盾構直接切削樁基施工關鍵技術

杜闖東， 張 杰， 唐縱雄

(中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來隨著經濟的快速發展，城市軌道交通建設已經成為現代化大都市的象征，以地鐵為代表的城市軌道交通更是一個現代化大都市中必不可少的現代化交通工具。然而地鐵隧道施工中地質情況的不確定性和地下環境的復雜性，使得地鐵隧道的施工難度越來越大，尤其是地鐵隧道施工中經常遇到近距離、層疊交叉穿越樁基，穿越既有高架橋樁，穿越既有車站、既有隧道等建(構)筑物的情況屢見不鮮。地鐵隧道施工過程中復雜的地下環境和不確定的地質條件，使得工程的建設周期、建設成本以及施工風險變大。近年來，相關學者相繼采用有限元分析法、簡化理論方法等對地鐵近距離、層疊交叉穿越樁基、切削樁基等施工進行研究。文獻[1]借助有限元數值分析，對鄰近樁基的變形特征進行研究；文獻[2]模擬隧道近距離穿越高架樁基的施工過程；文獻[3]通過模擬實驗，對盾構直接切削樁基(玻璃纖維筋)施工技術的可行性進行研究；文獻[4]利用MADIS 模擬盾構掘進過程，分析盾構掘進過程中土層的應力和位移變化對車站站房樁基礎及盾構管片的應力變化的影響；文獻[5]采用簡化理論方法、三維有限元數值模擬方法以及現場監測方法，揭示軟土地層土壓平衡盾構上下交疊穿越地鐵隧道的變形規律。目前國內研究完成了高架樁基準確穿越[6]、房屋建筑群[7]、侵限樁基[8]的施工工藝和施工參數，且通過研究鋼筋斷裂形式[9]、刀具配置和改進[10]、建筑物保護加固[11]、施工監測反饋[12]、推力和轉矩選擇[13]、群樁效應模擬[14]、樁基托換[15]等方式拓展盾構掘進切削樁基的方法。但針對不同地質條件下，大直徑土壓盾構直接切削鋼筋混凝土樁基的實例分析研究仍很有必要，特別是當刀盤受到振動停止運轉等情況仍是亟待解決的問題。

本文以以色列特拉維夫輕軌紅線工程為依托，重點結合盾構直接切削樁基模擬實驗及工程實例，展開研究和分析。該工程為首次在國外施工的大直徑土壓盾構隧道，由于城市建筑物密集，地下樁基深度較大，且考慮海外施工環境的復雜性，使得該項目存在較多的施工安全風險。本文通過建立盾構掘進模態綜合實驗臺開展盾構刀具直接切削樁基室內模擬實驗，根據實驗參數對盾構刀盤進行適用性改進并調整掘進參數，結合盾構下穿施工案例，對河道及鐵路采取旋噴注漿加固，形成一套盾構直接掘進切削不同類型鋼筋混凝土樁基的施工方法。

1 工程簡介

以色列特拉維夫輕軌紅線項目TBM段(西標段)工程位于以色列特拉維夫市中心，本標段盾構隧道線路全長11.79 km(先隧后站單線延米)，呈南北走向，線路起于Herzl始發井,終于Ben Gurion車站。線路主要沿城市道路敷設,沿線主要穿越既有高速公路、既有鐵路、Ayalon河及Shefaa Tal橋等重要建筑物。線路隧道最大縱坡為27‰，最小縱坡為5‰，隧道埋深為5.9～30.6 m，線路最小曲線半徑為220 m，線間距為0.8～5 m(均不足1倍洞徑)，為小間距淺埋隧道。盾構隧道主要穿越Kurkar(凝砂塊)結構的K1、K2、K3地層。

本工程盾構隧道采用單層鋼筋混凝土(B60)襯砌管片結構，襯砌管片外徑為7 200 mm，內徑為6 500 mm，厚度為350 mm。為滿足220 m小曲線轉彎需求，管片環寬設計為1 500 mm和1 200 mm 2種。采用6臺開挖直徑為7.54 m土壓平衡盾構掘進施工，刀盤采用標準面板結構設計，主要由4個主刀梁和8個副刀梁及外圈梁組成，開口率為35.5%，額定轉速為1.27 r/min，最高轉速為3.8 r/min。主驅動額定轉矩為12 000 kN·m，脫困轉矩為14 000 kN·m，最大推力為55 750 kN。螺旋輸送機采用950 mm內徑軸式螺旋輸送機，最大轉矩為210 kN·m，最高轉速為25 r/min，最大通過粒徑為φ355 mm×550 mm。

