土壓平衡盾構斜切大直徑主筋樁群施工技術

楊志勇，余 俊，劉 杰，孫 恒

（1.中交第二航務工程局有限公司，武漢 430040；2.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，武漢 430040；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，武漢 430040）

1 研究背景

近年來，我國城市軌道交通進入快速發展階段，中國內地城軌交通運營線路規模已突破10 000 km，運營城市已達到55 個，城市軌道交通規模持續擴大[1]。地鐵作為一種快速、高效、環保的城市交通工具，受到了越來越多城市的青睞。盾構法具有施工速度快、安全性高、對周邊環境影響小等優勢[2]，在城市地鐵建設中得到廣泛應用。隨著城市建設的快速發展，地下空間建(構)筑物愈發密集，盾構施工難以避免遇到建(構)筑物樁基，給盾構隧道施工帶來不利影響。傳統的人工挖孔截樁、樁基拔除、沖樁等處理方法對環境影響大、施工成本高[3-6]，適用范圍較窄。隨著盾構設備適應能力不斷增強，盾構直接切削樁基成為可能。

針對盾構直接切削樁基，國內已有相關理論研究和實踐案例。袁大軍等[7-10]從理論分析、現場切樁試驗和工程驗證等角度，詳細論述了盾構切削樁基機理、刀具配置及相關施工措施；許華國等[3]通過室內試驗研究了不同刀具直接切削樁基效果、鋼筋破壞形態、刀盤震動特性及刀具損傷形式等；吳志峰等[2]通過室內模型試驗，分析滾刀和切刀的切樁性能，獲取盾構切樁的掘進控制參數；孫波等[11]以深圳地鐵9號線大劇院—鹿丹村區間工程為例開展了盾構切削樁基工程實踐研究。傅德明等[12]通過盾構機改制驗證了軟土盾構直接切削鋼筋混凝土樁基的可行性；宋磊鵬[13]通過盾構設備適應性改造、注漿加固等措施，保證盾構安全穿越了38 根密排方樁。目前國內研究主要通過室內試驗、現場試驗、數值模擬等方式對盾構直接切削樁基的效果、刀具配置開展，盾構切削樁基的主筋直徑大多在25 mm 以內，對于實際工程中主動切削主筋直徑大于25 mm 的大直徑樁基案例較少，相關可行性研究還需完善。

廣州地鐵12 號線官洲站—大學城北站區間盾構始發后需下穿既有官洲站圍護樁，樁基直徑1 200 mm，主筋直徑最大為28 mm，盾構直接切樁通過。依托本項目工程背景，研究盾構直接切削主筋直徑大、樁基直徑大樁群的施工關鍵技術。

2 工程概況

2.1 圍護樁概況

既有官洲車站為島式站臺車站，地下2 層結構，圍護結構采用鉆孔灌注樁。圍護樁樁徑為1 200 mm，樁心間距1 350 mm，按主筋大小分為A、B 兩種樁型，采用水下C30 混凝土澆筑，侵入隧道范圍最長約2.81 m。具體參數如表1 所示。

區間左線盾構下穿過程中需經過既有車站圍護結構。左線始發掘進約28.5 m，刀盤右部接觸車站小里程圍護樁，圍護樁排布方向與隧道軸線夾角約43°，沿隧道走向約7.5 m 范圍受圍護樁影響，需切削A 型樁3 根、B 型樁5 根。下穿區域位置關系如圖1 所示。本文針對盾構直接切削圍護樁展開研究，歸納總結切樁效果及關鍵控制措施。

圖1 樁基與隧道位置關系示意Figure 1 Schematic of position relationship between pile foundation and tunnel

按照不同樁型的配筋，盾構切削樁體理論鋼筋量長度統計如表2 所示。

表2 切削樁體理論鋼筋長度統計Table 2 Statistics on quantity of cutting-pile reinforcements m

2.2 工程地質概況

盾構下穿既有車站圍護樁區域地層主要為：<5Z-2>硬塑狀砂黏性土、<6Z>全風化混合花崗巖。地層特性見表3，地質斷面如圖2 所示。

圖2 地質斷面Figure 2 Geological section

表3 地層特性Table 3 Formation properties

2.3 盾構機配置

1) 刀盤結構。盾構機刀盤開口率為35%，6 輻條+6 面板式的復合結構(見圖3)。

圖3 刀盤結構示意Figure 3 Schematic of cutter-head structure

2) 刀盤耐磨設計。刀盤耐磨板采用復合板增強耐磨性。刀盤面板正面全部覆蓋12 mm 厚的復合板，刀盤外周采用50 mm 厚的耐磨合金塊全覆蓋。同時，刀盤圓弧段輻條間增加格柵，防止切樁時卡刀盤。

