盾构切削混凝土模拟试验和切削桩基施工技术

傅德明

(上海申通轨道交通研究咨询有限公司，上海 201103)

盾构切削混凝土模拟试验和切削桩基施工技术

傅德明

(上海申通轨道交通研究咨询有限公司，上海 201103)

城市轨道交通盾构施工中经常遇到穿越地下障碍物(如混凝土桩、挡土结构、管渠、地下构造物等)的难题，一般采取桩基托换、拆除桩基或人工凿桩的方法进行处理，但传统处理方法具有造价高、工期长、对周边交通影响大等缺点。通过采用小直径(φ400 mm)盾构切削素混凝土、玻璃纤维混凝土及钢筋混凝土的模拟试验，对盾构直接切削桩基施工技术的可行性进行研究，分析了盾构刀盘的改造，获取了掘进施工参数控制资料。并通过上海轨道交通7号线和10号线工程采用盾构切削钢筋混凝土桩基的实践，证明：1)盾构直接切削钢筋混凝土施工是可行的；2)盾构始发前应对刀盘进行改造，宜在面板上增加一定数量先行刀和贝壳刀；3)盾构切削桩基过程中推进速度宜慢(小于10 mm/min)，盾构设定土压、推力、刀盘扭矩宜稳定；4)在盾构切削桩基过程中，应向土仓内添加润滑减摩材料，以防混凝土碎块堵塞螺旋输送机。在盾构通过后，应根据监测情况进行管片背后的二次注浆，以控制地面和建筑物沉降；5)采用盾构直接切削桩基具有施工经济、安全，对环境影响小的优点。

盾构；切削桩基；钢筋混凝土；地下障碍物

0 引言

近年来，我国城市地铁工程建设进入超常规发展阶段。根据国家发改委运输所《2012—2013年中国城市轨道交通发展报告》，至2013年底，我国轨道交通运营线路累计到80条，运营总里程2 400 km，获得国家批准建设轨道交通的城市已达37个，未来3年至少还有10个以上城市获得批准。目前，地铁隧道较多采用盾构掘进施工。城市地铁线路大多选择在道路下，难免会在房屋、桥梁、运营地铁等建(构)筑物下穿越，盾构隧道施工会遇到在役或废弃的管线、基础桩等地下障碍物。目前对地下障碍物的处置方法主要是在盾构通过前预先拆除，但由此带来的额外处理费用比较高。例如，2007年上海轨道交通7号线一区间隧道下穿内环线高架道路遇到1根φ800 mm钻孔灌注桩，采用拔桩处理，为不影响高架道路通行，修建了临时高架道路，增加工程投资逾1 000万元。因此，对于一些无法避开或直接清除费用较高的地下障碍物，如能通过改进盾构，直接切削破碎障碍物，对于加快建设速度和节省工程投资，缩短施工工期，具有重要意义[1]。

许多学者对于盾构穿越地下障碍物的技术措施做了较为深入的研究，例如，杨自华等[2]、马忠政等[3]研究了盾构穿越桩基时采用的桩基托换技术；张健[4]介绍了地铁盾构隧道穿越桩基的凿除技术；刘勇等[5]对苏州轨道交通一号线盾构区间隧道穿过画桥桥桩的方案进行了比选论证，穿越段最终采用不绕避桩基的盾构法实施方案(需先拆除画桥，拔除全部24根桩基，后期再恢复画桥)；张武训等[6]对盾构隧道穿越台铁、高铁下方挡土壁时，以人工敲除方式排除障碍进行了探讨；王占生等[7]介绍了盾构连续切削穿越14根、最大直径为1 200 mm的桥桩桩基施工安全技术，并取得良好的应用效果。可见，国内目前盾构穿越障碍物主要采用托换、凿除、拔除等技术，盾构直接切桩穿越的案例较少。

而上海轨道交通7号线和10号线2个项目的区间隧道工程土压盾构掘进施工时，采取技术措施，在不拆除既有桥梁结构、保障交通功能的前提下，直接切削穿越地下群桩区取得成功[1，8]。在工程施工前，采用φ400 mm的小盾构进行全断面切削钢筋混凝土的模拟试验，并取得了丰富的数据资料，为盾构切削混凝土桩基施工提供了技术支持。本文主要介绍该模拟试验情况、所得参数，及上海轨道交通7号线和10号线盾构切削穿越地下群桩的情况，包括盾构的改造、掘进参数控制和切削施工效果。

1 盾构切削混凝土模拟试验

采用小直径(φ400 mm)模型盾构，进行了3次切削试验，分别切削300 mm厚的C30素混凝土、C20含1排钢筋和1排玻璃纤维筋的混凝土、C30含有1排钢筋和1排玻璃纤维筋的混凝土。