工程施工范圍主要為“6站3區間”土建工程，即Allenby、Yehudit、Shaul Hamelech、Arlosoroff、Abba Hillel、Bialik 6座車站和Herzl—Carlebach區間、Galei Gil—Ben Gurion區間、Galei Gil—Carlebach區間。其中Carlebach—Ben Gurion區間在中間設立盾構始發井(Galei Gil)，4臺盾構在此下井，分別向Carlebach站和Ben Gurion站掘進施工，2臺盾構由Herzl井始發至Carlebach站掘進施工。其中Galei Gil—Arlosoroff區間盾構從Galei Gil始發后，需連續下穿高速公路、河道、鐵路并再次下穿高速后進入Arlosoroff站，如圖1所示。

圖1 Galei Gil—Arlosoroff區間位置平面圖

根據地勘資料，該區間所處地層以黏土、砂土、粉質砂土、凝砂塊為主，其中隧道范圍內主要以粉質砂土、砂土地層為主，隧底為砂土、含砂土的板巖地層，凝砂塊在整個地層中的含量不超過20%，標貫值最高可超過50擊，但達不到MPa級別。地下水位相對較高，在Galei Gil始發端頭，地下水位線位于隧道頂部4 m處，過河段與過鐵路段地下水位位于隧道頂部5.5 m處，Arlosoroff站地下水位位于隧道頂部5 m處。

該區間隧道下穿的建(構)筑物均為城市主要市政設施，其中Ayalon河道為特拉維夫城市主河道，河道兩側為阿亞隆高速公路，其中緊鄰河道西側還有在運行的鐵路線，阿亞隆高速車流量平均120輛/min。隧道南側為以色列特拉維夫中央火車站，為城市的交通換乘站，列車運行量大，平均每3 min就有1輛列車進出該站，隧道北側為阿亞隆橋，橋上車流量更多為城市主干道。Galei Gil始發井兩端相距約200 m為2座輕軌紅線地下車站，車站位置及標高不能改變。輕軌隧道必須從此處下穿河道樁基群，河道樁基沿河道擋墻布置，該區間盾構掘進范圍內共有11根樁基侵入2條隧道范圍內。侵入隧道內的樁基與隧道平面位置圖如圖2所示。侵入隧道樁基統計表如表1所示。區間樁基位置關系圖如圖3所示。

(a) 平面位置航拍圖

(b) 平面位置關系圖

隧道樁徑/m樁長/m樁間距/m混凝土等級侵入隧道長度/m侵入隧道根數Axis1L(TBM6)1 124.9B407.142Axis2R(TBM5)1.2122.8B407.8421124.7B407.141113.51.1B401.76

注： 以色列本地混凝土標號以字母B表示，B40相當于中國的C35混凝土等級。

(a) TBM6區間樁基位置關系圖

(b) TBM5區間樁基位置關系圖

2 盾構直接切削樁基模擬實驗

2.1 實驗方案

實驗利用土壓盾構掘進模態綜合實驗臺開展盾構刀具直接切削樁基室內模擬實驗，本次實驗需測取的參數主要包括不同刀具(滾刀、切刀)切削圓樁和方樁的切削效果、刀盤振動特性、鋼筋破壞形式及受力情況、盾構掘進參數，評價滾刀和切刀切削圓樁和方樁的可行性。

