盾構切削混凝土模擬試驗和切削樁基施工技術

傅德明

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海 201103)

盾構切削混凝土模擬試驗和切削樁基施工技術

傅德明

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海 201103)

城市軌道交通盾構施工中經常遇到穿越地下障礙物(如混凝土樁、擋土結構、管渠、地下構造物等)的難題，一般采取樁基托換、拆除樁基或人工鑿樁的方法進行處理，但傳統處理方法具有造價高、工期長、對周邊交通影響大等缺點。通過采用小直徑(φ400 mm)盾構切削素混凝土、玻璃纖維混凝土及鋼筋混凝土的模擬試驗，對盾構直接切削樁基施工技術的可行性進行研究，分析了盾構刀盤的改造，獲取了掘進施工參數控制資料。并通過上海軌道交通7號線和10號線工程采用盾構切削鋼筋混凝土樁基的實踐，證明：1)盾構直接切削鋼筋混凝土施工是可行的；2)盾構始發前應對刀盤進行改造，宜在面板上增加一定數量先行刀和貝殼刀；3)盾構切削樁基過程中推進速度宜慢(小于10 mm/min)，盾構設定土壓、推力、刀盤扭矩宜穩定；4)在盾構切削樁基過程中，應向土倉內添加潤滑減摩材料，以防混凝土碎塊堵塞螺旋輸送機。在盾構通過后，應根據監測情況進行管片背后的二次注漿，以控制地面和建筑物沉降；5)采用盾構直接切削樁基具有施工經濟、安全，對環境影響小的優點。

盾構；切削樁基；鋼筋混凝土；地下障礙物

0 引言

近年來，我國城市地鐵工程建設進入超常規發展階段。根據國家發改委運輸所《2012—2013年中國城市軌道交通發展報告》，至2013年底，我國軌道交通運營線路累計到80條，運營總里程2 400 km，獲得國家批準建設軌道交通的城市已達37個，未來3年至少還有10個以上城市獲得批準。目前，地鐵隧道較多采用盾構掘進施工。城市地鐵線路大多選擇在道路下，難免會在房屋、橋梁、運營地鐵等建(構)筑物下穿越，盾構隧道施工會遇到在役或廢棄的管線、基礎樁等地下障礙物。目前對地下障礙物的處置方法主要是在盾構通過前預先拆除，但由此帶來的額外處理費用比較高。例如，2007年上海軌道交通7號線一區間隧道下穿內環線高架道路遇到1根φ800 mm鉆孔灌注樁，采用拔樁處理，為不影響高架道路通行，修建了臨時高架道路，增加工程投資逾1 000萬元。因此，對于一些無法避開或直接清除費用較高的地下障礙物，如能通過改進盾構，直接切削破碎障礙物，對于加快建設速度和節省工程投資，縮短施工工期，具有重要意義[1]。

許多學者對于盾構穿越地下障礙物的技術措施做了較為深入的研究，例如，楊自華等[2]、馬忠政等[3]研究了盾構穿越樁基時采用的樁基托換技術；張健[4]介紹了地鐵盾構隧道穿越樁基的鑿除技術；劉勇等[5]對蘇州軌道交通一號線盾構區間隧道穿過畫橋橋樁的方案進行了比選論證，穿越段最終采用不繞避樁基的盾構法實施方案(需先拆除畫橋，拔除全部24根樁基，后期再恢復畫橋)；張武訓等[6]對盾構隧道穿越臺鐵、高鐵下方擋土壁時，以人工敲除方式排除障礙進行了探討；王占生等[7]介紹了盾構連續切削穿越14根、最大直徑為1 200 mm的橋樁樁基施工安全技術，并取得良好的應用效果。可見，國內目前盾構穿越障礙物主要采用托換、鑿除、拔除等技術，盾構直接切樁穿越的案例較少。

而上海軌道交通7號線和10號線2個項目的區間隧道工程土壓盾構掘進施工時，采取技術措施，在不拆除既有橋梁結構、保障交通功能的前提下，直接切削穿越地下群樁區取得成功[1，8]。在工程施工前，采用φ400 mm的小盾構進行全斷面切削鋼筋混凝土的模擬試驗，并取得了豐富的數據資料，為盾構切削混凝土樁基施工提供了技術支持。本文主要介紹該模擬試驗情況、所得參數，及上海軌道交通7號線和10號線盾構切削穿越地下群樁的情況，包括盾構的改造、掘進參數控制和切削施工效果。

