盾构区间下穿过街通道磨桩方案研究

宋磊鹏

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010)

对于侵入盾构区间的桩基础，通常采用桩基托换、拔桩、冲桩或切桩等工程措施来处理[1]。近年来，国内轨道交通建设积累了不少成功的经验。广州地铁5号线草-淘盾构区间穿越内环路2.6标A匝道A4桩基础[1-2]采用桩基托换技术，先将上部荷载传递给新建的扩大承台和桩基，然后施做横通道并进行人工截桩，避免了盾构机直接切桩，大大降低了施工风险；上海轨道交通10号线溧阳路站-曲阳路区间下穿沙泾港桥[3-4]，通过地基加固和筏板基础托换，并对盾构机进行改造，成功穿越了大直径桥梁桩基；南京地铁2号线TA07标莫愁湖-汉中门区间下穿外秦淮河两岸的抗滑桩[1]，采用先加固、后拔桩、再恢复的总体施工技术方案；苏州市轨道交通1号线盾构下穿玲珑街1号桥，共计28根桩基(直径1 m)侵入区间隧道，对下穿范围内的桩基进行破碎处理，破坏了混凝土与钢筋之间的连接，减小了盾构穿越难度；苏州市轨道交通2号线三石区间下穿广济桥[5-8]，共有14根(长34.5～38.5 m)钻孔灌注桩侵入区间隧道，通过对盾构机刀盘和螺旋输送机的改造并结合现场试验，进一步优化调整盾构掘削参数，成功穿越了广济桥。

以南京地铁5号线盾构区间下穿夫子庙过街通道为工程背景，通过线路调整、盾构机选型，并结合建构筑物基本情况、地质条件、路面交通和现状管线，深入讨论拔桩方案与磨桩方案的优缺点及可实施性。

1 工程概况

1.1 过街通道概况

夫子庙过街通道位于太平南路和建康路交叉路口，地处繁华的夫子庙商圈和国家5A级景区。通道南北向布置，两端与夫子庙地下商业街衔接，共设3个地面出入口。夫子庙地下商业街7501-3、4、5工程(含过街通道)1988年4月正式破土动工，于1989年12月正式竣工。盾构区间与过街通道平面相对关系如图1所示。

图1 盾构区间与过街通道平面相对关系

过街通道主体结构采用300级防水混凝土(相当于C28混凝土)，顶板、底板、侧墙厚度均为800 mm，通道净尺寸为2.5 m×8 m(如图2所示)。通道顶板覆土厚1.7 m，底板埋深5.8 m，相对高程为-6.100 m，绝对高程为3.500 m(吴淞高程)。

图2 过街通道结构横剖面(单位：m)

过街通道围护结构为密排450 mm×450 mm预制钢筋混凝土方桩，采用全液压静力压桩法施工，桩长12 m(无接头)，桩底绝对高程为-3.4～-3.53 m(吴淞高程)。由于该工程年代久远，未查阅到静压方桩的配筋资料，参考《预制钢筋混凝土方桩》04G361图集，配筋如图3所示，其中d=450 mm，l1=700 mm，b=500 mm，①②主筋为4根φ18，箍筋为φ6@50。

图3 静压方桩配筋(单位：mm)

1.2 盾构区间概况

南京5号线夫子庙-三山街区间沿建康路敷设，长约580.9 m，采用盾构法施工。沿线建筑物密集，区间出夫子庙站后，侧穿上海商业储蓄银行旧址(省级文物)和南京邮电局旧址(省级文物)，在太平南路路口下穿夫子庙过街通道后一路向西，先后侧穿水平方、水游城、茂业天地等大型商业综合体。

盾构区间管片外径为6.2 m，内径为5.5 m，壁厚350 mm，环宽1.2 m。线路采用30‰纵坡，在穿越过街通道处，轨面高程为-8.185 m，围护结构静压方桩侵入区间隧道最大深度为0.32 m，盾构区间与过街通道纵断面相对关系如图4所示。

图4 盾构区间与过街通道纵断面相对关系

1.3 工程地质与水文地质

拟建场地位于秦淮河漫滩地貌单元，覆盖层厚度较大(34.0～36.7m)，土层从上到下依次为：①-1杂填土、①-3淤泥、②-3b+c淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉土、②-3d粉砂、③-3b粉质黏土、③-4b+d粉质黏土夹团块状粉细砂、③-4b粉质黏土、③-4a黏土(软流塑)、③-4e含卵砾石粉质黏土(局部含卵砾石中粗砂)，岩层依次为强风化泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，中风化泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。岩土力学参数如表1所示。

场地内的地下水主要为潜水、承压水、基岩裂隙水，潜水稳定水位在地面以下1.2～2.0 m，承压水水头在地面下3.40～3.50 m。

2 区间下穿方案研究

2.1 线路调整

(1)线路平面调整

南京5号线夫子庙站主体结构西端头距离过街通道仅117 m，缓和曲线已经进入有效站台11.1 m。根据《地铁设计规范》GB50157—2013规定，对于设置站台门的A型车，有效站台范围内的线路曲线最小半径为1 500 m。

