盾構(gòu)區(qū)間下穿過(guò)街通道磨樁方案研究

宋磊鵬

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510010)

對(duì)于侵入盾構(gòu)區(qū)間的樁基礎(chǔ)，通常采用樁基托換、拔樁、沖樁或切樁等工程措施來(lái)處理[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)積累了不少成功的經(jīng)驗(yàn)。廣州地鐵5號(hào)線草-淘盾構(gòu)區(qū)間穿越內(nèi)環(huán)路2.6標(biāo)A匝道A4樁基礎(chǔ)[1-2]采用樁基托換技術(shù)，先將上部荷載傳遞給新建的擴(kuò)大承臺(tái)和樁基，然后施做橫通道并進(jìn)行人工截樁，避免了盾構(gòu)機(jī)直接切樁，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)；上海軌道交通10號(hào)線溧陽(yáng)路站-曲陽(yáng)路區(qū)間下穿沙涇港橋[3-4]，通過(guò)地基加固和筏板基礎(chǔ)托換，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行改造，成功穿越了大直徑橋梁樁基；南京地鐵2號(hào)線TA07標(biāo)莫愁湖-漢中門區(qū)間下穿外秦淮河兩岸的抗滑樁[1]，采用先加固、后拔樁、再恢復(fù)的總體施工技術(shù)方案；蘇州市軌道交通1號(hào)線盾構(gòu)下穿玲瓏街1號(hào)橋，共計(jì)28根樁基(直徑1 m)侵入?yún)^(qū)間隧道，對(duì)下穿范圍內(nèi)的樁基進(jìn)行破碎處理，破壞了混凝土與鋼筋之間的連接，減小了盾構(gòu)穿越難度；蘇州市軌道交通2號(hào)線三石區(qū)間下穿廣濟(jì)橋[5-8]，共有14根(長(zhǎng)34.5～38.5 m)鉆孔灌注樁侵入?yún)^(qū)間隧道，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤和螺旋輸送機(jī)的改造并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整盾構(gòu)掘削參數(shù)，成功穿越了廣濟(jì)橋。

以南京地鐵5號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿夫子廟過(guò)街通道為工程背景，通過(guò)線路調(diào)整、盾構(gòu)機(jī)選型，并結(jié)合建構(gòu)筑物基本情況、地質(zhì)條件、路面交通和現(xiàn)狀管線，深入討論拔樁方案與磨樁方案的優(yōu)缺點(diǎn)及可實(shí)施性。

1 工程概況

1.1 過(guò)街通道概況

夫子廟過(guò)街通道位于太平南路和建康路交叉路口，地處繁華的夫子廟商圈和國(guó)家5A級(jí)景區(qū)。通道南北向布置，兩端與夫子廟地下商業(yè)街銜接，共設(shè)3個(gè)地面出入口。夫子廟地下商業(yè)街7501-3、4、5工程(含過(guò)街通道)1988年4月正式破土動(dòng)工，于1989年12月正式竣工。盾構(gòu)區(qū)間與過(guò)街通道平面相對(duì)關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與過(guò)街通道平面相對(duì)關(guān)系

過(guò)街通道主體結(jié)構(gòu)采用300級(jí)防水混凝土(相當(dāng)于C28混凝土)，頂板、底板、側(cè)墻厚度均為800 mm，通道凈尺寸為2.5 m×8 m(如圖2所示)。通道頂板覆土厚1.7 m，底板埋深5.8 m，相對(duì)高程為-6.100 m，絕對(duì)高程為3.500 m(吳淞高程)。

圖2 過(guò)街通道結(jié)構(gòu)橫剖面(單位：m)

過(guò)街通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)為密排450 mm×450 mm預(yù)制鋼筋混凝土方樁，采用全液壓靜力壓樁法施工，樁長(zhǎng)12 m(無(wú)接頭)，樁底絕對(duì)高程為-3.4～-3.53 m(吳淞高程)。由于該工程年代久遠(yuǎn)，未查閱到靜壓方樁的配筋資料，參考《預(yù)制鋼筋混凝土方樁》04G361圖集，配筋如圖3所示，其中d=450 mm，l1=700 mm，b=500 mm，①②主筋為4根φ18，箍筋為φ6@50。

