已建市政地下通道結構下盾構連續穿越樁基施工技術

王傳富

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌道交通14號線12標土建工程陸家嘴站—浦東南路站—浦東大道站—源深路站—昌邑路站區間工程，為上海市的重大工程項目，本標段四盾構區間雙線全長共5 825 m，主要位于浦東新區浦東大道沿線，與建設中的東西通道工程范圍重合。

東西通道采用明挖法先行施工，基坑圍護施工采用SWM工法，開挖深度15 m左右，待東西通道結構施工完成后，再進行地鐵盾構施工。

根據設計要求，東西通道底板需要增加抗拔工程樁，工程樁為φ800 mm鉆孔灌注樁，保護層厚度70 mm，C30水下混凝土，φ28 mm主筋，φ8 mm螺旋箍，φ16 mm焊接加強箍。因本標段東西通道與地鐵盾構合建的特殊工況，有部分樁基侵入盾構斷面，且后續盾構無法規避施工，為保證盾構施工安全，盾構需穿越斷面樁中鋼筋均采用玻璃纖維鋼筋，混凝土采用C15，并采用高新技術生產的、容易被切割的等強度玻璃纖維（GFRP）替代鋼筋，玻璃纖維極限拉力為480 MPa。

本工程共計需要切削22根玻璃纖維灌注樁，其中浦東南路站—浦東大道站區間上行線5根（圖1），浦東大道站—源深路站區間上行線15根，下行線2根。

圖1 浦東南路站—浦東大道站工程樁與區間隧道關系

按樁與盾構斷面的關系，切削形式共可劃分為2種：刀盤切口中心對稱切削、刀盤切口側面切削。

按連續穿樁數量分為3種：單根玻璃纖維灌注樁切削、連續2根玻璃纖維灌注樁切削及連續3根玻璃纖維灌注樁同時切削。

2 難點分析

1）鉆孔灌注樁螺旋箍筋、加強環箍、注漿導管繞住刀盤或卡住螺旋機，穿樁過程中樁體損壞注漿管。

2）切削過程中產生大體積混凝土碎塊，可能跟隨盾構機前行，或進入刀盤土倉內及螺旋機內，造成土壓力波動范圍過大。

3）盾構切削樁基時處于圓曲線、緩和曲線以及直線段時，因受力不均，可能造成隧道軸線偏離設計軸線。

4）盾構部分穿樁位置位于⑥層土內，易產生以下不利影響：⑥層土中推進刀盤扭矩居高不下，無法通過扭矩變化判斷是否碰觸樁體；⑥層土強度高，不易攪拌均勻，引起螺旋機不恒速等，造成螺旋機出土量不一且不連續；外部土體壓力大，致使⑥層土容易形成泥餅黏附在刀盤加泥加水孔上，導致無法通過向土倉內加注外加劑改良土體，降低扭矩。

5）盾構穿越東西通道及切削樁基施工過程中，可能出現長時間切削樁基、大體積混凝土碎塊，鋼筋纏繞刀盤、卡死螺旋機，刀具損壞，線形控制不利進而糾偏以及設備故障等情況，均可能造成東西通道結構及周邊環境沉降。

6）部分樁基侵入⑦層風險土層，該土層為上海地區第一承壓含水層，其滲透性好、水量豐富，極易貼合樁基形成承壓水通道，盾構機在承壓水的作用下存在以下風險：螺旋機噴涌，嚴重時引起地面塌陷，施工過程中可能出現涌水涌砂現象；盾構機盾尾密封失效出現滲漏水；盾構機鉸接密封失效出現滲漏水[1-6]。

3 設備準備

3.1 設備選型

東西通道工程樁基侵入盾構斷面，切削樁基時存在刀盤或盾構機被樁基卡死風險，因此對盾構刀盤、刀盤扭矩及推力都有較高的要求，以降低盾構機卡殼的風險。

3.2 設備優化

3.2.1 同步注漿系統優化

東西通道結構下方另有預留的工程樁，盾構穿越過程需切削樁基，且部分樁基位于盾構同步注漿系統位置，極易在切削樁基過程中導致設備損壞。由于東西通道保護要求高，若采用內置式同步注漿系統，同步注漿量大，不利于地層損失率的控制。在該工況下實施盾構推進，既要將東西通道結構沉降變形、周邊環境地層損失率控制在規范要求內，又要確保盾構機同步注漿系統不在切削樁基時被損壞。故在設備選型階段，對盾構機外置式同步注漿系統進行加強改造（圖2）：