1 盾構切削混凝土模擬試驗

采用小直徑(φ400 mm)模型盾構，進行了3次切削試驗，分別切削300 mm厚的C30素混凝土、C20含1排鋼筋和1排玻璃纖維筋的混凝土、C30含有1排鋼筋和1排玻璃纖維筋的混凝土。

1.1 φ400 mm盾構模擬試驗平臺

試驗采用φ400 mm盾構模擬試驗平臺，包括：1.2 m×1.2 m×2.4 m模擬土箱、φ400 mm模擬盾構(外徑412 mm，開口率30%，最大推力50 kN，最大扭矩3 000 N·m)、后靠及拉桿系統。盾構模擬試驗平臺如圖1所示。

圖1 φ400 mm盾構模擬試驗平臺

參考國內外相關資料，盾構切削穿越障礙物時，主要配置中心刀、超前保護刀和切削刀。試驗模型的盾構刀盤開口率為30%，主要配置3種刀具：1把中心刀、9把超前保護刀和7把切削刀，刀具材料采用硬質合金刀頭，進刀角和退刀角均設計的較大(15°)[9]。

1.2 盾構切削C30素混凝土試驗

φ400 mm模擬盾構切削厚度300 mm的C30混凝土，圖2為盾構切削C30素混凝土過程中，61～81 mm的推進參數變化。盾構推力由20 kN調整至25 kN時，刀盤轉速為4～6 r/min；推力固定為20 kN時，刀盤扭矩和推進速度逐漸趨于穩定；推力由20 kN調高至30 kN時，推進20 mm用時42 min，推進速度約為0.5 mm/min。

圖2 盾構切削C30素混凝土61～81 mm 的主要參數變化Fig.2 Fluctuation of parameters of model shield in 61～81 mm boring length when cutting C30 blind concrete

1.3 盾構切削C20玻璃纖維和鋼筋混凝土

本組試驗為盾構切削C20玻璃纖維和鋼筋混凝土，在不同的推進段內改變推力和刀盤轉速，并在同一個推進段內對比加削解劑和不加削解劑2種工況下各參數的變化情況。本組試驗總推進295 mm，參數變化如圖3和圖4所示。

圖3 切削C20混凝土0～61 mm的推進參數(含玻璃纖維)Fig.3 Fluctuation of parameters of model shield in 0～61 mm boring length when cutting C20 glass fiber concrete

圖4 切削C20混凝土221～295 mm的推進參數(含鋼筋)Fig.4 Fluctuation of parameters of model shield in 221～295 mm boring length when cutting C20 reinforced concrete

由圖3可知，在1～2 min時，刀盤轉速設定為0.75 r/min，推力設定為20 kN，刀盤油壓3～4 MPa，推進速度1 mm/min；約在12 min時，刀具開始切削玻璃纖維，刀盤油壓平均上升約1 MPa；在39～60 min時，刀盤轉速設定為0.75 r/min，推力設定為25 kN，推進速度和刀盤油壓均出現上升；在61～78 min時，刀盤轉速設定為1.3 r/min，推力設定為20 kN，刀盤油壓穩定在3.5 MPa左右，推進速度比較緩慢，約為0.4 mm/min。圖5為切削下的玻璃纖維碎屑，玻璃纖維具有一定的彈性，先行刀在玻璃纖維外表留下了很多刮痕。

圖5 切削下的玻璃纖維

圖4為221～295 mm的推進參數。在0～70 min時，刀盤轉速設定為2 r/min，推力維持在20 kN，刀盤油壓設定為4 MPa，推進速度在1 mm/min左右；推進至70 min，即275 mm時，刀具開始切削鋼筋，將刀盤轉速由2 r/min提高至3 r/min，盾構則能夠順利地切削通過鋼筋區域。鋼筋的切削斷面及切削輪廓見圖6。

圖6 鋼筋的切削斷面和切削輪廓圖

2 上海軌道交通7號線盾構切削廠房樁基施工

2.1 工程概況

上海軌道交通7號線陸翔路站—潘廣路站區間隧道工程，采用φ6 340 mm土壓平衡盾構施工，盾構必須切削穿越上海康盛商用制造有限公司工業廠房的10根鋼筋混凝土預制樁基。其中，廠房南側有6根樁基、北側有4根樁基，10根樁基的位置如圖7所示。盾構隧道埋深約15 m，樁基截面為350 mm×250 mm，長度約18 m，主筋φ18 mm，混凝土強度等級為C30。