圖3 靜壓方樁配筋(單位：mm)

1.2 盾構(gòu)區(qū)間概況

南京5號(hào)線夫子廟-三山街區(qū)間沿建康路敷設(shè)，長(zhǎng)約580.9 m，采用盾構(gòu)法施工。沿線建筑物密集，區(qū)間出夫子廟站后，側(cè)穿上海商業(yè)儲(chǔ)蓄銀行舊址(省級(jí)文物)和南京郵電局舊址(省級(jí)文物)，在太平南路路口下穿夫子廟過(guò)街通道后一路向西，先后側(cè)穿水平方、水游城、茂業(yè)天地等大型商業(yè)綜合體。

盾構(gòu)區(qū)間管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，壁厚350 mm，環(huán)寬1.2 m。線路采用30‰縱坡，在穿越過(guò)街通道處，軌面高程為-8.185 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)靜壓方樁侵入?yún)^(qū)間隧道最大深度為0.32 m，盾構(gòu)區(qū)間與過(guò)街通道縱斷面相對(duì)關(guān)系如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)區(qū)間與過(guò)街通道縱斷面相對(duì)關(guān)系

1.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

擬建場(chǎng)地位于秦淮河漫灘地貌單元，覆蓋層厚度較大(34.0～36.7m)，土層從上到下依次為：①-1雜填土、①-3淤泥、②-3b+c淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、②-3d粉砂、③-3b粉質(zhì)黏土、③-4b+d粉質(zhì)黏土夾團(tuán)塊狀粉細(xì)砂、③-4b粉質(zhì)黏土、③-4a黏土(軟流塑)、③-4e含卵礫石粉質(zhì)黏土(局部含卵礫石中粗砂)，巖層依次為強(qiáng)風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，中風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

場(chǎng)地內(nèi)的地下水主要為潛水、承壓水、基巖裂隙水，潛水穩(wěn)定水位在地面以下1.2～2.0 m，承壓水水頭在地面下3.40～3.50 m。

2 區(qū)間下穿方案研究

2.1 線路調(diào)整

(1)線路平面調(diào)整

南京5號(hào)線夫子廟站主體結(jié)構(gòu)西端頭距離過(guò)街通道僅117 m，緩和曲線已經(jīng)進(jìn)入有效站臺(tái)11.1 m。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50157—2013規(guī)定，對(duì)于設(shè)置站臺(tái)門的A型車，有效站臺(tái)范圍內(nèi)的線路曲線最小半徑為1 500 m。

區(qū)間右線與北側(cè)上海商業(yè)儲(chǔ)蓄銀行舊址(省級(jí)文物)的水平凈距僅0.1～1.3 m，不具備向北偏移的可能，為減少靜壓方樁侵入?yún)^(qū)間隧道的數(shù)量，右線應(yīng)盡量往南偏移，但5號(hào)線車站長(zhǎng)度向兩側(cè)延伸受限，有效站臺(tái)調(diào)整難度較大，故線路平面的調(diào)整空間有限。

(2)線路縱斷面調(diào)整

為進(jìn)一步減少侵入?yún)^(qū)間隧道的靜壓方樁數(shù)量，需要加大區(qū)間坡度，從而拉大盾構(gòu)管片與樁尖的豎向距離。

①當(dāng)線路坡度超過(guò)30‰后，本段區(qū)間范圍內(nèi)出現(xiàn)了最低點(diǎn)，需要增加一座聯(lián)絡(luò)通道并設(shè)置廢水泵房。若采用凍結(jié)法施工，造價(jià)增加約200萬(wàn)；或者不增設(shè)聯(lián)絡(luò)通道，采用特殊鋼管片內(nèi)置廢水泵房的方式解決區(qū)間的排水問(wèn)題，造價(jià)增加約60萬(wàn)[11-12]。

