深圳地铁盾构穿越建筑群及切削桩基施工

孙 波，肖龙鸽，孙正阳，殷明伦，罗泽华

(1.深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 518026;2.中建南方投资有限公司，广东 深圳 518026;3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;4.中建交通建设集团有限公司，北京 100044)

0 引言

随着我国国民经济的快速发展和城市化进程的不断加快，越来越多的城市开始兴建地铁隧道。盾构法因其优点很多，逐渐成为了城市地下隧道修建的首选工法。然而，在修建的过程中经常会发生下穿既有建(构)筑物情况。为保证既有建(构)筑物的安全，盾构施工质量的控制就显得相当重要。另外，在修建过程中还会遇到盾构隧道前方遇到建(构)筑物基础的情况。

综合以往的经验，遇到桩基础侵入隧道的情况一般从两方面解决:一方面是考虑调整线路避开桩基础;另一方面是破除桩基础，减少桩基对盾构隧道施工的影响。现有的破除桩基的方法主要有桩基托换破除原桩、拔桩及冲桩等［1－5］。

桩基托换适用于单一桩且上部结构无法拆除的情况，原理为:在不影响隧道施工的位置新建桩基础并通过钢筋混凝土结构使新建桩基础与上部结构连接，将上部结构的荷载转移至新建的桩基础，然后拆除侵入隧道旧桩基础。该方法多用于盾构下穿桩基础桥梁等情况，该方法对场地的要求较高。

拔桩(或冲桩)适用于上部结构可以拆除且桩基较易拔出(或冲击至隧道计划断面以下)的情况。其原理为将桩基础与周围土体隔离开来，然后通过工程机械将桩基础清除，然后回填与周围性质大体相同的土体。

桩基托换、拔桩及冲桩等方法可很大程度上降低桩基础对于盾构隧道施工及运营时的影响。

随着技术的发展，一种新型的施工方法正逐渐地发展成形，即不进行桩基托换，盾构直接切削桩体进行施工。对于盾构直接切削桩基，国内已有很多实验。王飞等［6］的实验证明:通过对刀盘的改造，盾构完全可以切削直径1 200 mm的钢筋混凝土桩;切桩时的实际推进速度、推力的波动幅度较大，易造成刀具合金的崩裂;切削侧部桩相比切削中部桩对刀具的损伤更大;在实际的工程中进行应用也同样证明直接切削大直径桩基是可行的。傅德明［7］关于上海盾构的研究同样证明通过对刀具进行改造，并严格控制施工参数，盾构可以安全下穿桩基建筑。傅德明［8］关于盾构切削混凝土模拟试验同样证明，在对刀盘进行改造的情况下盾构直接切削混凝土桩是可行的。该方法不需要增加其他的施工工序，节约成本，方法简单，相比于破除桩基的方法缩短了工期。但对于盾构刀盘的要求较高，需要根据不同的情况对刀盘进行改装，还需对螺旋出土器等其他设备进行一定程度的改装。

既有研究基本是盾构穿越单一桩基，或者盾构下穿某栋建筑的几根桩基，而长距离、大面积的穿越桩基建筑群、且多根桩基贯入隧道结构以内的情况在国内外并不多见。本文以深圳地铁9号线盾构工程为例，着重研究盾构长距离、大范围下穿桩基建筑群过程中的关键施工技术。

1 工程与地层概况

以深圳9号线大剧院—鹿丹村区间盾构工程为背景，详细介绍盾构长距离、大范围直接切削桩基础方案的具体施工步骤。

1.1 工程概况

深圳地铁9号线工程大剧院—鹿丹村区间采用盾构法施工，管片外径为6 000 mm，内径为5 400 mm，线路轨面埋深12～24 m。盾构自鹿丹村区间始发后先后下穿多栋建筑物，其中主要的即为滨苑小区9—13号楼。此建筑群全部为桩基基础，多数桩基侵入隧道内部，不仅严重影响盾构隧道的安全施工，而且在隧道施工期间及后期地铁运行的过程中对楼群也会产生影响。图1为盾构隧道与滨苑小区的相对位置关系。