3) 刀具配置。配置楔齒滾刀43 把和焊接型重型撕裂刀25 把，采用低把口、大合金塊設計，滾刀刀體表面有耐磨硬化層；中心至12 把滾刀刀間距為90 mm，12 把滾刀至32 把滾刀刀間距為85 mm，最外周軌跡有2 把邊滾刀；滾刀高出面板180 mm，撕裂刀高出面板160 mm，刮刀高出面板135 mm(見圖4)。

圖4 滾刀示意Figure 4 Schematic of disc cutter

3 盾構切樁施工

3.1 切樁前準備措施

盾構切削最大直徑28 mm 的鋼筋，存在鋼筋纏繞刀盤無法排出的施工風險，為了保證鋼筋纏繞能及時處理，盾構始發前在土倉內模擬了分體式液壓鋼筋剪、整體式液壓鋼筋剪、氣動砂輪機等設備剪切鋼筋的可行性，其效果如表4 所示。

表4 鋼筋剪切工具效果對比Table 4 Comparison of reinforcement cutting-tool effects

綜合考慮各鋼筋處理工具的可實施性、處理效率、作業安全性等因素，整體式液壓鋼筋剪具備帶壓作業條件，但其需要人工在狹小、濕滑的倉內施加液壓動力，作業安全性低，剪切鋼筋效率最低；氣動砂輪機可通過倉內管路接高壓氣源，具備帶壓作業條件，且工具尺寸小、重量輕，操作較為方便，剪切鋼筋效率最高，但其需要人工在狹小、濕滑的倉內作業，且切割鋼筋時會產生大量火花，在帶壓環境下會造成火災風險；分體式液壓鋼筋剪尺寸較大、重量較重，需采用人工施加液壓動力，剪切鋼筋效率一般，但液壓泵與鋼筋剪分開，作業人員將鋼筋剪夾住鋼筋后即可退回人倉對液壓泵施加動力，作業安全性較高，采用分體式液壓鋼筋剪處理倉內纏繞鋼筋最合適。倉內剪切鋼筋示意見圖5。

圖5 倉內剪切鋼筋示意Figure 5 Schematic of cutting steel bars

3.2 盾構切樁掘進

3.2.1 掘進壓力控制

盾構法施工的隧道土壓力宜按靜止土壓力計算，下穿區域地層透水性弱，側向水、土壓力采用水土合算，在理論計算基礎上再考慮20 kPa 的壓力作為預備壓力。由于切削樁體區域刀盤部分位于既有車站結構下方，部分位于原狀土體下方，為了保證地層穩定性，計算過程中對盾構上方土體按照原狀土柱計算豎向土壓力，有

式中，Pfu指盾構掘進控制壓力，kPa；K0為計算深度處土體的靜止側壓力系數；ri為計算深度以上覆土每層土的容重，kN/m3；hi為計算深度以上覆土每層土厚度，m。

由圖6 可知，實際掘進過程中土倉上部壓力控制在160～200 kPa 之間，受到推進速度、出渣速率、渣土改良劑添加等影響，壓力波動幅度最大達到40 kPa。為了保持土倉壓力穩定，對土倉管路進行改造，在土倉隔板頂部安裝自動排氣閥，如圖7 所示。該裝置接入司機操作室，可設定倉壓上限值，當壓力超過設定值時可自動啟動排氣裝置降低倉壓，同時司機也可通過手動操作排氣裝置控制倉壓波動。

圖6 土倉壓力變化Figure 6 Pressure variation curve

圖7 自動排氣裝置Figure 7 Automatic exhaust device

圖8 渣土斗估測刻度Figure 8 Soil-bucket estimation scale

3.2.2 出土量控制

出渣量的估算一般是通過體積和質量兩種方式，由于受盾構開挖范圍地層不均一、原狀土容重不確定、盾構渣土改良添加劑等因素影響，導致盾構出渣量的理論值無法精準評估，盾構掘進過程中一般通過人工體積估測及時反饋出渣量，并結合地層沉降監測及時調整。為了提高渣土體積估測精度，盾構下穿前對渣土斗內殘渣進行清理，并在渣土斗內部焊接鋼筋刻度，焊接位置需方便人員或攝像頭觀察，根據每個隔艙內鋼筋刻度的位置，可計算出每個刻度對應的渣土體積，以此作為快速估算渣土體積的參考標準。盾構下穿過程中，每掘進15 cm 估測一次渣土體積，并與試掘進總結的理論出渣量進行對比，及時調整后續出渣量。當環掘進完成后，獲取附近監測點沉降，分析出渣量控制效果，指導下一環出渣量控制。

盾構下穿前試掘進階段，盾構在全、強風化混合花崗巖地層掘進過程中每環出渣量控制在66～68 m3之間，盾構在穿越切樁區域過程中由于掘進速度慢，泡沫和水等渣土改良劑不易控制，且盾構磨樁過程中產生混凝土碎塊，實測出渣量每環在71～73 m3之間。