1)重點觀察滾刀/切刀破樁過程、鋼筋形變過程、鋼筋與混凝土間的破壞過程，觀察鋼筋破壞斷面形態，分析鋼筋受力及斷裂方式。

2)提取刀盤的振動數據，測取滾刀和切刀切樁過程中的振動加速度變化情況。

3)記錄實驗臺的推力、轉矩等掘進參數，提取破樁實驗過程中的參數。

為對比滾刀和切刀直接切削樁基的效果，實驗制定2組刀具配置方案： 第1組為刀盤配置純滾刀，第2組為刀盤配置純切刀。同時，針對每組刀具配置，按1∶1比例在巖盤內同時澆筑圓樁和方樁。設計盾構掘進模態綜合實驗臺巖盤直徑為2 500 mm，刀具切削直徑為2 280 mm，模擬巖層厚度為500 mm。按1∶1比例將方樁和圓樁平行布置于同一巖盤內，一側圓樁直徑為1 200 mm，另一側方樁尺寸為450 mm×400 mm，巖盤內對稱布設方樁和圓樁，間距為280 mm。圓樁和方樁內主筋采用φ25 mm螺紋鋼，箍筋采用φ10 mm光圓鋼筋，第1種工況樁基采用C35等級混凝土，第2種工況樁基采用C50等級混凝土；方樁和圓樁之間填充M5等級水泥砂漿。方樁和圓樁橫向剖面布置圖如圖4所示。方樁和圓樁在巖盤中的布置圖如圖5所示。

2.2 實驗儀器

本次實驗采用的TBM掘進模態綜合實驗臺如圖6所示。TBM掘進模態綜合實驗臺主要有機械結構、液壓泵站、掘進裝置、旋轉裝置、螺旋輸送裝置及其控制系統等構成，分別以垂直和水平狀態針對各樣巖樣以不同材質的刀具、刀間距布置和不一樣的破巖切削速度、進給量進行實驗，進一步統計分析不同刀具參數導致的破巖效率和刀具壽命，為相應的工程配置不同材質的刀具及布置，以滿足實際施工的需要。

圖4 方樁和圓樁橫向剖面布置圖(單位： mm)

Fig. 4 Horizontal profile of square pile and circular pile (unit: mm)

圖5 方樁和圓樁在巖盤中的布置圖

(a) 實驗臺實物照片

2.2.1 實驗項目

1)壓頭靜力侵入巖石測試； 2)滾刀靜力侵入巖石測試； 3)轉速定值給定，推力侵深實驗； 4)滾刀運動狀態滾壓破巖測試； 5)模擬撕裂刀、刮刀高差破巖測試； 6)不同材質刀具各種狀態的磨蝕實驗。

2.2.2 性能參數

TBM掘進模態綜合實驗臺實驗參數如表2所示。

2.3 滾刀切樁實驗效果

本組實驗2種工況刀盤均全部配置43.18 cm(17英寸)常截面滾刀，共11把。其中1#—2#、3#—4#、5#—6#為雙刃滾刀(共3把)，7#—14#為單刃滾刀(共8把)。通過TBM掘進模態綜合實驗臺的空推和空轉，調試各項參數處于正常范圍內，同時驗證不同參數之間(推進速度與總推力、刀盤轉速與轉矩)的相關性。

2.3.1 滾刀切削C30鋼筋混凝土層

實驗開始時，刀盤在恒定的推進速度和轉速下，總推力和刀盤轉矩逐漸增大，且2個參數的相關性較強。如推進速度和刀盤轉速不能滿足滾刀穩定、高效破巖的要求，可提高推進速度和刀盤轉速。

滾刀切削鋼筋混凝土層時，刀盤總推力和轉矩在前期掘進速度條件下逐漸降低(見圖7)，后期掘進速度條件下增大，最后刀盤因轉矩過大而出現卡機現象。由此可見，刀盤推進速度13.30 mm/min、轉速0.57～0.51 r/min可認為是滾刀掘進效率最高的1組匹配參數。

圖7 刀盤總推力和轉矩隨時間變化圖

Fig. 7 Time-varying relationship between total thrust and torque of cutterhead

從觀察實驗過程(聲音、振動等)及監測參數，基于不出現卡機事故及高效掘進的目的，可以分析得出： 1)滾刀切削C30混凝土層的最優推進速度≥9.47 mm/min，但不得超過17.25 mm/min，同時轉速不得≤0.61 r/min； 2)滾刀切削C30鋼筋混凝土層時，推進速度宜取8.36 mm/min左右，但不得超過13.30 mm/min。提高轉速可以相對提高推進速度，但對周圍影響增加，建議轉速不宜超過1.00 r/min。滾刀切削C30鋼筋混凝土層(第1種工況)掘進參數概況如表3所示。

