盾构穿越隧道桩基的技术研究

张 鹏

（苏州轨道交通建设有限公司，江苏苏州 215004）

1 引言

为了应对城市交通压力和满足日益增长的交通需求，城市轨道交通建设在规模和数量上不断增加。然而，随着地铁线路对地下空间的占用日益增多，后期规划、建设可以选择的空间被进一步压缩。在此背景下，新建的区间隧道穿越既有建（构）筑物和碰到所属桩基的概率越来越大。区间建设在面对既有建（构）筑物时，一般会选择尽量避开，但在多数情况下，线路无法调整只能直接穿越；当线路区域存在无法避开的桩基等障碍物时，一般优先选择的方案是“清障”，即拔桩，有时还需要先进行桩基托换[1]或者补强后再拔桩。不过清障具有时间周期长、社会影响大等不利因素。另外，一些障碍物存在其特殊性，在既有空间内或其所属的建（构）筑物功能条件下不具备清障条件。因此，盾构直接穿越既有建（构）筑物及所属桩基的施工技术对地铁建设甚至线路规划显得尤为重要。

王传富、史海波[2-4]等人对盾构机直接切割桩基础穿越建（构）筑物进行了施工研究；吴志峰[5]等人研究盾构直接切削大直径桩基的可行性，评价滚刀和切刀的切桩性能；李谷阳[6]等人研究分析了刀具刃角与刃宽对刀具受力的影响，并对切桩刀具贝壳刀进行了尺寸优化；李凯[7]开展了对某拟建高层建筑项目盾构切削钢筋混凝土桩基施工技术的研究；周锦强[8]等人分析了盾构下穿人行天桥桩基沉降变形特征，提出了针对性的施工控制技术，即地表注浆联合洞内注浆加固和盾构控制方式；王国富、雷沙沙[9-10]等人对穿越群桩进行了数值模拟计算，提出了施工过程中各风险事件的风险等级；李洪庆[11]对盾构机的刀盘各部分设计耐磨保护措施，并介绍大直径盾构穿越群桩的施工技术方案；张建华[12]等人研究盾构下穿电力隧道切削桩基对地表的沉降影响；高洪梅[13]等人利用有限元方法分析了盾构穿越截桩对周边地层、盖梁体系的影响；杨成龙[14]对盾构穿越不明桩基后的处置工艺进行研究；张海[15]探讨盾构近距离始发并下穿既有运营线路隧道主要风险及应对措施；伦军朝[16]阐述盾构切削既有地铁车站钢筋混凝土桩施工技术。

2 工程概况

南京地铁5 号线大中桥站—夫子庙站区间（以下简称“大夫区间”）采用盾构施工方法。区间盾构机自大中桥站始发推进至夫子庙站进行接收，区间长约1 177 m。区间隧道最大纵坡为32‰，隧道顶部埋深9.59～24.04 m，最小平面曲线半径R=450 m。

大夫区间沿大光路向西推进，在龙蟠中路下穿正在运营的通济门隧道，通济门隧道为南京城市内环东线的组成部分，属于公路隧道。该公路隧道为地下一层钢筋混凝土结构，结构宽度27.5 m，结构埋深约1.2 m，结构底板厚度1.2 m，顶板厚度1.1 m，侧墙厚度1 m，中隔墙0.8 m。主体结构墙、板采用C30 混凝土。该区域围护形式为型钢水泥土搅拌（桩）墙（SMW 工法桩），施工完成后拔除H 型钢。

在该公路隧道中部位置存在围护施工时留下的3根φ1 000 mm 立柱桩（钻孔灌注桩），每根桩基都包含14 根φ22 纵向主筋，箍筋φ8@200 mm，混凝土强度等级为C30。桩基与盾构在平面和剖面上均为交叉位置关系。该区域盾构掘进土层主要为粉细砂，渗透系数1.5×10-4cm/s，如图1、图2 所示。

图1 区间和通济门隧道平面关系

图2 区间和通济门隧道剖面关系（单位：m）

3 盾构机选型

区间隧道采用了φ6 450 mm 中交天和复合式土压平衡盾构机施工，根据磨桩特殊工况，对盾构机进行了针对性的配置。

3.1 设备主要参数

盾构机驱动系统额定扭矩为5 631 kN·m，脱困扭矩为7 320 kN·m，刀盘转速0.3～3.05 rpm；推进系统最大推力为41 600 kN，低速模式推进速度为2 mm/min，最大推进速度为80 mm/min；螺旋机脱困扭矩达202 kN·m，螺旋机转速为0.6～16 rpm。

