深圳地鐵盾構穿越建筑群及切削樁基施工

孫 波，肖龍鴿，孫正陽，殷明倫，羅澤華

(1.深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518026;2.中建南方投資有限公司，廣東 深圳 518026;3.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083;4.中建交通建設集團有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發展和城市化進程的不斷加快，越來越多的城市開始興建地鐵隧道。盾構法因其優點很多，逐漸成為了城市地下隧道修建的首選工法。然而，在修建的過程中經常會發生下穿既有建(構)筑物情況。為保證既有建(構)筑物的安全，盾構施工質量的控制就顯得相當重要。另外，在修建過程中還會遇到盾構隧道前方遇到建(構)筑物基礎的情況。

綜合以往的經驗，遇到樁基礎侵入隧道的情況一般從兩方面解決:一方面是考慮調整線路避開樁基礎;另一方面是破除樁基礎，減少樁基對盾構隧道施工的影響。現有的破除樁基的方法主要有樁基托換破除原樁、拔樁及沖樁等［1－5］。

樁基托換適用于單一樁且上部結構無法拆除的情況，原理為:在不影響隧道施工的位置新建樁基礎并通過鋼筋混凝土結構使新建樁基礎與上部結構連接，將上部結構的荷載轉移至新建的樁基礎，然后拆除侵入隧道舊樁基礎。該方法多用于盾構下穿樁基礎橋梁等情況，該方法對場地的要求較高。

拔樁(或沖樁)適用于上部結構可以拆除且樁基較易拔出(或沖擊至隧道計劃斷面以下)的情況。其原理為將樁基礎與周圍土體隔離開來，然后通過工程機械將樁基礎清除，然后回填與周圍性質大體相同的土體。

樁基托換、拔樁及沖樁等方法可很大程度上降低樁基礎對于盾構隧道施工及運營時的影響。

隨著技術的發展，一種新型的施工方法正逐漸地發展成形，即不進行樁基托換，盾構直接切削樁體進行施工。對于盾構直接切削樁基，國內已有很多實驗。王飛等［6］的實驗證明:通過對刀盤的改造，盾構完全可以切削直徑1 200 mm的鋼筋混凝土樁;切樁時的實際推進速度、推力的波動幅度較大，易造成刀具合金的崩裂;切削側部樁相比切削中部樁對刀具的損傷更大;在實際的工程中進行應用也同樣證明直接切削大直徑樁基是可行的。傅德明［7］關于上海盾構的研究同樣證明通過對刀具進行改造，并嚴格控制施工參數，盾構可以安全下穿樁基建筑。傅德明［8］關于盾構切削混凝土模擬試驗同樣證明，在對刀盤進行改造的情況下盾構直接切削混凝土樁是可行的。該方法不需要增加其他的施工工序，節約成本，方法簡單，相比于破除樁基的方法縮短了工期。但對于盾構刀盤的要求較高，需要根據不同的情況對刀盤進行改裝，還需對螺旋出土器等其他設備進行一定程度的改裝。

既有研究基本是盾構穿越單一樁基，或者盾構下穿某棟建筑的幾根樁基，而長距離、大面積的穿越樁基建筑群、且多根樁基貫入隧道結構以內的情況在國內外并不多見。本文以深圳地鐵9號線盾構工程為例，著重研究盾構長距離、大范圍下穿樁基建筑群過程中的關鍵施工技術。

1 工程與地層概況

以深圳9號線大劇院—鹿丹村區間盾構工程為背景，詳細介紹盾構長距離、大范圍直接切削樁基礎方案的具體施工步驟。

1.1 工程概況

深圳地鐵9號線工程大劇院—鹿丹村區間采用盾構法施工，管片外徑為6 000 mm，內徑為5 400 mm，線路軌面埋深12～24 m。盾構自鹿丹村區間始發后先后下穿多棟建筑物，其中主要的即為濱苑小區9—13號樓。此建筑群全部為樁基基礎，多數樁基侵入隧道內部，不僅嚴重影響盾構隧道的安全施工，而且在隧道施工期間及后期地鐵運行的過程中對樓群也會產生影響。圖1為盾構隧道與濱苑小區的相對位置關系。

圖1 大鹿區間盾構隧道與濱苑小區位置關系Fig.1 Relationship between shield tunnel from Grand Theater station to Ludan Village station and Binyuan Residential Quarter

濱苑小區9—13號樓采用沉管灌注樁基礎，樁的完成直徑為340 mm，設計單樁承載力為350 kN，參考樁長12 m，為端承摩擦樁。建筑物樁基侵入隧道情況如表1所示。

表1 樁基侵入隧道情況Table 1 Foundation piles stretching into construction clearance of Metro tunnel