3.2.3 盾構穿樁控制

采用“低推速、高轉速、穩扭矩”方式掘進，可最大效率地將樁體磨碎，提高切割鋼筋的能力，盾構切樁過程中主要掘進參數見圖9～10。

圖9 盾構總推力和刀盤扭矩變化Figure 9 Total thrust and cutter-head torque variation

圖10 盾構推進速度和刀盤轉速變化Figure 10 Change in propulsion speed and cutter-head speed

由圖9～10 可知，盾構穿越樁體時，切削第1～3根樁體時，盾構總推力不大于20 000 kN，推進速度不大于15 mm/min，刀盤轉速0.9～1.4 rpm，此時刀盤扭矩平均不大于2 000 kNm，不超過刀盤額定扭矩的30%；切削第4～5 根樁體時，刀盤扭矩明顯增大，最大超過4 000 kNm，超過刀盤額定扭矩的50%，此時降低推進速度至10 mm/min 以內，提高刀盤轉速至1.4～1.6 rpm，盾構總推力不大于25 000 kN，不超過額定推力的50%，后續切削第6～8 根樁體時，刀盤扭矩較穩定控制在4 000 kNm 以內。由于樁體1～3 切削后的鋼筋在土倉內逐漸聚集，盾構推進過程中螺旋機卡頓頻繁，出渣不暢，導致推進速度不連續、波動大，刀盤扭矩逐漸增大，通過主動提高刀盤轉速降低刀具切削貫入度，倉內鋼筋被攪動后逐漸排出，參數惡化趨勢得到有效控制。

3.3 應急處置措施

3.3.1 螺旋機清理

盾構切樁掘進期間易發生渣土與鋼筋混合物堵塞螺旋機情況，一旦發生卡死，將直接影響整個工程的工作效率。掘進過程中密切關注螺旋機扭矩，制定相應的應急處置措施。當螺旋機扭矩達到了額定扭矩30%時預警，調整渣土改良，人員密切關注扭矩變化；當達到額定扭矩70%的時候，停止掘進，反復點動螺旋機，降低螺旋機扭矩，必要時切換到脫困模式，關注出渣情況及螺旋機扭矩變化；若螺旋機扭矩超過100%，則停止掘進，排除機械故障原因后，通過人工清理螺旋機將堵塞物排出的方法進行解決。人工清理措施如下：

1) 停機后，先向艙內注入泥漿，通過泥漿保壓保證掌子面穩定。

2) 抽出螺旋軸，關閉螺旋機前端閘門。

3) 關閉螺旋機前端閘門后，先在螺旋機前端1.8 m處注入聚氨酯，通過螺旋機閘門試驗不漏水即可停止，注入量不宜過多。

4) 打開螺旋機人工清理窗，清理內部渣土及鋼筋。

5) 螺旋機清理期間，加大監測頻率，并安排專人進行巡查。

由圖11 可知，螺旋機扭矩在切樁排渣過程中出現較大波動，刀盤切削至第3 根樁體開始，螺旋機出現瞬時扭矩達100%的情況，通過持續順向點動及短暫反向點動，最終將內部鋼筋排出。螺旋機閘門經常被卡住無法關閉，彎曲的鋼筋易卡在閘門出口位置，由于鋼筋失去了螺旋軸及葉片的外加力作用，僅僅依靠土體的擠壓，無法將其排出，最終土體從閘門和鋼筋縫中排出，鋼筋依然卡在閘門口，若不及時清理，閘門口積聚的鋼筋會越來越多，給后續出渣帶來一定的困難。閘門口的鋼筋清理采用撬棍撥動鋼筋位置，用拉繩可將鋼筋取出(見圖12)。

圖11 螺旋機扭矩變化Figure 11 Screw torque variation

圖12 螺旋機出渣口鋼筋清理Figure 12 Reinforcement cleaning of screw slag outlet

3.3.2 開倉清理

盾構下穿過程中，當掘進參數異常時要及時進行開倉查看。在既有車站底板下方預設被動帶壓進倉區段，保證土倉內鋼筋滯留能被及時清理。盾構穿越第1 排樁后，由于刀盤扭矩持續增大，在車站底板下方進行了一次帶壓開倉作業，在倉內共取出15 根鋼筋，最長1 550 mm 為直徑25 mm 的鋼筋，部分鋼筋滯留在土倉內，部分鋼筋纏繞在刀盤上(見圖13)。通過分體式液壓鋼筋剪清理倉內滯留鋼筋，盾構掘進參數恢復正常。