②根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50157—2013，正線在困難地段的最大坡度為35‰，現(xiàn)方案區(qū)間縱坡為30‰，即使調(diào)整至35‰的坡度，仍有部分靜壓方樁侵入?yún)^(qū)間隧道，不能完全避開(kāi)。不同坡度下侵入?yún)^(qū)間的方樁數(shù)量見(jiàn)表2，區(qū)間磨樁范圍如圖5所示。

表2 不同坡度下侵入?yún)^(qū)間的方樁數(shù)量對(duì)比

圖5 盾構(gòu)磨樁范圍示意(單位：m)

③隨著線路坡度的增加，盾構(gòu)施工難度也相應(yīng)增加，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的精度控制、姿態(tài)調(diào)整和線路糾偏帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

2.2 盾構(gòu)機(jī)選型

根據(jù)施工環(huán)境的不同，盾構(gòu)分為軟土盾構(gòu)和復(fù)合盾構(gòu)兩大類[9]。其中，軟土盾構(gòu)主要適用于未固結(jié)成巖的軟土，刀盤僅安裝切削軟土用的切刀和刮刀，無(wú)需設(shè)置滾刀，刀盤外徑一般為6 340 mm；復(fù)合盾構(gòu)適用于軟土、硬巖，以及上軟下硬的復(fù)合地層，其不僅安裝有切刀和刮刀，還安裝有破碎硬巖的滾刀或撕裂刀，刀盤外徑一般為6 480 mm。

本段盾構(gòu)區(qū)間穿越的地層主要為③-3b粉質(zhì)黏土和③-4b+d粉質(zhì)黏土夾團(tuán)塊狀粉細(xì)砂，未經(jīng)歷巖層。因此，從地層的適應(yīng)性和侵入隧道的方樁數(shù)量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行比選，推薦采用軟土盾構(gòu)，土壓平衡掘進(jìn)模式。

2.3 拔樁方案與磨樁方案對(duì)比

(1)路面交通

建康路現(xiàn)狀道路寬18 m，西向東為“2個(gè)機(jī)動(dòng)車道+1個(gè)公交專用道+1個(gè)非機(jī)動(dòng)車道”，東向西為“1個(gè)公交專用道+1個(gè)非機(jī)動(dòng)車道”。夫子廟過(guò)街通道地處夫子廟景區(qū)的北門，交通繁忙，人流量較大?？紤]到侵入?yún)^(qū)間隧道的靜壓方樁數(shù)量較多，若實(shí)施拔樁方案，拔樁機(jī)具較大，施工工序較多，將長(zhǎng)期占用市政道路，對(duì)建康路的交通帶來(lái)極大的影響。

(2)現(xiàn)狀管線

建康路下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，主要有1根DN200給水管、1根DN500給水管、1根DN600雨水管(埋深1.7 m)、一根中壓燃?xì)夤堋?根通信管、2根10 kV電力管等，如圖6所示。

圖6 過(guò)街通道范圍內(nèi)現(xiàn)狀管線

綜上所述，拔樁方案存在多方面的條件限制。因此，為了減小對(duì)地面交通和現(xiàn)狀管線的影響，參考國(guó)內(nèi)盾構(gòu)區(qū)間切樁的成功經(jīng)驗(yàn)，推薦采用盾構(gòu)磨樁方案。

3 盾構(gòu)磨樁方案研究

3.1 方案難點(diǎn)

已完成的盾構(gòu)磨樁工程大多為盾構(gòu)機(jī)依次磨削單根樁基，而盾構(gòu)機(jī)全斷面同時(shí)磨削密排靜壓方樁在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