1.2 地層概況

區間上覆第四系主要為人工填土，軟土，沖－洪積黏性土、砂土、碎石土以及殘積土，其中人工填土主要為素填土，極個別有填石，軟土零星分布，沖－洪積砂土、碎石土主要分布于沖溝中，殘積層和全－強風化帶，厚度較大。下伏基巖為燕山晚期花崗巖以及震旦系云開群混合巖，巖面起伏較大。隧道穿越地層大部分為中微風化花崗巖層和礫質黏性土層，如圖2所示。

1.3 工程難點與重點

根據工程的地質及樁基侵入隧道的情況，調線、樁基托換、拔樁及沖樁等方法很難應用于大鹿區間的情況，主要困難如下:1)參考大鹿區間平面圖，本區間長度較短，在符合地鐵設計規范的情況下，調整線路的方法不能行之有效地避開濱苑小區建筑群［9］;2)根據實際情況濱苑小區上部建筑不能拆除，因此拔樁及沖樁的方法并不適用;3)濱苑小區的樁基礎為沉管灌注樁直徑較小且數量較多，樁基托換不僅沒有場地條件且工期較長。綜合以上條件大鹿區間下穿樁基決定采用加固建筑物下方土體，而后盾構直接切樁下穿建筑物進行隧道的方案進行施工。

圖2 盾構下穿區地質情況Fig.2 Profile of geological conditions

而在本工程中應用盾構直接切樁下穿建筑物的方案應該滿足以下方面的要求。1)保證既有建筑物的安全。在下穿的過程中必須保證建筑物的各方向偏移都不超出30 mm的警戒值;2)保證盾構在下穿區中能夠持續安全地推進。若盾構在下穿區發生故障，進而長時間的停機，對建筑的沉降控制是相當不利的;3)保證隧道完成后隧道結構的安全。當管片脫出盾尾時部分樁基直接作用于管片上，此時若還使用普通管片，有可能對隧道的安全造成影響。

2 盾構下穿施工關鍵技術研究

2.1 理論計算

對于盾構下穿時上部建筑物的安全問題，可以通過理論計算來做前期的分析工作。理論計算主要有2方面:在不同加固效果下單樁承載力是否滿足要求;在不同加固效果下地基梁是否滿足要求。

2.1.1 單樁承載力計算

根據《工程地質勘察報告》提供的巖土層的力學參數，樁基單樁豎向極限承載力標準值，按JGJ 1994—2008《建筑樁基技術規范》中5.3.5公式計算:

根據TB 10002.5—2005《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》，樁軸向受壓的容許承載力

由于盾構穿越時不考慮樁端阻力，因此剩余部分按摩擦樁考慮。地層未加固時單樁軸向受壓的容許承載力

施工計劃對樁基進行注漿加固，加固長度按剩余樁長計算，加固效果達到最佳時，側極限摩阻力的增強系數依照規范中后注漿灌注樁的后注漿側阻力增強系數取值。地層加固后單樁軸向受壓的容許承載力

同時計算當加固效果只有最佳效果20%，50%時單樁軸向受壓的容許承載力

理論計算認為，當所有被截除樁基的容許承載力全部滿足設計荷載條件時，上部結構穩定性滿足要求。

2.1.2 地基梁的理論計算

計算盾構截除樁基對地基梁的影響。假定上部結構荷載每層的取值，荷載均勻作用于地基梁和承臺上，淺基礎并不提供承載力。當截樁后單樁承載力不滿足設計荷載要求時，認為樁不能提供反力。

地基梁為雙筋矩形截面梁，相對受壓區高度x小于2倍的混凝土保護層厚度x＜2a's，可對受壓鋼筋A's取矩，正截面受彎承載力

分別計算盾構推進至不同環時相應建筑物的地基梁安全情況。

2.1.3 理論計算結果分析

地層未加固時切樁后單樁承載力和地基梁承載力均無法滿足安全要求，盾構切樁可能會引起建筑物結構的破壞。從單樁承載力可以看出:當土體加固效果提升50%以后，盾構切樁后11號樓所有樁基礎的單樁承載力能滿足設計的要求，10號樓和12號樓需要加固效果提升100%后，單樁承載力方能滿足要求。由于盾構開挖過程還會對樁基產生擾動致使側摩阻力降低，因此建議11號樓地基加固效果也要提升至100%。

從地基梁的承載力計算結果可知:單樁的破壞并不一定會導致地基梁的破壞，即單樁破壞后地基梁不一定會破壞，但是當多數單樁承載力消失后，地基梁也會逐漸破壞。結果表明:地層加固后所有地基梁的承載力均能滿足設計要求，因此建議對建筑物范圍內地基進行100%的加固。