3.2 刀盘刀具

盾构机配备了复合式刀盘，其结构采用辐条式设计，开口率40%，原主要刀具配置如表1 所示。

表1 原主要刀具配置表

针对磨桩特殊工况，针对性增加了34 把焊接式贝壳刀。如表2、图3～图5 所示。

表2 增加的焊接式贝壳刀表

图3 R1～R3 刀具示意图（单位：mm）

图4 X 刀具示意图（单位：mm）

图5 增加刀具轨迹示意图（单位：mm）

在结合设备性能基础上，刀具的增加和布置主要围绕“保刀盘、控渣样、防卡设备”的目标开展，具体措施如下。

（1）刀盘周边刀具磨损相对中心较大，边缘刀具增加21 把，正面刀具增加13 把。

（2）增加的刀具与原先行刀形成2 个高差。180 mm高度的刀具提前将部分混凝土的保护层刮开，然后待160 mm 的先行刀到达后进行切削。

（3）为控制磨桩破除钢筋的形态，应切断或部分切拉断钢筋，避免无法破坏钢筋而缠绕刀盘，边缘刀具轨迹间距89 mm。

（4）切削桩基顺利完成还需保证刀盘周边刀具的完整性，确保有效开挖直径。周边的保径刀配置在外周边同轨迹。

3.3 螺旋机

（1）盾构螺旋机本身具备伸缩功能，当遇到钢筋卡住螺旋机的情况时，可通过螺旋机伸缩动作使钢筋位移错动，同时，正反转螺旋机也会尽可能将钢筋排出；若螺旋机被钢筋卡住，无法通过伸缩功能排除障碍物时，可以通过分布在螺旋机筒体上的2 个检修窗口进行清理。

（2）螺旋机中部及出泥口处2 道闸门间各增设1 个2 寸注入口，以便添加渣土改良剂降低喷涌风险、增强减阻效果。

4 主要技术措施

4.1 磨桩扰动模拟

在穿越切削过程中由于桩基连接着隧道底板，因此需要分析施工引起隧道底板沉降及受力是否满足要求。

运用Midas GTS NX 进行影响分析，通济门隧道桩基与隧道底板连接方式为钢格构柱插入底板，计算时插入深度即为底板厚度，如图6、图7 所示。

图6 底板变形（单位：m）

图7 底板应力（单位：kPa）

磨桩期间，通济门隧道最大竖向位移0.47 mm，最大水平向位移0.56 mm，底板最大应力1.6 MPa，理论上磨桩安全。

4.2 穿越桩基起止研判

桩基的位置对于盾构穿越而言显得尤为重要。前期，结合图纸上桩基位置采用物探雷达对桩基位置进行复核和精准定位，根据定位坐标反馈到区间线路上；盾构临近桩基前，多次复核管片里程，计算盾构和桩基的距离，确定碰到桩基时盾构推进油缸的里程和管片号。

根据盾构实际推进里程，当盾构距离桩基约1 环时，应提前调整盾构推进参数，降低掘进速度，以确保盾构穿越桩基的稳定性。同时，还要关注盾构掘进的主要参数推力和扭矩。当推力和扭矩显著提高且持续保持锯齿状，基本可以判断设备开始碰到桩基，如图8 所示。

图8 盾构机扭矩时程曲线图

盾构机在碰到桩基时推力由1 460 t 变为1 544 t，提高了约6%，刀盘扭矩由2 579 kN·m 变为4 330 kN·m，提高了68%；穿越过程中盾构推力呈现较为平稳的趋势，扭矩则呈现锯齿状波动的变化形式；当扭矩参数趋于稳定后基本可以判断盾构机已经穿越桩基。

4.3 盾构推进速度

穿越磨桩期间的推进速度对于最终磨桩的形态和效果尤为关键。在穿越公路隧道期间速度控制在2 cm/min以内，且保持稳定；盾构机在碰到桩基后，启动微动模式，磨桩期间推进速度保持为2～3 mm/min。稳定的低速磨桩有利于保证桩基主要被磨断，而不是被折断或者被拉断，同时也有利于控制钢筋以磨断或者磨拉破坏的形式断裂。

4.4 盾构刀盘速度

在穿越桩基过程中，控制刀盘转速至关重要，刀盘转速大小与磨桩形态和设备状态密切相关。如果刀盘转速过高，一方面可能会对桩周土体造成较大扰动，对周边环境的沉降产生不利影响。另一方面，持续的高转速会使得设备承受的负荷较大，持续的时间越久影响越大；相反，如果刀盘转速过低，则刀盘的贯入度过大，相应刀盘在磨桩期间的扭矩也会变得很大，对于设备和磨桩均会产生不利影响。因此，合理的刀盘转速对于穿越桩基和设备的正常运行至关重要。

此区域碰桩前盾构刀盘转速设置为0.8～1.0 r/min，碰桩后调整为1.0～1.2 r/min。如此不仅保证了磨桩形态的稳定性，也满足了设备正常运转需求。磨桩期间，盾构刀盘扭矩总体在4 500 kN·m 以内变化，未超过额定扭矩。

4.5 注浆控制

注浆包含同步注浆和二次注浆，其中同步注浆的控制尤为重要。同步注浆及时充分填补管片和土体建筑间隙，一方面可以减少推进的土体变形，另一方面可以减少后期二次注浆量，进而减少对土体的二次扰动。