本工程的難點(diǎn)在于：①單線盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中同時(shí)磨樁數(shù)量最多時(shí)為7根；②由于建造年代久遠(yuǎn)，靜壓方樁的配筋資料缺失，是否設(shè)置鋼靴尚未明確；③施工記錄揭示有個(gè)別靜壓方樁的打入深度超過(guò)-3.530 m；④1號(hào)出口基坑較淺處未設(shè)置靜壓方樁，分界點(diǎn)不明，侵入?yún)^(qū)間隧道的方樁數(shù)量可能增多；⑤靜壓方樁以密排的方式布置，在外力作用下，樁與樁之間的相互影響較大；⑥盾構(gòu)磨樁范圍內(nèi)線路縱坡為30‰，樁尖的磨削面積增加，盾構(gòu)掘進(jìn)的難度隨之增加。

因此，如何有效地磨削靜壓方樁并減小樁與樁之間的相互影響成為本工程的重中之重。

3.2 盾構(gòu)機(jī)改造

(1)刀盤刀具改造

本段盾構(gòu)區(qū)間采用30‰的縱坡，磨樁深度最大為0.32 m，為了保證盾構(gòu)機(jī)磨樁效果，需增加一套先行刀。先行刀采用貝殼刀，在刀盤外緣上等間距布置，先行刀的高度超出標(biāo)準(zhǔn)切刀65 mm(約3倍鋼筋直徑)。

由于磨樁深度小，數(shù)量多，先行貝殼刀布置應(yīng)采取“大寬度，小凈距”的方案[8]，保證一個(gè)軌跡線有足夠多的貝殼刀進(jìn)行工作，確保磨樁的連續(xù)性和有效性。為減小先行貝殼刀的磨損量，同時(shí)增加貝殼刀的剛度，刀身應(yīng)焊接高強(qiáng)硬質(zhì)合金。在刀盤外緣配置易于擴(kuò)挖的單刃銳角大貝殼刀。

(2)螺旋輸送機(jī)改造

盾構(gòu)磨樁過(guò)程中，破碎的混凝土塊和截?cái)嗟匿摻顦O易堵塞螺旋輸送機(jī)，導(dǎo)致土艙內(nèi)的土體不能順利排出，影響盾構(gòu)掘進(jìn)。

借鑒國(guó)內(nèi)盾構(gòu)切樁的成功經(jīng)驗(yàn)，將有軸螺旋輸送機(jī)調(diào)整為無(wú)軸螺旋輸送機(jī)[5]，可以減小卡阻的風(fēng)險(xiǎn)。在螺旋輸送機(jī)的外殼上增設(shè)檢查門，當(dāng)通過(guò)螺旋輸送機(jī)正反轉(zhuǎn)無(wú)法解決卡阻問(wèn)題時(shí)，可打開(kāi)檢查口進(jìn)行人工清障，保證螺旋輸送機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少盾構(gòu)機(jī)的停工時(shí)間。

3.3 盾構(gòu)實(shí)施方案優(yōu)化

若從夫子廟站進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)，出站后117 m即遇到過(guò)街通道靜壓方樁，且磨樁深度較大，故建議盾構(gòu)機(jī)從三山街站始發(fā)。出站坡度為3.1‰，有利于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整和掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化。推進(jìn)至過(guò)街通道時(shí)，先行磨削西側(cè)的靜壓方樁，為下一步磨削更長(zhǎng)、更多的靜壓方樁奠定基礎(chǔ)。

相較于右線，區(qū)間左線減少了一排出入口方樁的磨樁數(shù)量，施工難度相對(duì)較小，故可以先行施工左線盾構(gòu)區(qū)間。在左線盾構(gòu)的磨樁過(guò)程中，可以進(jìn)一步判別靜壓方樁的結(jié)構(gòu)組成和埋深，減小右線施工的工程風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 注漿加固

場(chǎng)地范圍內(nèi)交通繁忙，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，常規(guī)的攪拌樁加固和旋噴樁加固難以實(shí)施，建議采用袖閥管注漿的方式，對(duì)靜壓方樁外圍的土體進(jìn)行加固，減小盾構(gòu)磨樁過(guò)程中靜壓方樁位置的變動(dòng)對(duì)過(guò)街通道和既有管線的影響[16]。