2.2 地層加固

根據理論計算的結果，開始根據施工方案在盾構下穿前采用袖閥管對建筑物的周邊地層進行加固。加固完成后保留袖閥管，可供盾構切樁掘進時視建筑物沉降情況進行補償注漿。袖閥管注漿以壓力控制為主，注漿壓力為0.5～0.8 MPa，袖閥管直徑為42 mm，孔間距為1.0 m，注漿孔距離建筑物外墻1.0 mm。注漿加固后要求土體強度不小于1.0 MPa，滲透系數小于1.0×10－5m/s。10號樓注漿加固袖閥管的布置情況如圖3所示。注漿加固區布置情況如圖4所示。

圖4 注漿加固區布置情況Fig.4 Layout of grouting reinforcement areas

2.3 盾構推進關鍵參數優化

在左線開始下穿之前，設置50 m的試驗段，根據試驗段的施工情況，確定盾構下穿時的施工參數。根據試驗段的掘進過程確定下穿時的主要施工參數如下:推力為15 000～16 000 kN;刀盤轉速為1.2～1.4 r/min;上部土倉壓力為0.12～0.14 MPa;刀盤扭矩為1 000～1 200 kN·m;掘進速度為10～20 mm/min。實際施工中根據盾構掘進的情況調整施工參數，并嚴格做到“不超挖、不超排、不掘進、不注漿”。

2.4 設備檢修及改造

盾構在開始下穿9號樓之前對刀具孔進行檢修及更換，保證盾構的順利下穿，在掘進至10號樓與11號樓之間時再次進行換刀作業，共計4把中心滾刀，10把邊緣滾刀，23把正面滾刀。刀具更換時采購原廠配置刀具，刀具安裝時按照原設計安裝，未作調整。盾構在掘進過程中，若遇到灌注樁遺留套管，根據掌子面穩定性情況，選擇帶壓進倉割除的方式進行處理，將套管割斷取出后繼續掘進。當盾構切削下的樁體進入螺旋輸送機時，有可能導致螺旋出土機卡死，因此在螺旋輸送機上設置多個檢查孔，當出現螺旋機卡死的情況時，打開檢查孔將障礙物破碎或取出。

根據設計院對樁基礎直接作用在現有管片上的計算，得出現有管片并不能保證隧道完成后處于安全狀態的結論。因此必須采用特殊的鋼管片，如圖5所示。

圖5 特殊鋼管片Fig.5 Special steel segment

2.5 自動化監測系統

為實時地監控建筑物的沉降，在建筑物的頂層布置自動化監測點。自動化監測可實時反映建筑物沉降和位移，通過自動化監測的數據決定盾構二次注漿的管片位置及地面袖閥管加固注漿的位置，真正地做到動態施工。除此之外，還布有人工檢測測點，隨時監測地面有無沉降或隆起。自動化監測的標準如下:建筑物各方向累計偏移30 mm，偏移速率為3 mm/d，建筑物裂縫寬度為1 mm，整體傾斜率為0.004(Hg≤24)。測點的布置情況如圖6所示。

3 實施效果及位移分析

左右線自2013年11月16日開始，至12月6日結束，用時23 d完成4棟建筑物共計137根樁切除，安全通過4棟建筑物，現已恢復建筑物，業主入駐。

現以左線盾構下穿時的實際控制情況及自動化監測結果，分析建筑物的位移變化情況。左線盾構共下穿3棟建筑物(濱苑小區9號樓、10號樓、11號樓)，下穿9號樓用時76 h，10號樓117 h，11號樓35 h。推進過程中盾構關鍵參數控制情況及通過自動化監測軟件得出的建筑群在盾構下穿過程中和最終各方向偏移情況如表2所示。由表2可知:盾構下穿9號樓時的位移量較小，南北方向位移大于東西方向，結果表明9號樓周圍的土體加固達到了預期的效果。盾構下穿10號樓時樓體的偏移過程為:盾構到達樓體的南側時，西南側土體受擾動，樓體開始向西南偏移;之后盾構到達樓體北側，西北側土體受擾動，樓體開始向西北偏移。最終結果為:由于向南和向北的2次偏移，盾構推進對樓體南北方向的影響不大;由于盾構位于樓體西側，在整個下穿過程中10號樓始終向西偏移;整個下穿過程中豎直方向的位移表現為下沉。分析11號樓各方向沉降可知:盾構下穿過程中11號樓向西偏移;豎直方向表現為沉降?？傮w來說左線的下穿是成功的，在盾構下穿過程中及隧道施工完成后，建筑物的變形均在警戒值內。在9號樓與10號樓上選取特征測點得到其豎直方向位移時間的歷程曲線，如圖6和圖7所示，其中特征測點選取隧道上方的測點及接近隧道的測點，9號樓選取測點6513，6514，6515;10號樓選取測點6517，6518，6519，6520。

圖6 左線下穿時自動化監測布點圖Fig.6 Layout of automatic monitoring points

表2 盾構下穿建筑群時控制參數及建筑物各方向位移Table 2 Shield boring parameters and building displacement