图1 大鹿区间盾构隧道与滨苑小区位置关系Fig.1 Relationship between shield tunnel from Grand Theater station to Ludan Village station and Binyuan Residential Quarter

滨苑小区9—13号楼采用沉管灌注桩基础，桩的完成直径为340 mm，设计单桩承载力为350 kN，参考桩长12 m，为端承摩擦桩。建筑物桩基侵入隧道情况如表1所示。

表1 桩基侵入隧道情况Table 1 Foundation piles stretching into construction clearance of Metro tunnel

1.2 地层概况

区间上覆第四系主要为人工填土，软土，冲－洪积黏性土、砂土、碎石土以及残积土，其中人工填土主要为素填土，极个别有填石，软土零星分布，冲－洪积砂土、碎石土主要分布于冲沟中，残积层和全－强风化带，厚度较大。下伏基岩为燕山晚期花岗岩以及震旦系云开群混合岩，岩面起伏较大。隧道穿越地层大部分为中微风化花岗岩层和砾质黏性土层，如图2所示。

1.3 工程难点与重点

根据工程的地质及桩基侵入隧道的情况，调线、桩基托换、拔桩及冲桩等方法很难应用于大鹿区间的情况，主要困难如下:1)参考大鹿区间平面图，本区间长度较短，在符合地铁设计规范的情况下，调整线路的方法不能行之有效地避开滨苑小区建筑群［9］;2)根据实际情况滨苑小区上部建筑不能拆除，因此拔桩及冲桩的方法并不适用;3)滨苑小区的桩基础为沉管灌注桩直径较小且数量较多，桩基托换不仅没有场地条件且工期较长。综合以上条件大鹿区间下穿桩基决定采用加固建筑物下方土体，而后盾构直接切桩下穿建筑物进行隧道的方案进行施工。

图2 盾构下穿区地质情况Fig.2 Profile of geological conditions

而在本工程中应用盾构直接切桩下穿建筑物的方案应该满足以下方面的要求。1)保证既有建筑物的安全。在下穿的过程中必须保证建筑物的各方向偏移都不超出30 mm的警戒值;2)保证盾构在下穿区中能够持续安全地推进。若盾构在下穿区发生故障，进而长时间的停机，对建筑的沉降控制是相当不利的;3)保证隧道完成后隧道结构的安全。当管片脱出盾尾时部分桩基直接作用于管片上，此时若还使用普通管片，有可能对隧道的安全造成影响。

2 盾构下穿施工关键技术研究

2.1 理论计算

对于盾构下穿时上部建筑物的安全问题，可以通过理论计算来做前期的分析工作。理论计算主要有2方面:在不同加固效果下单桩承载力是否满足要求;在不同加固效果下地基梁是否满足要求。

2.1.1 单桩承载力计算

根据《工程地质勘察报告》提供的岩土层的力学参数，桩基单桩竖向极限承载力标准值，按JGJ 1994—2008《建筑桩基技术规范》中5.3.5公式计算:

根据TB 10002.5—2005《铁路桥涵地基和基础设计规范》，桩轴向受压的容许承载力

由于盾构穿越时不考虑桩端阻力，因此剩余部分按摩擦桩考虑。地层未加固时单桩轴向受压的容许承载力

施工计划对桩基进行注浆加固，加固长度按剩余桩长计算，加固效果达到最佳时，侧极限摩阻力的增强系数依照规范中后注浆灌注桩的后注浆侧阻力增强系数取值。地层加固后单桩轴向受压的容许承载力

同时计算当加固效果只有最佳效果20%，50%时单桩轴向受压的容许承载力

理论计算认为，当所有被截除桩基的容许承载力全部满足设计荷载条件时，上部结构稳定性满足要求。

2.1.2 地基梁的理论计算

计算盾构截除桩基对地基梁的影响。假定上部结构荷载每层的取值，荷载均匀作用于地基梁和承台上，浅基础并不提供承载力。当截桩后单桩承载力不满足设计荷载要求时，认为桩不能提供反力。