1.1 φ400 mm盾构模拟试验平台

试验采用φ400 mm盾构模拟试验平台，包括：1.2 m×1.2 m×2.4 m模拟土箱、φ400 mm模拟盾构(外径412 mm，开口率30%，最大推力50 kN，最大扭矩3 000 N·m)、后靠及拉杆系统。盾构模拟试验平台如图1所示。

图1 φ400 mm盾构模拟试验平台

参考国内外相关资料，盾构切削穿越障碍物时，主要配置中心刀、超前保护刀和切削刀。试验模型的盾构刀盘开口率为30%，主要配置3种刀具：1把中心刀、9把超前保护刀和7把切削刀，刀具材料采用硬质合金刀头，进刀角和退刀角均设计的较大(15°)[9]。

1.2 盾构切削C30素混凝土试验

φ400 mm模拟盾构切削厚度300 mm的C30混凝土，图2为盾构切削C30素混凝土过程中，61～81 mm的推进参数变化。盾构推力由20 kN调整至25 kN时，刀盘转速为4～6 r/min；推力固定为20 kN时，刀盘扭矩和推进速度逐渐趋于稳定；推力由20 kN调高至30 kN时，推进20 mm用时42 min，推进速度约为0.5 mm/min。

图2 盾构切削C30素混凝土61～81 mm 的主要参数变化Fig.2 Fluctuation of parameters of model shield in 61～81 mm boring length when cutting C30 blind concrete

1.3 盾构切削C20玻璃纤维和钢筋混凝土

本组试验为盾构切削C20玻璃纤维和钢筋混凝土，在不同的推进段内改变推力和刀盘转速，并在同一个推进段内对比加削解剂和不加削解剂2种工况下各参数的变化情况。本组试验总推进295 mm，参数变化如图3和图4所示。

图3 切削C20混凝土0～61 mm的推进参数(含玻璃纤维)Fig.3 Fluctuation of parameters of model shield in 0～61 mm boring length when cutting C20 glass fiber concrete

图4 切削C20混凝土221～295 mm的推进参数(含钢筋)Fig.4 Fluctuation of parameters of model shield in 221～295 mm boring length when cutting C20 reinforced concrete

由图3可知，在1～2 min时，刀盘转速设定为0.75 r/min，推力设定为20 kN，刀盘油压3～4 MPa，推进速度1 mm/min；约在12 min时，刀具开始切削玻璃纤维，刀盘油压平均上升约1 MPa；在39～60 min时，刀盘转速设定为0.75 r/min，推力设定为25 kN，推进速度和刀盘油压均出现上升；在61～78 min时，刀盘转速设定为1.3 r/min，推力设定为20 kN，刀盘油压稳定在3.5 MPa左右，推进速度比较缓慢，约为0.4 mm/min。图5为切削下的玻璃纤维碎屑，玻璃纤维具有一定的弹性，先行刀在玻璃纤维外表留下了很多刮痕。

图5 切削下的玻璃纤维

图4为221～295 mm的推进参数。在0～70 min时，刀盘转速设定为2 r/min，推力维持在20 kN，刀盘油压设定为4 MPa，推进速度在1 mm/min左右；推进至70 min，即275 mm时，刀具开始切削钢筋，将刀盘转速由2 r/min提高至3 r/min，盾构则能够顺利地切削通过钢筋区域。钢筋的切削断面及切削轮廓见图6。

图6 钢筋的切削断面和切削轮廓图

2 上海轨道交通7号线盾构切削厂房桩基施工

2.1 工程概况

上海轨道交通7号线陆翔路站—潘广路站区间隧道工程，采用φ6 340 mm土压平衡盾构施工，盾构必须切削穿越上海康盛商用制造有限公司工业厂房的10根钢筋混凝土预制桩基。其中，厂房南侧有6根桩基、北侧有4根桩基，10根桩基的位置如图7所示。盾构隧道埋深约15 m，桩基截面为350 mm×250 mm，长度约18 m，主筋φ18 mm，混凝土强度等级为C30。

2.2 盾构改造和掘进施工参数控制

上海地铁土压平衡盾构的刀盘配置以切削软土的一般切削刀为主，为切削钢筋混凝土桩基，对盾构刀盘加装了65把先行刀，先行刀的高度大于标准切割刀15 mm，以提高盾构破碎混凝土及钢筋的能力。