表3 滾刀切削C30鋼筋混凝土層(第1種工況)掘進參數概況

2.3.2 滾刀切削C50鋼筋混凝土層

以相同的推進速度繼續掘進至鋼筋層，總推力和刀盤轉矩隨時間變化如圖8所示。可以看出： 1)穩定推進總推力為2 203.2～3 267.0 kN，瞬時最大總推力達到3 556.3 kN； 2)刀盤穩定推進轉矩為88.9～235.7 kN·m，瞬時最大轉矩達到295.8 kN·m。

由圖7和圖8可知： 1)相比滾刀切削混凝土時所需總推力及轉矩，滾刀掘進鋼筋混凝土層所需總推力稍大，瞬時總推力更大； 2)刀盤轉矩稍大且振幅變大，瞬時總推力變得更大。

滾刀切削C50混凝土層所取掘進速度和轉速能夠保持滾刀高效掘進，同時考慮到實驗掘進混凝土面積較小，建議滾刀推進速度宜取6.89 mm/min，轉速取0.59 r/min。如遇大面積混凝土層，可適當減小推進速度，或增大轉速；相同的推進速度和轉速下，滾刀切削C50鋼筋混凝土層需要更大的推力和轉矩，但仍處于穩定狀態，最佳掘進參數同樣可取推進速度6.89 mm/min、轉速0.59 r/min。同時可以分析得到，混凝土強度越高對滾刀切削鋼筋越有利。 滾刀切削C50鋼筋混凝土層(第2種工況)掘進參數概況如表4所示。

圖8 刀盤總推力和轉矩隨時間變化圖

Fig. 8 Time-varying relationship between total thrust and torque of cutterhead

表4 滾刀切削C50鋼筋混凝土層(第2種工況)掘進參數概況

2.4 切刀切樁實驗結果

2.4.1 切刀刀盤空推與空載

將刀盤滾刀全部更換為切刀，刀盤以最大推進速度59.7 mm/min穩定空推時，總推力為1 041.2 kN；設定刀盤以恒定轉速0.672 r/min空轉時，刀盤轉矩為12.388 kN·m。

2.4.2 切刀切削鋼筋混凝土層

設定刀盤推進速度，反饋平均值為2.377 mm/min，刀盤轉速為0.531 r/min。刀盤總推力和轉矩隨時間變化如圖9所示。可以看出： 1)切刀低速切削鋼筋層時，刀盤總推力主要為244.3～522.7 kN，瞬時最大總推力為681.2 kN； 2)刀盤轉矩為37.3～76.4 kN·m，瞬時最大轉矩達到232.2 kN·m，遠遠大于平穩狀態值，刀盤轉矩值振動幅度大，且頻率高； 3)提高刀盤推進速度后，刀盤推力增加，刀盤轉矩增加至113.2～287.5 kN·m，切刀切削掘進維持較短時間后出現刀盤轉速降低現象，降低推進速度，繼續推進刀盤； 4)當刀盤轉矩超過330 kN·m時，刀盤轉速會逐漸降低。

圖9 總推力和刀盤轉矩隨時間變化曲線圖

Fig. 9 Time-varying relationship between total thrust and torque of cutterhead

相對于滾刀切削樁基，切刀切削C50鋼筋混凝土層時刀盤轉矩值變化幅度和頻率明顯增大，最優推進速度宜取5.466 mm/min，轉速宜取0.575 r/min，同時增大轉速可以提高推進速度達到高效破巖目的，轉速不宜超過1.444 r/min。相比于切刀切削C50混凝土，切刀切削C50鋼筋混凝土層過程中，刀盤轉矩值變化幅度明顯增大，最優推進速度宜取3.896 mm/min，對應轉速為0.531 r/min，雖然增大轉速可以提高推進速度達到高效破巖目的，但轉矩值變化幅度過大，建議不可盲目提高轉速。