圖13 刀盤上纏繞鋼筋Figure 13 Wrapped steel bars of cutter-head

4 盾構切樁效果分析

4.1 鋼筋切口分析

盾構掘進過程中，在皮帶機上方架設強力磁鐵對螺旋機排出渣土中的鋼筋進行收集。通過對鋼筋的切口形式(見圖14)分析發現，刀具對鋼筋作用的切口形式主要為切斷口和壓切痕。切斷口形態不規則，呈現頸縮現象，為韌性斷裂，這是由于鑲齒滾刀對鋼筋的壓切作用力，將鋼筋表面部分本體切削下去，同時由于滾刀自身轉動削弱了其切削作用力，難以直接將鋼筋切斷，在滾刀軌跡所在位置鋼筋表面形成了壓切痕，壓切痕凹凸不平，可見明顯的齒痕凹槽。壓切痕位置部分鋼筋本體被切削掉，且被擠壓變形，此位置強度被極大削弱，隨著盾構往前推進，撕裂刀形成的剪切力即可將鋼筋拉扯斷，斷裂位置為滾刀壓切痕位置。

圖14 鋼筋切口Figure 14 Cutting of steel bars

通過對鋼筋的壓切痕形式分析發現，同一根鋼筋上的壓切痕距離在85～90 mm 之間，與滾刀刀間距基本吻合(見圖15)。

圖15 鋼筋切口距離Figure 15 Distance of cut in the reinforcement

鋼筋的切口特征表明，鑲齒滾刀和撕裂刀組合刀具布置具備直接切斷直徑25 mm 和28 mm 鋼筋的能力，直徑25 mm 和28 mm 鋼筋切口形式和壓切痕形式無明顯差別。滾刀鑲齒的硬度和強度遠高于鋼筋，滾刀鑲齒先行與鋼筋作用，在滾刀軌跡位置切削鋼筋，撕裂刀作用時對鋼筋的剪切作用力將滾刀切口位置切斷。

4.2 鋼筋長度分析

對螺旋輸送機排出和開倉取出的鋼筋數量和長度進行統計，如表5、圖16～17 所示。

圖16 直徑25 mm 鋼筋占比Figure 16 Proportion of 25-mm-diameter steel bars

圖17 直徑28 mm 鋼筋占比Figure 17 Proportion of 28-mm-diameter steel bars

表5 盾構切削鋼筋統計Table 5 Statistics of steel bars cut by shield tunneling

通過表5 和圖16～17 統計數據分析可發現，原始樁體中的鋼筋經盾構切削后，長度分布發生較大變化。原始樁體中被切削范圍的鋼筋長度主要分布在1 600～2 800 mm 范圍，此范圍內A 型樁直徑25 mm 鋼筋占比58.9%，B 型樁直徑28 mm 鋼筋占比85%。盾構切削后鋼筋長度主要分布在100～1 000 mm，此范圍內A 型樁直徑25 mm 鋼筋占比84%，B 型樁直徑28 mm鋼筋占比84.2%。盾構切削后鋼筋長度100 mm 以下統計數據中，A 型樁直徑25 mm 鋼筋占比8%，B 型樁直徑28 mm 鋼筋占比5.3%，占比均較低，可知大部分軌跡鑲齒滾刀未能直接一次切斷直徑25 mm 或28 mm 鋼筋。

4.3 刀具損傷分析

盾構穿越第1 排樁體后停機帶壓開倉，檢查刀盤刀具以及土艙內情況。刀具檢查情況良好，滾刀鑲齒保留完好，無較大磨損，最大磨損量約為1 mm，撕裂刀未見明顯磨損?？芍拌傹X滾刀先行、撕裂刀后行”搭配的刀具具備切削鋼筋混凝土樁基的能力，其耐磨性較好。刀具磨損情況如圖18 所示。

圖18 刀具磨損情況Figure 18 Wear of disc cutter

5 結論

盾構在復雜條件下以斜交姿態穿越直徑1 200 mm的鉆孔灌注樁群，面臨樁體直徑大、主筋直徑大、鋼筋數量多等難點，通過合理配置刀具，制定針對性的施工措施，順利完成了盾構穿越施工，得到以下結論：

1)“鑲齒滾刀先行、撕裂刀后行”搭配的刀具具備切削主筋直徑25 和28 mm 混凝土樁基的能力，其耐磨性較好。

2) 鑲齒滾刀難以一次性切斷鋼筋，撕裂刀二次作用時對鋼筋的剪切作用力可將滾刀切口位置切斷。

3) 采用“低推速、高轉速、穩扭矩”方式掘進可有效切斷樁體及鋼筋，能較好控制出渣量、刀盤扭矩、盾構總推力之間的平衡。

4) 采用分體式液壓鋼筋剪可較好處理盾構倉內纏繞鋼筋，作業安全性較高。

5) 盾構直接切削大直徑鋼筋是可行的，但如何保證長短不一的鋼筋從螺旋機口順暢排出還有待進一步研究探討。