盾构第1次切削桩基从2008年12月9日开始，至14日结束。盾构设定土压力0.18 MPa，推力 7 000～9 000 kN，刀盘扭矩为2 000～2 500 kN·m，刀盘转速0.25 r/min，推进速度5 mm/min。在盾构的刀盘正面压注膨润土或泡沫剂以改善开挖面土体的和易性，从而降低刀盘扭矩，同时改良土仓内的土体，有助于桩体碎块从螺旋机内顺利排出。控制盾尾同步注浆量和浆液质量，每环的注浆量为盾尾建筑空隙的200%～250%，以降低地面沉降、增强隧道的稳定性。并根据地面沉降监测数据进行隧道管片壁后二次注浆。

2.3 盾构切削桩基施工效果

第1次切削过程中，每排3根桩所处位置与盾构刀盘面平行，切削过程中盾构姿态变化≤2 cm；第2次切削过程中，每排2根桩所处位置与盾构刀盘面斜交，切削过程中盾构姿态变化稍大，达到了4～5 cm。施工过程中地面沉降最大累计为22.51 mm，变化率最大为1.17 mm/d。

(a) 上行线厂房南端桩基与隧道断面图

(b) 上行线厂房北端桩基与隧道断面图

在隧道轴线通过的办公区域建筑物立柱上，布置了4个沉降监测点，分别为LZ1，LZ2，LZ3和LZ4，其沉降情况如图8所示。离隧道轴线最近的测点(LZ1)最大沉降达到了10 mm，而其他测点的沉降大都小于4 mm。

螺旋机出土中有切削出的碎石和钢筋，见图9。碎石直径最大为250 mm，大致呈椭圆形。切削出的钢筋长度为300～1 000 mm，呈麻花状，表面有被磨损的痕迹，说明先行刀能够很好地切削混凝土，且φ18 mm钢筋能被刀具切断。从出土里发现了崩脱的数把先行刀，且刀尖均被磨损的较圆滑，见图10。

图8 立柱沉降—时间曲线图(2008年)Fig.8 Time-dependent curves of settlement of vertical columns in 2008

图9 切削出的碎石和钢筋

图10 切削过程中崩缺的刀具Fig.10 Cutting tools broken when concrete is cut directly by shield

3 上海轨道交通10号线盾构切削桩基施工

3.1 工程概况

上海轨道交通10号线溧阳路—曲阳路区间隧道施工过程中，盾构必须切削穿越四平路上的沙泾港桥33根桩基，如图11和图12所示。盾构切削桩基处的隧道顶标高为-6～-7 m，盾构轴线与桩基平面呈75°夹角。桩基截面为400 mm×400 mm，长度为26～27 m，主筋为φ18 mm，混凝土强度等级为C25。

盾构切削桩基部分土体为灰黄-灰色黏质粉土夹粉质黏土，孔隙比为0.61，密度为2.06 kg/m3，含水率为20.7%，内摩擦角为17°，黏聚力为0.333 MPa，压缩模量为6.75 MPa。

3.2 盾构改造

为顺利完成盾构切削桩基，对盾构的刀盘进行了以下改造：

1)刀盘面板加装1套先行刀与6把贝壳刀，以提高盾构破碎混凝土及钢筋的能力。

2)盾构推进系统增加微动功能，满足盾构以5 mm/min的超低速掘进施工要求。

3)在盾构土仓合理位置设置观察孔，使施工人员在人行闸门开启之前能够充分掌握土舱中的情况，确保施工安全。

4)对土仓内螺旋输送机头部进行特殊处理，以应对可能会碰到的断桩及钢筋等。

图11 隧道穿越桩基平面位置图(单位：mm)Fig.11 Plan of positions of pile foundations to be cut directly by shield (mm)

图12 隧道穿越桥梁桩基立面图(单位：mm)Fig.12 Profile showing relationship between pile foundations and shield-bored tunnel (mm)

3.3 盾构施工控制措施

1)控制盾构正面土压力，将压力波动控制在-10～10 kPa。

2)控制推进速度。在穿越桥桩过程中，推进速度控制在5 mm/min左右，推进过程中速度保持稳定，确保盾构匀速地穿越桥桩。

3)控制出土量。盾构开挖断面面积为31.57 m2，每环理论出土量为31.57 m2×1.2 m=37.88 m3。在盾构穿越过程中，考虑到开挖土方量与盾构出土量的关系及出土总量，并以此为依据确定注浆量。

4)控制同步注浆量和浆液质量。采用惰性浆液，严格控制浆液的配合比，稠度控制在8.5～9.5 cm。当漏浆情况不严重时，可通过加大盾尾油脂注入量封闭漏浆通道以阻止漏浆；当漏浆情况较为严重，常规方法无法处理时，可采取拼装管片，并在漏浆位置管片下方垫海棉条的方法进行有效封堵。