2.4.3 切刀低速切削鋼筋混凝土層振動特性

切刀切削鋼筋混凝土層時，中心刀、7#刀刀座、9#刀刀座和刀盤最外側面的3向振動加速度如圖10所示。低推進速度和低轉速切削鋼筋混凝土樁基使刀盤各部位均產生較大振動，中心刀刀座在刀盤軸向振動加速度為-1.193g～1.260g，徑向振動加速度為2.126g～2.608g。徑向振動加速度遠遠大于軸向振動加速度，說明切刀切削鋼筋混凝土基樁導致刀盤環向振動強烈。

(a) 刀盤中心刀背面振動加速度變化曲線

(b) 刀盤7#刀座側面振動加速度變化曲線

(c) 刀盤9#刀座側面振動加速度變化曲線

(d) 刀盤最外側振動加速度變化曲線

圖10切刀不同速度切削鋼筋混凝土層刀盤振動加速度變化曲線圖

Fig. 10 Vibration acceleration curves of drag bit when cutting reinforced concrete at different speeds

2.4.4 切刀高速切削鋼筋混凝土層振動特性

增大刀盤推進速度后，總推力和刀盤轉矩均增大。中心刀刀座和7#刀刀座振動加速度隨時間的變化如圖11所示。可以看出，增大刀盤推進速度后，刀盤轉動不穩定，卡機現象明顯。

2.5 實驗總結

本次實驗就滾刀和切刀直接切削基樁開展了2組模擬實驗，混凝土分別采用C35和C50，可以得到如下結論。

1)滾刀和切刀直接切削鋼筋具有不同的機制，滾刀以擠壓破碎的方式破除混凝土，以剪壓、剪拉、彎折破壞方式作用于主筋，鋼筋的破壞形式與混凝土抗壓強度、鋼筋邊界條件、掘進控制參數(推進速度與刀盤轉速)等因素有關，具有明顯的彎曲、彎扭變形；切刀以剪切、擠壓的方式破除混凝土(混凝土崩裂現象明顯)，鋼筋以剪切破壞為主，剪拉/剪彎破壞為輔，鋼筋切口與切刀外形溫和。刮刀切割C50鋼筋混凝土樁基如圖12所示。通過剪拉破壞的鋼筋如圖13所示。

(a) 刀盤中心刀背面振動加速度變化曲線

(b) 刀盤7#刀座側面振動加速度變化曲線

Fig. 11 Vibration acceleration curves of drag bit when cutting reinforced concrete at a high speed

圖12 刮刀切割C50鋼筋混凝土樁基

Fig. 12 Cutting C50 reinforced concrete pile foundation by scrape cutter

圖13 通過剪拉破壞的鋼筋

2)分析刀盤振動數據，在低速推進和刀盤低轉速條件下，滾刀切樁導致刀盤振動頻率及振幅小于切刀切樁時刀盤振動情況，并且滾刀切樁造成的刀盤軸向振動明顯，切刀切樁造成的刀盤環向振動作用明顯。在分別提高推進速度和刀盤轉速條件下，切刀切樁造成刀盤環向振幅和振動頻率均有較大幅度增大，甚至頻繁出現卡機現象。

3)滾刀和切刀切樁過程中均存在最佳推進速度和刀盤轉速，相互匹配才能達到最佳掘進效能。滾刀切削混凝土作用效果明顯，提高推進速度和轉速，破巖效率變高，但對鋼筋的破壞變化不大；切刀切削混凝土作用效果較差，但對鋼筋切斷效果明顯。同時，一定推進速度下，切刀切樁轉矩不足以抵抗切向阻力而發生卡機，但在該推進速度下，增大刀盤轉速，卡機現象減輕，甚至未出現。

3 盾構刀盤適用性改進

針對鋼筋混凝土樁，應根據混凝土強度等級、鋼筋數量等確定刀盤最佳推進速度和轉速，并相互匹配達到最優掘進效能。當盾構直接切削鋼筋層時，宜遵循“低推速、高轉速、少干擾”的原則，提高切刀切斷鋼筋的能力。具體實施分為3個方面： 調整刀具高度、放置格柵、螺旋輸送機增加正反轉和伸縮功能。