区间右线与北侧上海商业储蓄银行旧址(省级文物)的水平净距仅0.1～1.3 m，不具备向北偏移的可能，为减少静压方桩侵入区间隧道的数量，右线应尽量往南偏移，但5号线车站长度向两侧延伸受限，有效站台调整难度较大，故线路平面的调整空间有限。

(2)线路纵断面调整

为进一步减少侵入区间隧道的静压方桩数量，需要加大区间坡度，从而拉大盾构管片与桩尖的竖向距离。

①当线路坡度超过30‰后，本段区间范围内出现了最低点，需要增加一座联络通道并设置废水泵房。若采用冻结法施工，造价增加约200万；或者不增设联络通道，采用特殊钢管片内置废水泵房的方式解决区间的排水问题，造价增加约60万[11-12]。

②根据《地铁设计规范》GB50157—2013，正线在困难地段的最大坡度为35‰，现方案区间纵坡为30‰，即使调整至35‰的坡度，仍有部分静压方桩侵入区间隧道，不能完全避开。不同坡度下侵入区间的方桩数量见表2，区间磨桩范围如图5所示。

表2 不同坡度下侵入区间的方桩数量对比

图5 盾构磨桩范围示意(单位：m)

③随着线路坡度的增加，盾构施工难度也相应增加，对于盾构机的精度控制、姿态调整和线路纠偏带来更大的挑战。

2.2 盾构机选型

根据施工环境的不同，盾构分为软土盾构和复合盾构两大类[9]。其中，软土盾构主要适用于未固结成岩的软土，刀盘仅安装切削软土用的切刀和刮刀，无需设置滚刀，刀盘外径一般为6 340 mm；复合盾构适用于软土、硬岩，以及上软下硬的复合地层，其不仅安装有切刀和刮刀，还安装有破碎硬岩的滚刀或撕裂刀，刀盘外径一般为6 480 mm。

本段盾构区间穿越的地层主要为③-3b粉质黏土和③-4b+d粉质黏土夹团块状粉细砂，未经历岩层。因此，从地层的适应性和侵入隧道的方桩数量两个方面进行比选，推荐采用软土盾构，土压平衡掘进模式。

2.3 拔桩方案与磨桩方案对比

(1)路面交通

建康路现状道路宽18 m，西向东为“2个机动车道+1个公交专用道+1个非机动车道”，东向西为“1个公交专用道+1个非机动车道”。夫子庙过街通道地处夫子庙景区的北门，交通繁忙，人流量较大。考虑到侵入区间隧道的静压方桩数量较多，若实施拔桩方案，拔桩机具较大，施工工序较多，将长期占用市政道路，对建康路的交通带来极大的影响。

(2)现状管线

建康路下管线错综复杂，主要有1根DN200给水管、1根DN500给水管、1根DN600雨水管(埋深1.7 m)、一根中压燃气管、2根通信管、2根10 kV电力管等，如图6所示。

图6 过街通道范围内现状管线

综上所述，拔桩方案存在多方面的条件限制。因此，为了减小对地面交通和现状管线的影响，参考国内盾构区间切桩的成功经验，推荐采用盾构磨桩方案。

3 盾构磨桩方案研究

3.1 方案难点

已完成的盾构磨桩工程大多为盾构机依次磨削单根桩基，而盾构机全断面同时磨削密排静压方桩在国内尚属首次。

本工程的难点在于：①单线盾构掘进过程中同时磨桩数量最多时为7根；②由于建造年代久远，静压方桩的配筋资料缺失，是否设置钢靴尚未明确；③施工记录揭示有个别静压方桩的打入深度超过-3.530 m；④1号出口基坑较浅处未设置静压方桩，分界点不明，侵入区间隧道的方桩数量可能增多；⑤静压方桩以密排的方式布置，在外力作用下，桩与桩之间的相互影响较大；⑥盾构磨桩范围内线路纵坡为30‰，桩尖的磨削面积增加，盾构掘进的难度随之增加。

因此，如何有效地磨削静压方桩并减小桩与桩之间的相互影响成为本工程的重中之重。

3.2 盾构机改造

(1)刀盘刀具改造

本段盾构区间采用30‰的纵坡，磨桩深度最大为0.32 m，为了保证盾构机磨桩效果，需增加一套先行刀。先行刀采用贝壳刀，在刀盘外缘上等间距布置，先行刀的高度超出标准切刀65 mm(约3倍钢筋直径)。