圖2 外置式注漿系統加固改造示意

1）外置注漿管結構內部加強。

2）注漿管前方斜導向段加長、加強，并耐磨堆焊，防止外置漿管受擠壓。

3）在外置注漿管前部增設鏟刀，提前破樁。

4）刀盤外周采用耐磨塊或耐磨堆焊。

3.2.2 盾構機鉸接裝置補強

本工程盾構機配備有鉸接裝置，當盾構機在復雜地層中切削樁基時，在承壓水的作用下鉸接密封存在被擊穿的風險，需做如下補強：

1）復雜地層中盾構推進期間，鉸接裝置全部回縮到位，定時檢查鉸接環間隙，檢查鉸接環位置是否存在滲漏等異常現象。

2）定時檢查鉸接系統液壓鎖緊裝置，確認鎖緊裝置功能正常，在鉸接油缸進回油回路上增加高壓手動截止閥，并將手動截止閥關閉。

3）定時檢查鉸接裝置集中潤滑注入系統，對鉸接系統進行壓注油脂密封，以確保整個密封腔充滿油脂。

4）盾構機安裝階段檢查盾構機A、B環徑向注漿孔，確保緊急情況下的正常應急使用。

5）在鉸接油缸耳座位置增加機械鎖緊裝置，機械鎖緊裝置焊接位置按圓周方向4～6等分布置，拉伸裝置可調緊，確保鉸接環剛性連接。

6）鉸接裝置開啟控制電磁閥在鉸接裝置不工作的情況下，全部拔除，防止誤操作。

7）在推進過程中加強鉸接裝置維護保養工作，每臺盾構機增加1臺單獨的備用氣動油脂泵為鉸接密封供油。

3.2.3 盾尾刷密封油脂充填優化

盾尾刷初次油脂的涂抹需盡量均勻足量，在操作時將盾尾油脂壓注到尾刷各層間的最底部，保證尾刷縫隙和每層之間填有密實的油脂，因此需要人工進行手工填充。

根據以往經驗，傳統手工填充方式既困難又耗人工，因此本工程在軌道交通行業首次采用泵送方式進行尾刷油脂充填，利用油脂泵連接扁鴨嘴型的接口，將鴨嘴腔體伸入尾刷根部進行泵送充填，確保其底部充填飽滿。

充填步驟：一人使用工具掰開盾尾刷，一人握緊鴨嘴槍插到盾尾刷底部，然后打開油脂泵，打開鴨嘴槍高壓球閥，等待油脂填充到盾尾刷內。待油脂從鴨嘴扁嘴處擠壓出來后，根據油脂往外的壓力，手持鴨嘴槍人員隨著油脂填充緩慢往外拔槍。填充過程中，需要雙手壓住盾尾刷，盡量使盾尾刷包裹住鴨嘴槍，使盾尾油脂可以充分填充到盾尾刷中。油脂填充滿盾尾刷后即關閉油脂泵，然后關閉鴨嘴槍的高壓球閥。

4 盾構穿越樁基施工工況及穿越技術要點

4.1 工況分析

根據盾構穿越樁基的不同階段，將盾構切削樁基的整個過程細化為6個具體的工況：盾構機刀盤觸碰樁基前、刀盤觸碰樁體、刀盤切削樁基、盾構機刀盤穿越樁基后徑向注漿孔注漿、盾構機盾尾離開樁體1環后同步注漿控制及穿越后二次注漿保護。針對不同工況，分別對土壓力、刀盤、推進速度、注漿進行控制，確保盾構切削樁基的安全可靠。

4.2 土壓力控制

土壓平衡式盾構機施工操作時，對于土壓平衡的方式一般分為2類：自動土壓平衡和手動土壓平衡。常規操作時，通常選擇自動土壓模式，即對土壓力目標值進行設定后，盾構司機在進行盾構推進系統操作時只需控制推進速度，螺旋機會根據土壓力設定值及盾構司機所控制的推進速度自動調整螺旋機轉速，使螺旋機轉速與推進速度相匹配，達到土壓平衡的目的。

在自動土壓平衡的模式下，由于盾構機自身設定土壓力目標值可在設定土壓力值的上下限內浮動，上下限值一般為±0.02 MPa，所以在該模式下土壓力始終處于波動的狀態，最大幅度可能達到0.05 MPa。盾構機螺旋機為達到土壓平衡，一直持續調整其轉速，轉速時高時低，尤其是在復雜地層中切削樁基的情況下，會造成螺旋機的出土量不連續、不均勻，從而引起皮帶機的打滑。

故盾構機在復雜地層內切削樁基時，應采用手動土壓平衡模式，并適當降低土壓力0.05～0.10 MPa。在手動土壓平衡模式下，盾構司機可以通過調節螺旋機轉速、推進速度達到“六個恒定”，即：推進速度、刀盤進土量、螺旋機轉速、刀盤正面土壓、螺旋機出土量、皮帶機上土量均處于相對恒定的狀態。