2.2 盾構改造和掘進施工參數控制

上海地鐵土壓平衡盾構的刀盤配置以切削軟土的一般切削刀為主，為切削鋼筋混凝土樁基，對盾構刀盤加裝了65把先行刀，先行刀的高度大于標準切割刀15 mm，以提高盾構破碎混凝土及鋼筋的能力。

盾構第1次切削樁基從2008年12月9日開始，至14日結束。盾構設定土壓力0.18 MPa，推力 7 000～9 000 kN，刀盤扭矩為2 000～2 500 kN·m，刀盤轉速0.25 r/min，推進速度5 mm/min。在盾構的刀盤正面壓注膨潤土或泡沫劑以改善開挖面土體的和易性，從而降低刀盤扭矩，同時改良土倉內的土體，有助于樁體碎塊從螺旋機內順利排出。控制盾尾同步注漿量和漿液質量，每環的注漿量為盾尾建筑空隙的200%～250%，以降低地面沉降、增強隧道的穩定性。并根據地面沉降監測數據進行隧道管片壁后二次注漿。

2.3 盾構切削樁基施工效果

第1次切削過程中，每排3根樁所處位置與盾構刀盤面平行，切削過程中盾構姿態變化≤2 cm；第2次切削過程中，每排2根樁所處位置與盾構刀盤面斜交，切削過程中盾構姿態變化稍大，達到了4～5 cm。施工過程中地面沉降最大累計為22.51 mm，變化率最大為1.17 mm/d。

(a) 上行線廠房南端樁基與隧道斷面圖

(b) 上行線廠房北端樁基與隧道斷面圖

在隧道軸線通過的辦公區域建筑物立柱上，布置了4個沉降監測點，分別為LZ1，LZ2，LZ3和LZ4，其沉降情況如圖8所示。離隧道軸線最近的測點(LZ1)最大沉降達到了10 mm，而其他測點的沉降大都小于4 mm。

螺旋機出土中有切削出的碎石和鋼筋，見圖9。碎石直徑最大為250 mm，大致呈橢圓形。切削出的鋼筋長度為300～1 000 mm，呈麻花狀，表面有被磨損的痕跡，說明先行刀能夠很好地切削混凝土，且φ18 mm鋼筋能被刀具切斷。從出土里發現了崩脫的數把先行刀，且刀尖均被磨損的較圓滑，見圖10。

圖8 立柱沉降—時間曲線圖(2008年)Fig.8 Time-dependent curves of settlement of vertical columns in 2008

圖9 切削出的碎石和鋼筋

圖10 切削過程中崩缺的刀具Fig.10 Cutting tools broken when concrete is cut directly by shield

3 上海軌道交通10號線盾構切削樁基施工

3.1 工程概況

上海軌道交通10號線溧陽路—曲陽路區間隧道施工過程中，盾構必須切削穿越四平路上的沙涇港橋33根樁基，如圖11和圖12所示。盾構切削樁基處的隧道頂標高為-6～-7 m，盾構軸線與樁基平面呈75°夾角。樁基截面為400 mm×400 mm，長度為26～27 m，主筋為φ18 mm，混凝土強度等級為C25。

盾構切削樁基部分土體為灰黃-灰色黏質粉土夾粉質黏土，孔隙比為0.61，密度為2.06 kg/m3，含水率為20.7%，內摩擦角為17°，黏聚力為0.333 MPa，壓縮模量為6.75 MPa。

3.2 盾構改造

為順利完成盾構切削樁基，對盾構的刀盤進行了以下改造：

1)刀盤面板加裝1套先行刀與6把貝殼刀，以提高盾構破碎混凝土及鋼筋的能力。

2)盾構推進系統增加微動功能，滿足盾構以5 mm/min的超低速掘進施工要求。

3)在盾構土倉合理位置設置觀察孔，使施工人員在人行閘門開啟之前能夠充分掌握土艙中的情況，確保施工安全。

4)對土倉內螺旋輸送機頭部進行特殊處理，以應對可能會碰到的斷樁及鋼筋等。

圖11 隧道穿越樁基平面位置圖(單位：mm)Fig.11 Plan of positions of pile foundations to be cut directly by shield (mm)