由于磨桩深度小，数量多，先行贝壳刀布置应采取“大宽度，小净距”的方案[8]，保证一个轨迹线有足够多的贝壳刀进行工作，确保磨桩的连续性和有效性。为减小先行贝壳刀的磨损量，同时增加贝壳刀的刚度，刀身应焊接高强硬质合金。在刀盘外缘配置易于扩挖的单刃锐角大贝壳刀。

(2)螺旋输送机改造

盾构磨桩过程中，破碎的混凝土块和截断的钢筋极易堵塞螺旋输送机，导致土舱内的土体不能顺利排出，影响盾构掘进。

借鉴国内盾构切桩的成功经验，将有轴螺旋输送机调整为无轴螺旋输送机[5]，可以减小卡阻的风险。在螺旋输送机的外壳上增设检查门，当通过螺旋输送机正反转无法解决卡阻问题时，可打开检查口进行人工清障，保证螺旋输送机的正常运转，减少盾构机的停工时间。

3.3 盾构实施方案优化

若从夫子庙站进行盾构始发，出站后117 m即遇到过街通道静压方桩，且磨桩深度较大，故建议盾构机从三山街站始发。出站坡度为3.1‰，有利于盾构机姿态调整和掘进参数的优化。推进至过街通道时，先行磨削西侧的静压方桩，为下一步磨削更长、更多的静压方桩奠定基础。

相较于右线，区间左线减少了一排出入口方桩的磨桩数量，施工难度相对较小，故可以先行施工左线盾构区间。在左线盾构的磨桩过程中，可以进一步判别静压方桩的结构组成和埋深，减小右线施工的工程风险。

3.4 注浆加固

场地范围内交通繁忙，管线错综复杂，常规的搅拌桩加固和旋喷桩加固难以实施，建议采用袖阀管注浆的方式，对静压方桩外围的土体进行加固，减小盾构磨桩过程中静压方桩位置的变动对过街通道和既有管线的影响[16]。

注浆范围为静压方桩外侧3 m，袖阀管梅花状布置，间距和排距均为1 m。加固深度超过既有静压方桩1 m。

4 盾构施工过程控制

4.1 磨桩施工前

在盾构始发前，可利用端头井的有限空间，按照过街通道静压方桩的排布方式，设置一定数量的钢筋混凝土方桩进行磨桩试验，模拟盾构穿越的工况，便于优化刀盘、刀具的配置和掘进参数的调整。

在过街通道主体结构、周边管线及地表布设监测点，根据监测数据的变化及时调整掘进速度、推力及扭矩，以便指导盾构施工。

4.2 磨桩施工

(1)盾构磨桩施工尽量选择在夜间进行，若在白天施工，应对过街通道进行临时封闭，地面车辆限速通过。增派安全人员，对过街通道进行24 h监控，密切关注地表变化，若发生地面沉降，及时对过往的车辆和行人进行疏导。

(2)在盾构机推进系统中增加微动马达[8]，满足盾构机低速运转的需要。当盾构机进入磨桩范围时，将推进速度降低为1 mm/min，刀盘转速调整为0.8 rpm，控制好土舱压力、盾构机推力和扭矩，保证有效的切割深度，防止静压方桩向前移动或者发生逆时针的旋转。

(3)加注泡沫、膨润土、聚合物等辅助材料进行碴土改良，有效控制工作面及地表稳定，减少刀盘、刀具及螺旋机的磨损，便于混凝土块和钢筋碎条的排出。

(4)磨桩过程中，若出现盾构机扭矩增大的情况，应及时检查刀盘和螺旋输送机是否有卡阻的现象，通过螺旋输送机正反转进行调整，并通过检查口进行人工清除障碍，保证盾构机的顺利推进。

(5)确保盾尾密封系统的的可靠性，当盾尾脱开后同步注浆系统及时介入，控制好注浆压力和注浆量，减少地层损失。

4.3 磨桩施工后

盾构施工完成后，应继续对过街通道和地表隆沉进行监测，必要时可通过管片预留注浆孔进行二次注浆。待监测数据趋于稳定后，方可恢复正常的交通。

5 结论

(1)在周边环境复杂、施工空间局促的场地进行盾构施工时，磨桩方案相较于拔桩方案更有优势。当侵入区间隧道的桩基为结构的受力构件时，应复核桩基磨削后的剩余承载力，必要时采取桩基托换或加大管片配筋等技术措施。

(2)盾构机全断面磨削密排静压方桩，对刀盘、刀具的配置要求较高，应在刀盘有效切割范围内布置大宽度、小净距、小排距的先行贝壳刀，保证磨桩施工的连续性和高效性。

(3)合理选择盾构掘进方向和左右线实施顺序，可以有效地降低施工风险，减小施工难度，有利于盾构姿态的调整和精度的控制。

(4)建议在盾构始发井位置布设同类型的钢筋混凝土方桩，通过现场试验，对刀盘配置和磨桩参数进行优化调整，为盾构穿越过街通道提供技术支撑。