4.3 刀盤控制

4.3.1 通過刀盤扭矩判斷是否碰樁

刀盤在切削樁基時本身的扭矩就會增大，通常以刀盤扭矩是否短時間內變化來判斷盾構機是否在切削樁基，但在復雜地層中切削樁基時，盾構機本身處于⑥層土中推進，⑥層土體本身密實、強度高，盾構機刀盤刀具插入土層進行切削時，本身刀盤就會產生刀盤扭矩過高的情況。為此，需要通過刀盤加泥加水系統及渣土改良系統對土體進行改良，確保刀盤扭矩在40%限值內，在推進過程中當刀盤觸碰樁基時，刀盤扭矩瞬間增大，以此判斷盾構機是否觸碰道樁基。

4.3.2 刀盤旋轉方向控制

通過對于刀盤側部的樁基進行受力分析可知，不同的刀盤轉向會對側樁產生不同的切削分力，對于左側樁基，刀盤左回轉向下拉拽、右回轉向上定推，故刀盤旋轉方向選擇如下（圖3）：1）切削左側樁基時，刀盤盡量右回轉（順時針）。2）切削右側樁基時，刀盤盡量左回轉（逆時針）。

圖3 刀盤逆時針旋轉

4.3.3 刀盤扭矩控制

盾構在復雜地層中切削時樁基刀盤扭矩本身就比較高，為防止刀盤扭矩過大，造成盾構機刀盤卡死，嚴重時可能造成盾構機中心回轉系統故障，給盾構機造成不可逆轉的損壞，因此在推進過程中，刀盤扭矩≤40%限值，超過設定值停止推進，轉動刀盤，刀盤繼續切削，待扭矩降低后再復推。

4.4 推進速度控制

為保證盾構平穩順利切削東西通道樁基，同時將對東西通道結構的影響降到最低，應嚴控每一道推進速度，將盾構穿越參數數據化。

1）當盾構機刀盤前行至距離鉆孔灌注樁約50 cm時，降低推進速度至10 mm/min，勻速推進。

2）當刀盤觸碰到樁基后，控制推進速度至2 mm/min，勻速推進。

3）刀盤切削完成后推進速度可適當增加（≤10 mm/min），根據刀盤扭矩及推力適當調整。

4）盾尾脫出樁基后，恢復推進速度至設定值。

4.5 注漿控制

4.5.1 徑向注漿孔注漿控制

當盾構機徑向注入口推進至鉆孔樁位置時，停止推進，利用徑向注漿系統注入膨潤土漿液，減小穿越過程中側向的摩阻力。

4.5.2 同步注漿控制

盾構機盾尾離開樁體1環，此后1～2環同步注漿方量由原150%～180%提升至200%，填充穿越后樁體與管片上下間的間隙。推進注漿時為保證樁基與管片間均勻壓注，注漿施工推進一段，注漿一段，以保障及時填補空隙。

4.5.3 二次注漿控制

1）環箍注漿。盾構機穿越鉆孔樁10環后，首選對鉆孔灌注樁前后2環進行打設環箍，采用單液水泥漿，以注漿壓力控制為主，注漿量控制為輔，注漿壓力控制在0.3 MPa，注漿量每環不少于2.5 m3，并遵循“多點、多次”原則。每環環箍注漿點位均勻布置在拱底塊、標準塊和連接塊，充分利用管片預留注漿孔，并預留觀測孔，所有注漿孔和觀測孔應帶球閥，確保在復雜地層中注漿安全。

2）二次注漿。二次注漿是以彌補同步注漿及環箍注漿的缺點為目的進行的注漿，根據監測數據反饋對沉降較大或根據地質雷達探測顯示壁后空腔對應位置，進行單點填充注漿，并遵循“多次，均勻，少量”的原則，主要內容為：完全填充同步注漿未填充的部分；對注漿材料的浮漿及氣泡消失等造成的體積減少的補充；防止盾構通過后土體的固結沉降。注漿材料采取單液漿與雙液漿相結合使用，根據施工實際采用適合的漿液。其中單液漿材料為水泥漿。雙液漿甲液主要為水泥、膨潤土、粉煤灰、水混合液，乙液為水玻璃。另外再加入適量的促進劑，甲、乙兩液配比由現場試驗確定，初凝時間為30～60 s。注漿過程中根據實際情況對配比作適當調整。

5 施工效果分析

本工程對于已建地下通道工程樁基進入盾構斷面的特殊工況，結合樁基對盾構機的影響、樁基及復雜地層對盾構施工的影響，通過前期調查、盾構機選型、同步注漿系統改造、鉸接裝置優化、盾尾刷油脂充填優化、盾構穿越樁基的施工流程細化，做到盾構切削樁基過程中各項數據、參數的優化控制，順利完成施工作業任務，最終將東西通道累計沉降控制在5 mm內。本工程的順利實施，為后續類似工程提供了相關的施工經驗，并給出了采取對應處理方式的理論依據。