圖12 隧道穿越橋梁樁基立面圖(單位：mm)Fig.12 Profile showing relationship between pile foundations and shield-bored tunnel (mm)

3.3 盾構施工控制措施

1)控制盾構正面土壓力，將壓力波動控制在-10～10 kPa。

2)控制推進速度。在穿越橋樁過程中，推進速度控制在5 mm/min左右，推進過程中速度保持穩定，確保盾構勻速地穿越橋樁。

3)控制出土量。盾構開挖斷面面積為31.57 m2，每環理論出土量為31.57 m2×1.2 m=37.88 m3。在盾構穿越過程中，考慮到開挖土方量與盾構出土量的關系及出土總量，并以此為依據確定注漿量。

4)控制同步注漿量和漿液質量。采用惰性漿液，嚴格控制漿液的配合比，稠度控制在8.5～9.5 cm。當漏漿情況不嚴重時，可通過加大盾尾油脂注入量封閉漏漿通道以阻止漏漿；當漏漿情況較為嚴重，常規方法無法處理時，可采取拼裝管片，并在漏漿位置管片下方墊海棉條的方法進行有效封堵。

3.4 盾構切削樁基施工效果

下行線盾構切削樁基從2009年6月22日開始，至2009年6月29日結束。施工過程中刀盤轉速穩定在0.64 r/min，橋面沉降在12 mm以內。

盾構總推力在切削第1排樁時的總推力稍大，為17 000 kN左右，隨后推力逐漸減小，最小為12 000 kN。刀盤扭矩跳動較大，為1 400～3 000 kN·m。

切削過程中總體出土情況順利，但由于受到切削下來鋼筋的影響，需要通過螺旋機正轉和反轉，才能使得出土順利。切削出的鋼筋長度為20～30 cm，如圖13所示。

圖13 盾構切削出的鋼筋

4 結論

采用φ400 mm的小盾構進行了全斷面切削鋼筋混凝土的模擬試驗并取得參考數據，為工程實施提供了技術支持。上海軌道交通7號線盾構切削廠房樁基和10號線盾構切削沙涇港橋樁基施工，通過盾構的改造及施工過程中的有效控制等措施，得以順利完成，并從中得到以下結論。

1) 盾構始發前應對刀盤進行改造，在面板上增加一定數量先行刀和貝殼刀，對于類似工況下盾構切削混凝土樁基具有明顯的效果。

2) 如能對切削樁基四周的土層適當加固，可有效降低盾構切樁引起的位移沉降。

3) 盾構切削樁基過程中推進速度宜緩慢(小于10 mm/min)，盾構設定土壓、推力及刀盤扭矩宜穩定。

4) 在盾構切削樁基過程中，應向土倉內添加潤滑減摩材料，以防混凝土碎塊堵塞螺旋輸送機。在盾構通過后，應根據監測情況進行管片背后的二次注漿，以控制地面和建筑物的沉降。

5) 采用盾構直接切削樁基與樁基拔除相比，具有施工經濟、安全，對環境影響小的優點，可在類似工程中推廣應用。

[1]傅德明，李畢華，馬忠政.軟土盾構直接切削鋼筋混凝土樁基施工技術[J].中國市政工程，2010(4):46-47,82-83.

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[6]張武訓，詹榮鋒，程道信.潛盾隧道穿越臺、高鐵下方擋土壁之案例探討[J].隧道建設，2007,27(S2):354-360.(ZHANG Wuxun,ZHAN Rongfeng,CHENG Dao-xin.The discussion for bored tunneling for bored tunneling driving through the retaining wall beneath the existent subway system[J].Tunnel Construction，2007,27(S2):354-360.(in Chinese))

[7]王占生，王全華，袁大軍.盾構連續切削穿越大直徑橋樁施工安全技術[J].都市快軌交通,2013,26(3)：97-101.(WANG Zhansheng,WANG Quanhua,YUAN Dajun.Security technology for shield continuously cutting through large-diameter bridge piles[J].Urban Rapid Rail Transit,2013,26(3)：97-101.(in Chinese))

[8]陳萬忠.淺析盾構穿越地下障礙物關鍵技術[D/OL].期刊網，(2012-12-20)[2013-07-15].http://www.chinaqking.com/yc/2012/286902.html.