4 結論與建議

深圳地鐵9號線大鹿區間下穿樁基建筑群工程，樁基數量之多、穿越距離之長在國內外罕見，基于現有的研究成果，總結出一種新的施工技術，完成了該區間隧道施工，工程應用效果良好，其關鍵技術及結果如下。

1)下穿前的理論計算。在盾構下穿前進行理論分析是非常必要，理論計算可以驗證隧道及既有建筑的安全情況，針對具體的安全狀態提出不同的解決辦法。

2)試驗段的設置。在盾構下穿前選取與下穿段相似地層的部分區間設置試驗段，初步確定盾構下穿時的掘進參數，為盾構正式下穿提供參考。

3)實時監控系統。在建筑物上布置自動化監測系統，對建筑物的變形進行實時監控，確保盾構穿越構成建筑物的安全。

4)盾構的改造。對盾構的刀具及螺旋出土器進行改造，以適應盾構切削樁基礎。

5)土體注漿加固。合理的注漿參數能夠保證建筑物的沉降在可控范圍內，預留的袖閥管也可以在后期的控制建筑物各方向位移發揮重要的作用。

土壓力、刀盤扭矩及推力等盾構關鍵參數的設定與控制對下穿過程中建筑物位移的控制至關重要。建議施工前必須根據地層情況確定上述參數的設定范圍，施工過程中嚴格根據預先設定的范圍進行操作，同時根據自動化監測反饋的結果，對參數進行實時調整，確定盾構穿越樁基建筑群的安全。

圖7 盾構下穿過程中9號樓特征測點各方向位移時間歷程曲線(2014年)Fig.7 Time-dependent curves of displacement of No.9 building measured at typical monitoring points during shield boring in 2014

圖8 盾構下穿過程中10號樓特征測點各方向位移時間歷程曲線(2014年)Fig.8 Time-dependent curves of displacement of No.10 building measured at typical monitoring points during shield boring in 2014

［1］ 呂瀟，鹿群，仲曉梅.地鐵盾構隧道穿越樁基礎施工技術［J］.施工技術，2013，42(S1):350 －352.(LV Xiao，LU Qun，ZHONG Xiaomei.Construction technology of subway tunnel crossing through the pile foundation［J］.Construction Technology，2013，42(S1):350 －352.(in Chinese))

［2］ 丁紅軍，王琪，蔣盼平.地鐵盾構隧道樁基托換技術研究［J］.隧道建設，2008，28(2):209 －212.(DING Hongjun，WANG Qi，JIANG Panping.Pile foundation underpinning technology applied in construction of shield-bored tunnels［J］.Tunnel Construction，2008，28(2):209 － 212.(in Chinese))

［3］ 王虹，鞠世健.盾構穿越建筑物樁基群施工技術［J］.廣東建材，2006(7):71 － 73.(WANG Hong，JU Shijian.Construction technology of shield crossing through the pile foundation［J］.Guangdong Building Materials，2006(7):71 －73.(in Chinese))

［4］ 楊杰.盾構穿越橋梁樁基破除施工技術［J］.中國水運，2013，13(9):316 －317.(YANG Jie.Construction technology of shield crossing through the brigde with pile foundation［J］.China Water Transport，2013，13(9):316 － 317.(in Chinese))

［5］ 馬忠政，馬險峰，徐前衛，等.盾構穿越橋梁樁基的托換及除樁施工技術研究［J］.地下空間與工程學報，2010，6(1):105 － 110.(MA Zhongzheng，MA Xianfeng，XU Qianwei，et al.Study on pile underpinning and removing technology of shield machine crossing through pile foundation of road bridge［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6(1):105－110.(in Chinese))

［6］ 王飛，袁大軍，董朝文，等.盾構直接切削大直徑鋼筋混凝土樁基試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32(12):2566 －2574.(WANG Fei，YUAN Dajun，DONG Chaowen，et al.Test study of shield cutting large-diameter reinforced concrete piles directly［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(12):2566－2574.(in Chinese))

［7］ 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.(FU Deming，LI Bihua，MA Zhongzheng.On construction technique of soil shield cutting directly reinforced concrete pile foundation［J］.China Municipal Engineering，2010(4):46 －47，82 －83.(in Chinese))

［8］ 傅德明.盾構切削混凝土模擬試驗和切削樁基施工技術［J］.隧道建設，2014，34(5):472 － 477.(FU Deming.Model test on concrete cutting directly by shield and pile foundation cutting technology［J］.Tunnel Construction，2014，34(5):472－477.(in Chinese))

［9］ 北京市規劃委員會.GB 50157—2013地鐵設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2013.(Beijing Municipality’s Planning Committee.GB 50157 －2013 Code for design of Metro［S］.Beijing:China Building Industry Press，2013.(in Chinese))