同步注浆原浆液采用传统厚浆，主要材料为膨润土、中细砂、石灰、粉煤灰、水，浆液泌水率控制在3%以内，坍落度为14±2 cm，7 天抗压强度不低于0.4 MPa，28 天的抗压强度大低于1.0 MPa。注浆的填充率结合土层设置为140%～180%，即每环注浆量为4.5～5.8 m3，实际的注浆量会根据监测数据进行动态调整。为了及时控制地面沉降，减少管片后期上浮量，在原浆液内按照1%的比例加入水泥。

4.6 改良措施

在含水砂层中掘进盾构时，由于保压困难，会影响上部隧道的稳定性。为解决这个问题，并结合实际磨桩工况，需要添加物对刀盘进行减阻降温。因此在实施中添加2 种改良物进行渣土改良：高分子聚合物和泡沫。根据现场土样试验最终确定聚合物掺入物的技术参数为浓度1.2%，掺量15%，实际推进中根据推进速度均匀加入；泡沫混合液控制在3%的浓度，混合液的开度设置在45%～50%。

4.7 监测措施

考虑到公路隧道交通繁忙和盾构穿越的重要性，采用精力水准自动化监测技术，每小时监测1 次公路隧道本体内部的结构侧墙和地表沉降。通过采取高精度高频率的监测技术可以提高盾构穿越的精细化水平，便于及时调整施工参数确保工程的顺利进行。

5 实际施工成果

5.1 上部隧道状态

（1）总体而言，盾构穿越公路隧道及其桩基对公路隧道的影响较小，结构竖向累计位移变化2 mm 左右，小于产权单位规定的5 mm 要求；随着土体的稳定，沉降量逐渐减少到0.5 mm，如图9 所示。

图9 公路隧道结构累计沉降监测曲线图

（2）穿越前，随着盾构机与公路隧道距离的逐渐接近，隧道结构位移开始呈现微上抬趋势。在实际推进过程中，为使盾构前方区域保持微隆状态，将土压力设置稍高一些，这样可以消除盾构穿越后期地面和公路隧道的沉降。

（3）磨桩期间，隧道结构竖向位移变化较大，说明磨桩工况盾构刀盘对桩体的作用力在一定程度上影响了隧道结构的位移状态，这与模拟分析0.47 mm 的最大位移影响结论一致。

5.2 出渣状态

（1）螺旋机出土口清理出的φ22 mm 钢筋长度分布在30～50 cm 之间，局部最长达到120 cm，混凝土碎渣尺度大约在15～20 cm 范围内。根据钢筋的数量、长度、断口形态可以判断，部分钢筋是刀具切与拉扯组合下破坏的。刀具的间距可以适当再小一些以减小钢筋的破坏长度，如图10 所示。

图10 出土口取出的钢筋、碎块

（2）部分钢筋会“卡住”螺旋机，但通过伸缩功能，钢筋被顺利排出，钢筋截面被劈裂的深度约为10 mm。

（3）在穿越公路隧道前期，盾构刀盘出现一段高扭矩状态（约5 000 kN·m），后期螺旋机扭矩达到117 kN·m的峰值，经过渣土口清理排出了一块40 cm×30 cm 大小、厚度约2.6 cm 的钢板，这与该公路隧道施工期间插入的工法桩H 型钢参数基本吻合。根据钢板尺寸和结构形式，该钢板是H 型钢的翼板，应位于H 型钢的底端部位。翼板表面被刀具切屑的深度达到1.2 cm，结合断口的破坏形式可以判断，翼板是土体包裹状态下在刀具的切屑和刀盘的拉扯中被撕裂，如图11 所示。

图11 出土口取出的H 型钢翼板

6 结语

通过刀具改造、模拟分析、自动化监测、渣土改良等措施的应用，盾构在砂性土层中顺利穿越公路隧道桩基，解决了不具备拔桩条件盾构施工的难题，得出了以下结论。

（1）盾构砂性土层穿越公路隧道和桩基可以将上部结构最大沉降控制在2 mm 左右。高精度和高频率的自动化监测手段有助于推进参数精细化调整和控制，进一步降低施工影响。

（2）针对磨桩工况，在设备性能得到保障的基础上可以进一步减少周边刀具轨迹的间距，从而更好地控制出渣钢筋和混凝土块的尺寸。

（3）结合盾构设备自身性能，适当增加螺旋机内部耐磨措施（增加耐磨条等），同时将脱困扭矩提高至200 kN·m 以上，可以降低钢筋卡住螺旋机的风险。

（4）针对砂性土层下穿越公路隧道和桩基的施工特点，可以采用添加高分子聚合物和泡沫改良剂的方式对土体进行改良，加入的掺量应根据实际土样进行调整。

（5）2.6 cm 厚度的H 型钢翼板被切削，一方面说明在刀具切削下H 型钢末端有被切削的可能，另一方面说明型钢被切削破坏是刀具切削和拉扯等组合下的结果。40 cm×30 cm 大小、厚度约2.6 cm 的钢板从螺旋机内顺利排出有一定的巧合因素，在类似的工程项目中应加强地下障碍物的排摸，避免发生切削H 型钢的工况。