xì)砂、水、外摻劑等組成，漿液密度≥1.8 g/cm3，泌水率≤5%，坍落度為 12～16 cm，7 d 抗壓強(qiáng)度≥0.15 MPa，28 d 的抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa。注漿率取環(huán)形空隙的 150%～180%，即每環(huán)注漿量為5.6～6.8 m3，注漿壓力略大于地層壓力。同步注漿的注漿量結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整，注漿應(yīng)勻速、均勻、連續(xù)，避免推進(jìn)與注漿不同步進(jìn)行，當(dāng)盾尾區(qū)域出現(xiàn)沉降時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加同步注漿量，反之則減少。

穿越外灘通道范圍內(nèi)管片均為增設(shè)預(yù)埋注漿孔管片，在穿越完成后，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地層變形尚未穩(wěn)定的區(qū)段進(jìn)行二次注漿加固以達(dá)到控制地層及建構(gòu)筑物沉降的目的。采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿采用“少量多次”原則，注漿壓力略大于注漿位置地層壓力，注漿流量控制在10～20 L/min。

5 實(shí)施效果

區(qū)間下行線盾構(gòu)機(jī)自 2020 年 6 月 18 日開(kāi)始穿越外灘通道，至 2020 年 6 月 25 日盾尾完全脫離外灘通道；上行線盾構(gòu)自 2020 年 8 月 27 日開(kāi)始穿越外灘通道，至 2020 年9 月 1 日盾尾完全脫離外灘通道。

盾構(gòu)機(jī)切樁過(guò)程中未出現(xiàn)異常聲響，但刀盤(pán)扭矩及電機(jī)電流有明顯切樁反饋，均存在規(guī)律性的變化，符合盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)刀具切削樁基的特性。其中下行線實(shí)際切割 2 根樁，第 1 根樁（A 型）位置偏差與設(shè)計(jì)基本吻合，第 2 根樁（B型）提前約 2.5 m 遭遇；上行線實(shí)際切割 2 根樁，設(shè)計(jì)的第1 根樁（A 型）不在隧道范圍之內(nèi)；第 2 根樁（B 型）提前約 2.9 m 遭遇，第 3 根樁（B 型）提前約 2.3 m 遭遇。經(jīng)分析，產(chǎn)生偏差的原因應(yīng)該是樁基在施工時(shí)可能存在一定的定位偏差或樁身傾斜。

5.1 障礙物情況

上、下行線盾構(gòu)機(jī)切樁完成后均出現(xiàn)混凝土碎塊卡住螺旋機(jī)情況，其中下行線于第 343 環(huán)遭遇，上行線于第 343環(huán)及 348 環(huán)遭遇，通過(guò)螺旋機(jī)正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)伸縮裝置及出泥口處人工破碎等措施均順利排出。其中下行線盾構(gòu)螺旋機(jī)排出的混凝土塊經(jīng)人工破碎后形成兩塊混凝土碎塊，一塊長(zhǎng)約44 cm，一塊長(zhǎng)約 24 cm；上行線盾構(gòu)螺旋機(jī)排出的混凝土塊經(jīng)人工破碎后共形成兩大三小的混凝土塊，其中兩塊大的一塊長(zhǎng)約 35 cm，一塊長(zhǎng)約 37 cm，經(jīng)回彈強(qiáng)度為 20～25 MPa。除此以外，未再發(fā)現(xiàn)其他障礙物排出。

5.2 切樁后盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)

以上行線盾構(gòu)機(jī)為例，在切樁穿越外灘通道完成后，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、螺旋機(jī)系統(tǒng)、盾尾油脂、集中潤(rùn)滑、內(nèi)外密封及冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行復(fù)查，均可正常運(yùn)行。同時(shí)通過(guò)比較穿越前后盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)的內(nèi)外密封溫度、油箱溫度（50 ℃ 為報(bào)警值）及齒輪油溫度（45 ℃ 為報(bào)警值）等，其整體波動(dòng)范圍及趨勢(shì)基本一致，且均未發(fā)生溫度過(guò)高的報(bào)警情況。刀盤(pán)扭矩及螺旋機(jī)扭矩符合當(dāng)前推進(jìn)工況且符合正常推進(jìn)時(shí)的狀態(tài)，通過(guò)參數(shù)分析及設(shè)備檢查，確認(rèn)切樁后盾構(gòu)機(jī)仍保持良好狀態(tài)。

5.3 外灘通道結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)

在后一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)穿越外灘通道完成后 30 d 對(duì)外灘通道監(jiān)測(cè)的結(jié)果為:上層?xùn)|側(cè)累計(jì)垂直位移最大值為 1.98 mm，最小值為 －0.70 mm；上層西側(cè)累計(jì)垂直位移最大值為3.22 mm，最小值為 0.28 mm；下層?xùn)|側(cè)累計(jì)垂直位移最大值為 3.17 mm，最小值為 0.07 mm；下層西側(cè)累計(jì)垂直位移最大值為 2.51 mm，最小值為 －0.07 mm；上層水平位移累計(jì)最大值為 －1.9 mm；外灘通道地層損失率最大值約為 0.065%。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機(jī)穿越完成后外灘通道沉降情況良好，滿足了地下通道沉降、水平位移≤5 mm，地層損失率≤0.2% 的控制目標(biāo)。穿越過(guò)程中未出現(xiàn)異常情況。

6 結(jié) 語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法施工的根本，采用盾構(gòu)機(jī)直接切割樁基礎(chǔ)需要盾構(gòu)機(jī)設(shè)備本身具備充足的能力，包括刀具配置、內(nèi)置同步注漿系統(tǒng)、微動(dòng)推進(jìn)模式等，施工前應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備選型進(jìn)行充分論證，確認(rèn)其能滿足切樁能力，避免意外的損失。

盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)的正確設(shè)定也極為重要，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的能力，設(shè)定較低的推進(jìn)速度，適宜的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等更有利于安全、高效的切樁，同時(shí)輔以合理的同步注漿及二次注漿控制，可有效控制樁基上方建構(gòu)筑物的沉降。

盾構(gòu)機(jī)穿越前后，外灘通道結(jié)構(gòu)沉降無(wú)異常情況，均滿足設(shè)計(jì)要求，由此證明了盾構(gòu)直接切割樁基穿越地下通道等建構(gòu)筑物施工技術(shù)的有效性，可為城市地鐵的進(jìn)一步發(fā)展提供更多選擇空間，可為國(guó)內(nèi)其他類似工況的盾構(gòu)法施工提供借鑒和參考。