盾構區間下穿過街通道磨樁方案研究

宋磊鵬

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010)

對于侵入盾構區間的樁基礎，通常采用樁基托換、拔樁、沖樁或切樁等工程措施來處理[1]。近年來，國內軌道交通建設積累了不少成功的經驗。廣州地鐵5號線草-淘盾構區間穿越內環路2.6標A匝道A4樁基礎[1-2]采用樁基托換技術，先將上部荷載傳遞給新建的擴大承臺和樁基，然后施做橫通道并進行人工截樁，避免了盾構機直接切樁，大大降低了施工風險；上海軌道交通10號線溧陽路站-曲陽路區間下穿沙涇港橋[3-4]，通過地基加固和筏板基礎托換，并對盾構機進行改造，成功穿越了大直徑橋梁樁基；南京地鐵2號線TA07標莫愁湖-漢中門區間下穿外秦淮河兩岸的抗滑樁[1]，采用先加固、后拔樁、再恢復的總體施工技術方案；蘇州市軌道交通1號線盾構下穿玲瓏街1號橋，共計28根樁基(直徑1 m)侵入區間隧道，對下穿范圍內的樁基進行破碎處理，破壞了混凝土與鋼筋之間的連接，減小了盾構穿越難度；蘇州市軌道交通2號線三石區間下穿廣濟橋[5-8]，共有14根(長34.5～38.5 m)鉆孔灌注樁侵入區間隧道，通過對盾構機刀盤和螺旋輸送機的改造并結合現場試驗，進一步優化調整盾構掘削參數，成功穿越了廣濟橋。

以南京地鐵5號線盾構區間下穿夫子廟過街通道為工程背景，通過線路調整、盾構機選型，并結合建構筑物基本情況、地質條件、路面交通和現狀管線，深入討論拔樁方案與磨樁方案的優缺點及可實施性。

1 工程概況

1.1 過街通道概況

夫子廟過街通道位于太平南路和建康路交叉路口，地處繁華的夫子廟商圈和國家5A級景區。通道南北向布置，兩端與夫子廟地下商業街銜接，共設3個地面出入口。夫子廟地下商業街7501-3、4、5工程(含過街通道)1988年4月正式破土動工，于1989年12月正式竣工。盾構區間與過街通道平面相對關系如圖1所示。

圖1 盾構區間與過街通道平面相對關系

過街通道主體結構采用300級防水混凝土(相當于C28混凝土)，頂板、底板、側墻厚度均為800 mm，通道凈尺寸為2.5 m×8 m(如圖2所示)。通道頂板覆土厚1.7 m，底板埋深5.8 m，相對高程為-6.100 m，絕對高程為3.500 m(吳淞高程)。

圖2 過街通道結構橫剖面(單位：m)

過街通道圍護結構為密排450 mm×450 mm預制鋼筋混凝土方樁，采用全液壓靜力壓樁法施工，樁長12 m(無接頭)，樁底絕對高程為-3.4～-3.53 m(吳淞高程)。由于該工程年代久遠，未查閱到靜壓方樁的配筋資料，參考《預制鋼筋混凝土方樁》04G361圖集，配筋如圖3所示，其中d=450 mm，l1=700 mm，b=500 mm，①②主筋為4根φ18，箍筋為φ6@50。

圖3 靜壓方樁配筋(單位：mm)

1.2 盾構區間概況

南京5號線夫子廟-三山街區間沿建康路敷設，長約580.9 m，采用盾構法施工。沿線建筑物密集，區間出夫子廟站后，側穿上海商業儲蓄銀行舊址(省級文物)和南京郵電局舊址(省級文物)，在太平南路路口下穿夫子廟過街通道后一路向西，先后側穿水平方、水游城、茂業天地等大型商業綜合體。

盾構區間管片外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，壁厚350 mm，環寬1.2 m。線路采用30‰縱坡，在穿越過街通道處，軌面高程為-8.185 m，圍護結構靜壓方樁侵入區間隧道最大深度為0.32 m，盾構區間與過街通道縱斷面相對關系如圖4所示。

圖4 盾構區間與過街通道縱斷面相對關系

1.3 工程地質與水文地質

擬建場地位于秦淮河漫灘地貌單元，覆蓋層厚度較大(34.0～36.7m)，土層從上到下依次為：①-1雜填土、①-3淤泥、②-3b+c淤泥質粉質黏土、粉質黏土夾粉土、②-3d粉砂、③-3b粉質黏土、③-4b+d粉質黏土夾團塊狀粉細砂、③-4b粉質黏土、③-4a黏土(軟流塑)、③-4e含卵礫石粉質黏土(局部含卵礫石中粗砂)，巖層依次為強風化泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，中風化泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖。巖土力學參數如表1所示。

場地內的地下水主要為潛水、承壓水、基巖裂隙水，潛水穩定水位在地面以下1.2～2.0 m，承壓水水頭在地面下3.40～3.50 m。

2 區間下穿方案研究

2.1 線路調整

(1)線路平面調整

南京5號線夫子廟站主體結構西端頭距離過街通道僅117 m，緩和曲線已經進入有效站臺11.1 m。根據《地鐵設計規范》GB50157—2013規定，對于設置站臺門的A型車，有效站臺范圍內的線路曲線最小半徑為1 500 m。