3.4 盾构切削桩基施工效果

下行线盾构切削桩基从2009年6月22日开始，至2009年6月29日结束。施工过程中刀盘转速稳定在0.64 r/min，桥面沉降在12 mm以内。

盾构总推力在切削第1排桩时的总推力稍大，为17 000 kN左右，随后推力逐渐减小，最小为12 000 kN。刀盘扭矩跳动较大，为1 400～3 000 kN·m。

切削过程中总体出土情况顺利，但由于受到切削下来钢筋的影响，需要通过螺旋机正转和反转，才能使得出土顺利。切削出的钢筋长度为20～30 cm，如图13所示。

图13 盾构切削出的钢筋

4 结论

采用φ400 mm的小盾构进行了全断面切削钢筋混凝土的模拟试验并取得参考数据，为工程实施提供了技术支持。上海轨道交通7号线盾构切削厂房桩基和10号线盾构切削沙泾港桥桩基施工，通过盾构的改造及施工过程中的有效控制等措施，得以顺利完成，并从中得到以下结论。

1) 盾构始发前应对刀盘进行改造，在面板上增加一定数量先行刀和贝壳刀，对于类似工况下盾构切削混凝土桩基具有明显的效果。

2) 如能对切削桩基四周的土层适当加固，可有效降低盾构切桩引起的位移沉降。

3) 盾构切削桩基过程中推进速度宜缓慢(小于10 mm/min)，盾构设定土压、推力及刀盘扭矩宜稳定。

4) 在盾构切削桩基过程中，应向土仓内添加润滑减摩材料，以防混凝土碎块堵塞螺旋输送机。在盾构通过后，应根据监测情况进行管片背后的二次注浆，以控制地面和建筑物的沉降。

5) 采用盾构直接切削桩基与桩基拔除相比，具有施工经济、安全，对环境影响小的优点，可在类似工程中推广应用。

[1]傅德明，李毕华，马忠政.软土盾构直接切削钢筋混凝土桩基施工技术[J].中国市政工程，2010(4):46-47,82-83.

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[6]张武训，詹荣锋，程道信.潜盾隧道穿越台、高铁下方挡土壁之案例探讨[J].隧道建设，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))

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[8]陈万忠.浅析盾构穿越地下障碍物关键技术[D/OL].期刊网，(2012-12-20)[2013-07-15].http://www.chinaqking.com/yc/2012/286902.html.

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泛亚高铁6月动工云南至缅甸30 km隧道

纵贯东南亚的泛亚高铁将从昆明出发，经由越南、柬埔寨、泰国、马来西亚，抵达新加坡。

泛亚高铁将于2014年6月开工，从云南西部钻山建一条长约30 km的隧道通往缅甸，再从缅甸向东，伸出一条支线去往泰国，另一条主线则经由老挝、越南、马来西亚通往新加坡。这条高铁线将成为我国通往东南亚诸国的一条便捷通道。

中国工程院院士、著名铁路专家王梦恕透露，这些跨国高铁的建设有一个共同原则，即，由中方出资金、出技术、出设备去建设，建成后也会由途经国家来参与运营。在此过程中，中方将与相关国家洽谈，用修建高铁来置换当地资源，如中亚和欧洲的油、气资源，缅甸的钾矿，由此建立一个长效合作机制。泛亚高铁部分线路为从云南腾冲出发往缅甸方向延伸，尚未修建至缅甸境内。线路总长度为几十 km不足百 km。泛亚铁路整路段的建设可服务于丝绸之路经济带建设。随着境内路段修建完善，境外路段建设也将提速。

铁路“走出去”：中国具有独特优势

拥有自主知识产权，中国高铁技术水平比较好，实用性比较强，相应的制造价格比较低，这些都是中国高铁“走出去”的竞争优势。

目前，中国拥有世界上最复杂、最发达的铁路运输系统，以及世界一流水平的机车、轨道和通信讯号的科研制造能力，在世界铁路建设市场中具有强大的竞争实力。

作为在海外首次采用“中国标准”修建的电气化跨国铁路——埃塞吉布提铁路，全部使用中国标准，从设计、施工、监理，到轨料、施工装备、通信讯号和电气化设备、机车车辆，全部使用中国产品，是一条有“纯正中国血统”的铁路。

中国铁路“走出去”不仅仅是价格低，而是逐步作为一个成熟的体系来整体输出，中国铁路的标准和规范正在走出国门，走向世界。

(摘自 隧道网 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年毕业于上海城市建设学院，地下工程专业，大专，高级工程师，主要从事隧道与地下工程施工技术研究工作。20余项科技成果获市部级科技进步奖，现任上海市土木工程学会秘书长。

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

U 455.43

B

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