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泛亞高鐵6月動工云南至緬甸30 km隧道

縱貫東南亞的泛亞高鐵將從昆明出發，經由越南、柬埔寨、泰國、馬來西亞，抵達新加坡。

泛亞高鐵將于2014年6月開工，從云南西部鉆山建一條長約30 km的隧道通往緬甸，再從緬甸向東，伸出一條支線去往泰國，另一條主線則經由老撾、越南、馬來西亞通往新加坡。這條高鐵線將成為我國通往東南亞諸國的一條便捷通道。

中國工程院院士、著名鐵路專家王夢恕透露，這些跨國高鐵的建設有一個共同原則，即，由中方出資金、出技術、出設備去建設，建成后也會由途經國家來參與運營。在此過程中，中方將與相關國家洽談，用修建高鐵來置換當地資源，如中亞和歐洲的油、氣資源，緬甸的鉀礦，由此建立一個長效合作機制。泛亞高鐵部分線路為從云南騰沖出發往緬甸方向延伸，尚未修建至緬甸境內。線路總長度為幾十 km不足百 km。泛亞鐵路整路段的建設可服務于絲綢之路經濟帶建設。隨著境內路段修建完善，境外路段建設也將提速。

鐵路“走出去”：中國具有獨特優勢

擁有自主知識產權，中國高鐵技術水平比較好，實用性比較強，相應的制造價格比較低，這些都是中國高鐵“走出去”的競爭優勢。

目前，中國擁有世界上最復雜、最發達的鐵路運輸系統，以及世界一流水平的機車、軌道和通信訊號的科研制造能力，在世界鐵路建設市場中具有強大的競爭實力。

作為在海外首次采用“中國標準”修建的電氣化跨國鐵路——埃塞吉布提鐵路，全部使用中國標準，從設計、施工、監理，到軌料、施工裝備、通信訊號和電氣化設備、機車車輛，全部使用中國產品，是一條有“純正中國血統”的鐵路。

中國鐵路“走出去”不僅僅是價格低，而是逐步作為一個成熟的體系來整體輸出，中國鐵路的標準和規范正在走出國門，走向世界。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=14a5b3b6-d03a-4f7f-8894-5ec0e7d7830e&CtgId=77bc9040-5c59-4063-b0a5-2771b7223dd9 2014-05-09)

ModelTestonConcreteCuttingDirectlybyShieldandPileFoundationCuttingTechnology

FU Deming

(ShanghaiShentongRailTransitResearch&ConsultCo.,Ltd.,Shanghai201103,China)

Underground obstacles,such as concrete piles,soil retaining structures,pipes and trenches and underground structures,are often encountered during shield boring in the construction of urban rail transit works.These pile foundations are normally underpinned,dismantled or manually cut.However,these conventional treatment methods have such disadvantages as high cost,long construction period and severe influence on the surrounding traffics.Aφ400 mm model shield is used to cut blind concrete,glass fiber concrete and reinforced concrete,so as to study the feasibility of pile foundation cutting directly by shields,to make analysis on the modification of cutter heads and to obtain shield boring control parameters.Furthermore,the experience of the pile foundation cutting directly by shields in the construction of No.7 line and No.10 line of Shanghai rail transit works is described.Conclusions drawn are as follows:1) It is feasible to cut reinforced concrete directly by shields; 2) Before shield launching,the cutter head should be modified,and a number of advance cutting tools and shell tools should be installed on the cutter head; 3) During the cutting of the pile foundations directly by shield,the shield should advance slowly (with less than 10 mm/min advance speed),and the earth pressure,thrust and cutter head torque set should be stable; 4) During the cutting of the pile foundations directly by shield,lubricating and friction-reducing materials should be added into the excavation chamber so as to prevent the screw conveyor from being jammed by concrete blocks.After the shield passes the obstacle point,secondary grouting should be made to fill the annulus space behind the segment lining on basis of the monitoring results so as to control the settlement of the ground surface and the nearby buildings; 5) Cutting pile foundations directly by shield has advantages,including low cost,high safety and small environmental influence.

shield; pile foundation cutting; reinforced concrete; underground obstacle

2013-04-10;

2014-03-24

傅德明(1949—)，男，上海人，1985年畢業于上海城市建設學院，地下工程專業，大專，高級工程師，主要從事隧道與地下工程施工技術研究工作。20余項科技成果獲市部級科技進步獎，現任上海市土木工程學會秘書長。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.012

U 455.43

B

1672-741X(2014)05-0472-06