注漿范圍為靜壓方樁外側(cè)3 m，袖閥管梅花狀布置，間距和排距均為1 m。加固深度超過(guò)既有靜壓方樁1 m。

4 盾構(gòu)施工過(guò)程控制

4.1 磨樁施工前

在盾構(gòu)始發(fā)前，可利用端頭井的有限空間，按照過(guò)街通道靜壓方樁的排布方式，設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋混凝土方樁進(jìn)行磨樁試驗(yàn)，模擬盾構(gòu)穿越的工況，便于優(yōu)化刀盤、刀具的配置和掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整。

在過(guò)街通道主體結(jié)構(gòu)、周邊管線及地表布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)速度、推力及扭矩，以便指導(dǎo)盾構(gòu)施工。

4.2 磨樁施工

(1)盾構(gòu)磨樁施工盡量選擇在夜間進(jìn)行，若在白天施工，應(yīng)對(duì)過(guò)街通道進(jìn)行臨時(shí)封閉，地面車輛限速通過(guò)。增派安全人員，對(duì)過(guò)街通道進(jìn)行24 h監(jiān)控，密切關(guān)注地表變化，若發(fā)生地面沉降，及時(shí)對(duì)過(guò)往的車輛和行人進(jìn)行疏導(dǎo)。

(2)在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中增加微動(dòng)馬達(dá)[8]，滿足盾構(gòu)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的需要。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入磨樁范圍時(shí)，將推進(jìn)速度降低為1 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整為0.8 rpm，控制好土艙壓力、盾構(gòu)機(jī)推力和扭矩，保證有效的切割深度，防止靜壓方樁向前移動(dòng)或者發(fā)生逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)。

(3)加注泡沫、膨潤(rùn)土、聚合物等輔助材料進(jìn)行碴土改良，有效控制工作面及地表穩(wěn)定，減少刀盤、刀具及螺旋機(jī)的磨損，便于混凝土塊和鋼筋碎條的排出。

(4)磨樁過(guò)程中，若出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)扭矩增大的情況，應(yīng)及時(shí)檢查刀盤和螺旋輸送機(jī)是否有卡阻的現(xiàn)象，通過(guò)螺旋輸送機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)檢查口進(jìn)行人工清除障礙，保證盾構(gòu)機(jī)的順利推進(jìn)。

(5)確保盾尾密封系統(tǒng)的的可靠性，當(dāng)盾尾脫開(kāi)后同步注漿系統(tǒng)及時(shí)介入，控制好注漿壓力和注漿量，減少地層損失。

4.3 磨樁施工后

盾構(gòu)施工完成后，應(yīng)繼續(xù)對(duì)過(guò)街通道和地表隆沉進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)可通過(guò)管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行二次注漿。待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后，方可恢復(fù)正常的交通。

5 結(jié)論

(1)在周邊環(huán)境復(fù)雜、施工空間局促的場(chǎng)地進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，磨樁方案相較于拔樁方案更有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)侵入?yún)^(qū)間隧道的樁基為結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件時(shí)，應(yīng)復(fù)核樁基磨削后的剩余承載力，必要時(shí)采取樁基托換或加大管片配筋等技術(shù)措施。

(2)盾構(gòu)機(jī)全斷面磨削密排靜壓方樁，對(duì)刀盤、刀具的配置要求較高，應(yīng)在刀盤有效切割范圍內(nèi)布置大寬度、小凈距、小排距的先行貝殼刀，保證磨樁施工的連續(xù)性和高效性。

(3)合理選擇盾構(gòu)掘進(jìn)方向和左右線實(shí)施順序，可以有效地降低施工風(fēng)險(xiǎn)，減小施工難度，有利于盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整和精度的控制。

(4)建議在盾構(gòu)始發(fā)井位置布設(shè)同類型的鋼筋混凝土方樁，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)刀盤配置和磨樁參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為盾構(gòu)穿越過(guò)街通道提供技術(shù)支撐。