區間右線與北側上海商業儲蓄銀行舊址(省級文物)的水平凈距僅0.1～1.3 m，不具備向北偏移的可能，為減少靜壓方樁侵入區間隧道的數量，右線應盡量往南偏移，但5號線車站長度向兩側延伸受限，有效站臺調整難度較大，故線路平面的調整空間有限。

(2)線路縱斷面調整

為進一步減少侵入區間隧道的靜壓方樁數量，需要加大區間坡度，從而拉大盾構管片與樁尖的豎向距離。

①當線路坡度超過30‰后，本段區間范圍內出現了最低點，需要增加一座聯絡通道并設置廢水泵房。若采用凍結法施工，造價增加約200萬；或者不增設聯絡通道，采用特殊鋼管片內置廢水泵房的方式解決區間的排水問題，造價增加約60萬[11-12]。

②根據《地鐵設計規范》GB50157—2013，正線在困難地段的最大坡度為35‰，現方案區間縱坡為30‰，即使調整至35‰的坡度，仍有部分靜壓方樁侵入區間隧道，不能完全避開。不同坡度下侵入區間的方樁數量見表2，區間磨樁范圍如圖5所示。

表2 不同坡度下侵入區間的方樁數量對比

圖5 盾構磨樁范圍示意(單位：m)

③隨著線路坡度的增加，盾構施工難度也相應增加，對于盾構機的精度控制、姿態調整和線路糾偏帶來更大的挑戰。

2.2 盾構機選型

根據施工環境的不同，盾構分為軟土盾構和復合盾構兩大類[9]。其中，軟土盾構主要適用于未固結成巖的軟土，刀盤僅安裝切削軟土用的切刀和刮刀，無需設置滾刀，刀盤外徑一般為6 340 mm；復合盾構適用于軟土、硬巖，以及上軟下硬的復合地層，其不僅安裝有切刀和刮刀，還安裝有破碎硬巖的滾刀或撕裂刀，刀盤外徑一般為6 480 mm。

本段盾構區間穿越的地層主要為③-3b粉質黏土和③-4b+d粉質黏土夾團塊狀粉細砂，未經歷巖層。因此，從地層的適應性和侵入隧道的方樁數量兩個方面進行比選，推薦采用軟土盾構，土壓平衡掘進模式。

2.3 拔樁方案與磨樁方案對比

(1)路面交通

建康路現狀道路寬18 m，西向東為“2個機動車道+1個公交專用道+1個非機動車道”，東向西為“1個公交專用道+1個非機動車道”。夫子廟過街通道地處夫子廟景區的北門，交通繁忙，人流量較大。考慮到侵入區間隧道的靜壓方樁數量較多，若實施拔樁方案，拔樁機具較大，施工工序較多，將長期占用市政道路，對建康路的交通帶來極大的影響。

(2)現狀管線

建康路下管線錯綜復雜，主要有1根DN200給水管、1根DN500給水管、1根DN600雨水管(埋深1.7 m)、一根中壓燃氣管、2根通信管、2根10 kV電力管等，如圖6所示。

圖6 過街通道范圍內現狀管線

綜上所述，拔樁方案存在多方面的條件限制。因此，為了減小對地面交通和現狀管線的影響，參考國內盾構區間切樁的成功經驗，推薦采用盾構磨樁方案。

3 盾構磨樁方案研究

3.1 方案難點

已完成的盾構磨樁工程大多為盾構機依次磨削單根樁基，而盾構機全斷面同時磨削密排靜壓方樁在國內尚屬首次。

本工程的難點在于：①單線盾構掘進過程中同時磨樁數量最多時為7根；②由于建造年代久遠，靜壓方樁的配筋資料缺失，是否設置鋼靴尚未明確；③施工記錄揭示有個別靜壓方樁的打入深度超過-3.530 m；④1號出口基坑較淺處未設置靜壓方樁，分界點不明，侵入區間隧道的方樁數量可能增多；⑤靜壓方樁以密排的方式布置，在外力作用下，樁與樁之間的相互影響較大；⑥盾構磨樁范圍內線路縱坡為30‰，樁尖的磨削面積增加，盾構掘進的難度隨之增加。

因此，如何有效地磨削靜壓方樁并減小樁與樁之間的相互影響成為本工程的重中之重。

3.2 盾構機改造

(1)刀盤刀具改造

本段盾構區間采用30‰的縱坡，磨樁深度最大為0.32 m，為了保證盾構機磨樁效果，需增加一套先行刀。先行刀采用貝殼刀，在刀盤外緣上等間距布置，先行刀的高度超出標準切刀65 mm(約3倍鋼筋直徑)。