地基梁为双筋矩形截面梁，相对受压区高度x小于2倍的混凝土保护层厚度x＜2a's，可对受压钢筋A's取矩，正截面受弯承载力

分别计算盾构推进至不同环时相应建筑物的地基梁安全情况。

2.1.3 理论计算结果分析

地层未加固时切桩后单桩承载力和地基梁承载力均无法满足安全要求，盾构切桩可能会引起建筑物结构的破坏。从单桩承载力可以看出:当土体加固效果提升50%以后，盾构切桩后11号楼所有桩基础的单桩承载力能满足设计的要求，10号楼和12号楼需要加固效果提升100%后，单桩承载力方能满足要求。由于盾构开挖过程还会对桩基产生扰动致使侧摩阻力降低，因此建议11号楼地基加固效果也要提升至100%。

从地基梁的承载力计算结果可知:单桩的破坏并不一定会导致地基梁的破坏，即单桩破坏后地基梁不一定会破坏，但是当多数单桩承载力消失后，地基梁也会逐渐破坏。结果表明:地层加固后所有地基梁的承载力均能满足设计要求，因此建议对建筑物范围内地基进行100%的加固。

2.2 地层加固

根据理论计算的结果，开始根据施工方案在盾构下穿前采用袖阀管对建筑物的周边地层进行加固。加固完成后保留袖阀管，可供盾构切桩掘进时视建筑物沉降情况进行补偿注浆。袖阀管注浆以压力控制为主，注浆压力为0.5～0.8 MPa，袖阀管直径为42 mm，孔间距为1.0 m，注浆孔距离建筑物外墙1.0 mm。注浆加固后要求土体强度不小于1.0 MPa，渗透系数小于1.0×10－5m/s。10号楼注浆加固袖阀管的布置情况如图3所示。注浆加固区布置情况如图4所示。

图4 注浆加固区布置情况Fig.4 Layout of grouting reinforcement areas

2.3 盾构推进关键参数优化

在左线开始下穿之前，设置50 m的试验段，根据试验段的施工情况，确定盾构下穿时的施工参数。根据试验段的掘进过程确定下穿时的主要施工参数如下:推力为15 000～16 000 kN;刀盘转速为1.2～1.4 r/min;上部土仓压力为0.12～0.14 MPa;刀盘扭矩为1 000～1 200 kN·m;掘进速度为10～20 mm/min。实际施工中根据盾构掘进的情况调整施工参数，并严格做到“不超挖、不超排、不掘进、不注浆”。

2.4 设备检修及改造

盾构在开始下穿9号楼之前对刀具孔进行检修及更换，保证盾构的顺利下穿，在掘进至10号楼与11号楼之间时再次进行换刀作业，共计4把中心滚刀，10把边缘滚刀，23把正面滚刀。刀具更换时采购原厂配置刀具，刀具安装时按照原设计安装，未作调整。盾构在掘进过程中，若遇到灌注桩遗留套管，根据掌子面稳定性情况，选择带压进仓割除的方式进行处理，将套管割断取出后继续掘进。当盾构切削下的桩体进入螺旋输送机时，有可能导致螺旋出土机卡死，因此在螺旋输送机上设置多个检查孔，当出现螺旋机卡死的情况时，打开检查孔将障碍物破碎或取出。

根据设计院对桩基础直接作用在现有管片上的计算，得出现有管片并不能保证隧道完成后处于安全状态的结论。因此必须采用特殊的钢管片，如图5所示。

图5 特殊钢管片Fig.5 Special steel segment

2.5 自动化监测系统

为实时地监控建筑物的沉降，在建筑物的顶层布置自动化监测点。自动化监测可实时反映建筑物沉降和位移，通过自动化监测的数据决定盾构二次注浆的管片位置及地面袖阀管加固注浆的位置，真正地做到动态施工。除此之外，还布有人工检测测点，随时监测地面有无沉降或隆起。自动化监测的标准如下:建筑物各方向累计偏移30 mm，偏移速率为3 mm/d，建筑物裂缝宽度为1 mm，整体倾斜率为0.004(Hg≤24)。测点的布置情况如图6所示。