3.1 調整刀具高度

刀盤刀具布置位置不變，在現滾刀基礎上，進行局部滾刀加高設計，調整單刃滾刀、切刀、焊接撕裂刀高差，刀盤正面滾刀刀尖高度呈“鋸齒”狀，使掌子面同根鋼筋在滾刀的滾壓下先實現局部斷裂，防止切除下的鋼筋長度過長，減小刀盤及螺旋輸送機被卡的風險。

3.2 放置格柵

在刀盤開口處安裝20個25 mm×25 mm格柵(見圖14)，格柵高度分別選用150、200、268 mm 3種，同時在格柵外表面堆焊耐磨網格，耐磨層高度為3～5 mm。放置格柵減小刀盤開口尺寸，防止有較長鋼筋及較大混凝土塊進入土艙內堵塞螺旋輸送機前艙門，保障螺旋輸送機前艙門出渣順暢。

圖14 刀盤整體布置圖

3.3 螺旋輸送機增加正反轉及伸縮功能

為避免在切削樁基過程中出現螺旋輸送機被卡情況，通過螺旋輸送機伸縮和正反轉，使之脫困，必要時可打開設置在螺旋輸送機筒體上的觀察窗口對殼體內部進行清理。

4 盾構直接切削樁基控制措施及實施效果

4.1 掘進參數

在掘進過程中，應加強施工測量，控制盾構姿態變化。推進時不急糾、不猛糾，釆用穩坡法、緩坡法推進。同時根據實際穿越樁基情況，提高盾構姿態測量頻率，確保盾構軸線與設計軸線相符。

掘進時，若土艙壓力小于設定值±0.02 MPa，則立即降低螺旋輸送機轉速、減少出土量進行保壓；若土艙壓力大于設定值0.04 MPa，則立即減小推進速度，保證盾構在等壓情況下推進。施工過程中土體壓力控制為0.13～0.2 MPa(設定值為0.13～0.18 MPa)。

盾構掘進應遵循“低開挖速度、高轉速、低擾動”的原則，提高切割鋼筋的能力，刀盤轉速控制為1.0～1.2 r/min，推進速度控制為3～5 mm/min(實驗值)，最大值為10 mm/min。盾構采用切磨樁的模式，也就是說用較小的推力掘進。由于刀具切磨樁時鋼筋的不完全切削、纏繞以及拉斷，可能產生瞬間轉矩增大，應控制在一定范圍內，當達到設定值時可以采用反轉的辦法，以避免刀具的損傷和刀盤的變形等。同時要保證泡沫和膨潤土的注入量，以減小刀盤轉矩和刀具的磨損。施工過程轉矩波動較小，整體處于3 300～4 300 kN·m的正常區間，推進速度大于設定推進速度，現場掘進速度為17～22 mm/min。實驗室與現場掘進參數對比如表5所示。

表5 實驗室與現場掘進參數對比

掘進過程中刀盤刀具存在有一定程度的異常損壞，經分析，原因是刀盤切削的樁基鋼筋與刀盤、刀具摩擦碰撞，鋼筋切斷與渣土混合后，對刀盤和刀具產生的二次損傷，并造成刀盤轉矩的增大。

4.2 出渣量

為使切除的鋼筋較順利輸出，螺旋輸送機輸送過程中需添加適量的泡沫和膨潤土，并充分利用螺旋輸送機正轉和反轉，防止螺旋輸送機卡住，必要時可通過螺旋輸送機觀察窗進行人工處理。

主司機、值班工程師觀察每斗渣換車時推進距離，按照地質及同期施工總結，推進完成進度與渣斗裝載數量關系，推進距離小于30 cm時，則由值班工程師進行分析后確定下步推進方法(增壓或少出土)，每環推進完成后由值班工程師對總的出渣量進行統計，并仔細比對是否超出預定最大出渣量(100.4～102.4 m3)。若出現超挖現象，則在管片拼裝完成后補充盾尾注漿，現場實際出渣量為66～83 m3，均值為74.9 m3，出渣量穩定，未出現超挖現象。

4.3 盾尾同步注漿

同步注漿與盾構推進同步進行，至推進完成后結束，當環注漿量報值班工程師，若注漿量小于8.5 m3/環，則在管片拼裝完成后，下一環未推進時補充注漿，上環注漿量+補充注漿量不小于9.5 m3。