由于磨樁深度小，數量多，先行貝殼刀布置應采取“大寬度，小凈距”的方案[8]，保證一個軌跡線有足夠多的貝殼刀進行工作，確保磨樁的連續性和有效性。為減小先行貝殼刀的磨損量，同時增加貝殼刀的剛度，刀身應焊接高強硬質合金。在刀盤外緣配置易于擴挖的單刃銳角大貝殼刀。

(2)螺旋輸送機改造

盾構磨樁過程中，破碎的混凝土塊和截斷的鋼筋極易堵塞螺旋輸送機，導致土艙內的土體不能順利排出，影響盾構掘進。

借鑒國內盾構切樁的成功經驗，將有軸螺旋輸送機調整為無軸螺旋輸送機[5]，可以減小卡阻的風險。在螺旋輸送機的外殼上增設檢查門，當通過螺旋輸送機正反轉無法解決卡阻問題時，可打開檢查口進行人工清障，保證螺旋輸送機的正常運轉，減少盾構機的停工時間。

3.3 盾構實施方案優化

若從夫子廟站進行盾構始發，出站后117 m即遇到過街通道靜壓方樁，且磨樁深度較大，故建議盾構機從三山街站始發。出站坡度為3.1‰，有利于盾構機姿態調整和掘進參數的優化。推進至過街通道時，先行磨削西側的靜壓方樁，為下一步磨削更長、更多的靜壓方樁奠定基礎。

相較于右線，區間左線減少了一排出入口方樁的磨樁數量，施工難度相對較小，故可以先行施工左線盾構區間。在左線盾構的磨樁過程中，可以進一步判別靜壓方樁的結構組成和埋深，減小右線施工的工程風險。

3.4 注漿加固

場地范圍內交通繁忙，管線錯綜復雜，常規的攪拌樁加固和旋噴樁加固難以實施，建議采用袖閥管注漿的方式，對靜壓方樁外圍的土體進行加固，減小盾構磨樁過程中靜壓方樁位置的變動對過街通道和既有管線的影響[16]。

注漿范圍為靜壓方樁外側3 m，袖閥管梅花狀布置，間距和排距均為1 m。加固深度超過既有靜壓方樁1 m。

4 盾構施工過程控制

4.1 磨樁施工前

在盾構始發前，可利用端頭井的有限空間，按照過街通道靜壓方樁的排布方式，設置一定數量的鋼筋混凝土方樁進行磨樁試驗，模擬盾構穿越的工況，便于優化刀盤、刀具的配置和掘進參數的調整。

在過街通道主體結構、周邊管線及地表布設監測點，根據監測數據的變化及時調整掘進速度、推力及扭矩，以便指導盾構施工。

4.2 磨樁施工

(1)盾構磨樁施工盡量選擇在夜間進行，若在白天施工，應對過街通道進行臨時封閉，地面車輛限速通過。增派安全人員，對過街通道進行24 h監控，密切關注地表變化，若發生地面沉降，及時對過往的車輛和行人進行疏導。

(2)在盾構機推進系統中增加微動馬達[8]，滿足盾構機低速運轉的需要。當盾構機進入磨樁范圍時，將推進速度降低為1 mm/min，刀盤轉速調整為0.8 rpm，控制好土艙壓力、盾構機推力和扭矩，保證有效的切割深度，防止靜壓方樁向前移動或者發生逆時針的旋轉。

(3)加注泡沫、膨潤土、聚合物等輔助材料進行碴土改良，有效控制工作面及地表穩定，減少刀盤、刀具及螺旋機的磨損，便于混凝土塊和鋼筋碎條的排出。

(4)磨樁過程中，若出現盾構機扭矩增大的情況，應及時檢查刀盤和螺旋輸送機是否有卡阻的現象，通過螺旋輸送機正反轉進行調整，并通過檢查口進行人工清除障礙，保證盾構機的順利推進。

(5)確保盾尾密封系統的的可靠性，當盾尾脫開后同步注漿系統及時介入，控制好注漿壓力和注漿量，減少地層損失。

4.3 磨樁施工后

盾構施工完成后，應繼續對過街通道和地表隆沉進行監測，必要時可通過管片預留注漿孔進行二次注漿。待監測數據趨于穩定后，方可恢復正常的交通。

5 結論

(1)在周邊環境復雜、施工空間局促的場地進行盾構施工時，磨樁方案相較于拔樁方案更有優勢。當侵入區間隧道的樁基為結構的受力構件時，應復核樁基磨削后的剩余承載力，必要時采取樁基托換或加大管片配筋等技術措施。

(2)盾構機全斷面磨削密排靜壓方樁，對刀盤、刀具的配置要求較高，應在刀盤有效切割范圍內布置大寬度、小凈距、小排距的先行貝殼刀，保證磨樁施工的連續性和高效性。

(3)合理選擇盾構掘進方向和左右線實施順序，可以有效地降低施工風險，減小施工難度，有利于盾構姿態的調整和精度的控制。

(4)建議在盾構始發井位置布設同類型的鋼筋混凝土方樁，通過現場試驗，對刀盤配置和磨樁參數進行優化調整，為盾構穿越過街通道提供技術支撐。