3 实施效果及位移分析

左右线自2013年11月16日开始，至12月6日结束，用时23 d完成4栋建筑物共计137根桩切除，安全通过4栋建筑物，现已恢复建筑物，业主入驻。

现以左线盾构下穿时的实际控制情况及自动化监测结果，分析建筑物的位移变化情况。左线盾构共下穿3栋建筑物(滨苑小区9号楼、10号楼、11号楼)，下穿9号楼用时76 h，10号楼117 h，11号楼35 h。推进过程中盾构关键参数控制情况及通过自动化监测软件得出的建筑群在盾构下穿过程中和最终各方向偏移情况如表2所示。由表2可知:盾构下穿9号楼时的位移量较小，南北方向位移大于东西方向，结果表明9号楼周围的土体加固达到了预期的效果。盾构下穿10号楼时楼体的偏移过程为:盾构到达楼体的南侧时，西南侧土体受扰动，楼体开始向西南偏移;之后盾构到达楼体北侧，西北侧土体受扰动，楼体开始向西北偏移。最终结果为:由于向南和向北的2次偏移，盾构推进对楼体南北方向的影响不大;由于盾构位于楼体西侧，在整个下穿过程中10号楼始终向西偏移;整个下穿过程中竖直方向的位移表现为下沉。分析11号楼各方向沉降可知:盾构下穿过程中11号楼向西偏移;竖直方向表现为沉降。总体来说左线的下穿是成功的，在盾构下穿过程中及隧道施工完成后，建筑物的变形均在警戒值内。在9号楼与10号楼上选取特征测点得到其竖直方向位移时间的历程曲线，如图6和图7所示，其中特征测点选取隧道上方的测点及接近隧道的测点，9号楼选取测点6513，6514，6515;10号楼选取测点6517，6518，6519，6520。

图6 左线下穿时自动化监测布点图Fig.6 Layout of automatic monitoring points

表2 盾构下穿建筑群时控制参数及建筑物各方向位移Table 2 Shield boring parameters and building displacement

4 结论与建议

深圳地铁9号线大鹿区间下穿桩基建筑群工程，桩基数量之多、穿越距离之长在国内外罕见，基于现有的研究成果，总结出一种新的施工技术，完成了该区间隧道施工，工程应用效果良好，其关键技术及结果如下。

1)下穿前的理论计算。在盾构下穿前进行理论分析是非常必要，理论计算可以验证隧道及既有建筑的安全情况，针对具体的安全状态提出不同的解决办法。

2)试验段的设置。在盾构下穿前选取与下穿段相似地层的部分区间设置试验段，初步确定盾构下穿时的掘进参数，为盾构正式下穿提供参考。

3)实时监控系统。在建筑物上布置自动化监测系统，对建筑物的变形进行实时监控，确保盾构穿越构成建筑物的安全。

4)盾构的改造。对盾构的刀具及螺旋出土器进行改造，以适应盾构切削桩基础。

5)土体注浆加固。合理的注浆参数能够保证建筑物的沉降在可控范围内，预留的袖阀管也可以在后期的控制建筑物各方向位移发挥重要的作用。

土压力、刀盘扭矩及推力等盾构关键参数的设定与控制对下穿过程中建筑物位移的控制至关重要。建议施工前必须根据地层情况确定上述参数的设定范围，施工过程中严格根据预先设定的范围进行操作，同时根据自动化监测反馈的结果，对参数进行实时调整，确定盾构穿越桩基建筑群的安全。

图7 盾构下穿过程中9号楼特征测点各方向位移时间历程曲线(2014年)Fig.7 Time-dependent curves of displacement of No.9 building measured at typical monitoring points during shield boring in 2014

图8 盾构下穿过程中10号楼特征测点各方向位移时间历程曲线(2014年)Fig.8 Time-dependent curves of displacement of No.10 building measured at typical monitoring points during shield boring in 2014

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