盾構切樁后，被切斷的樁基端部將作用于壁后注漿的漿液中，盾尾脫出樁基區域后，必須對該區段隧道進行二次注漿，對管片襯砌壁后土體進行加固。

4.4 監控測量

為保障盾構切削樁基掘進的順利進行，在阿亞隆高速公路、河道、鐵路等位置，設置了50余個沉降監測點位，并在河道擋墻位置加設位移監測，所有監測點位均實施24 h自動監測系統，可以在第一時間提供準確的監測數據。盾構掘進過程中通過掘進參數調整、渣土改良、二次注漿、實時監測等措施，最終將盾構掘進引起的沉降控制在5 mm以內，其中鐵路側累計沉降最大處為19 mm(含旋噴注漿加固時的沉降)。沉降監測數據均在結構安全允許范圍內，如圖15所示。

4.5 地層加固

為保障阿亞隆河道擋墻及兩側高速公路和鐵路的安全運營，在河道內對隧道掘進范圍內的樁基進行旋噴加固處理，旋噴加固范圍為隧道頂部以上2.5 m，隧道底部以下2.5 m，掘進方向加固范圍為最邊緣樁基向外延伸3 m(見圖16和圖17)。為了避免加固施工對高速公路和鐵路的正常運行，旋噴加固選擇在河道內斜向的加固方案，最終旋噴加固達到了預期效果，取芯檢查效果良好。

圖15盾構下穿阿亞隆河道區域沉降監測云圖(單位： mm)

Fig. 15 Settlement monitoring nephogram of Ayalon River area underneath passed by TBM (unit: mm)

圖16 阿亞隆河道及鐵路加固平面示意圖(單位： cm)

圖17 旋噴加固示意圖(單位： cm)

4.6 盾構直接切削樁基實施效果

盾構在下穿阿亞隆河道直接切削過程中，通過運用以上掘進控制措施，盾構掘進狀態良好，2臺盾構直接切削樁基掘進過程中TBM5出現有螺旋輸送機卡機的情況，但通過螺旋輸送機正反轉及螺旋輸送機伸縮等措施，得到了很好的解決。盾構直接切削樁基從渣土中取出的鋼筋如圖18所示。可以看出： 鋼筋的斷裂形式主要有剪切和拉伸斷裂2種破壞形式，其中滾刀在鋼筋切削過程中起主要作用。在掘進過程中通過地面監控數據及時指導洞內掘進參數的調整，同時及時對盾構通過區域進行二次補強注漿，最終使盾構掘進過程中及后續地表沉降均在可控范圍內，保障了阿亞隆河道擋墻、高速公路及鐵路的運行安全。

圖18 盾構直接切削樁基從渣土中取出的鋼筋

Fig. 18 Rebars from muck by TBM directly cutting pile foundation

5 結論與建議

1)鋼筋的破壞形式與混凝土抗壓強度、鋼筋邊界條件、掘進控制參數(推進速度與刀盤轉速)等因素有關，盾構切削樁基施工過程滾刀和切刀切樁過程中均存在最佳推進速度和刀盤轉速，并且相互匹配才能達到最佳且穩定的掘進效能。

2)盾構切削樁基施工過程中，盾構推進速度受到推進力、推進轉矩、推進姿態影響，貫入度較實驗數據大，推進順利且快速，切削過程的盾構掘進參數整體較為平穩，無異常波動，采用泡沫劑、膨潤土改良后的渣土流塑性、連續性較好。

3)滾刀切削混凝土作用效果明顯比切刀好，但對鋼筋的切削作用效果明顯不如切刀，建議以后在盾構切削樁基、地下連續墻等刀盤刀具配置方面對滾刀和切刀的數量，以及滾刀高度進行展開研究，使其滾刀和切刀能夠發揮各自的優勢。

4)本項目中24 h自動化監測系統對盾構掘進提供了及時有效的數據資料，對掘進參數調整以及二次補充注漿起到了關鍵性的作用，使河道、高速公路以及鐵路沉降得到了良好的控制。推薦24 h全自動化監測系統后續類似工程使用，對掘進控制及參數調整至關重要。