孫 波，肖龍鴿，孫正陽，殷明倫，羅澤華

(1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518026;2.中建南方投資有限公司，廣東 深圳 518026;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;4.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，越來越多的城市開始興建地鐵隧道。盾構(gòu)法因其優(yōu)點很多，逐漸成為了城市地下隧道修建的首選工法。然而，在修建的過程中經(jīng)常會發(fā)生下穿既有建(構(gòu))筑物情況。為保證既有建(構(gòu))筑物的安全，盾構(gòu)施工質(zhì)量的控制就顯得相當(dāng)重要。另外，在修建過程中還會遇到盾構(gòu)隧道前方遇到建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的情況。

綜合以往的經(jīng)驗，遇到樁基礎(chǔ)侵入隧道的情況一般從兩方面解決:一方面是考慮調(diào)整線路避開樁基礎(chǔ);另一方面是破除樁基礎(chǔ)，減少樁基對盾構(gòu)隧道施工的影響。現(xiàn)有的破除樁基的方法主要有樁基托換破除原樁、拔樁及沖樁等［1－5］。

樁基托換適用于單一樁且上部結(jié)構(gòu)無法拆除的情況，原理為:在不影響隧道施工的位置新建樁基礎(chǔ)并通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使新建樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)連接，將上部結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)移至新建的樁基礎(chǔ)，然后拆除侵入隧道舊樁基礎(chǔ)。該方法多用于盾構(gòu)下穿樁基礎(chǔ)橋梁等情況，該方法對場地的要求較高。

拔樁(或沖樁)適用于上部結(jié)構(gòu)可以拆除且樁基較易拔出(或沖擊至隧道計劃斷面以下)的情況。其原理為將樁基礎(chǔ)與周圍土體隔離開來，然后通過工程機(jī)械將樁基礎(chǔ)清除，然后回填與周圍性質(zhì)大體相同的土體。

樁基托換、拔樁及沖樁等方法可很大程度上降低樁基礎(chǔ)對于盾構(gòu)隧道施工及運營時的影響。

隨著技術(shù)的發(fā)展，一種新型的施工方法正逐漸地發(fā)展成形，即不進(jìn)行樁基托換，盾構(gòu)直接切削樁體進(jìn)行施工。對于盾構(gòu)直接切削樁基，國內(nèi)已有很多實驗。王飛等［6］的實驗證明:通過對刀盤的改造，盾構(gòu)完全可以切削直徑1 200 mm的鋼筋混凝土樁;切樁時的實際推進(jìn)速度、推力的波動幅度較大，易造成刀具合金的崩裂;切削側(cè)部樁相比切削中部樁對刀具的損傷更大;在實際的工程中進(jìn)行應(yīng)用也同樣證明直接切削大直徑樁基是可行的。傅德明［7］關(guān)于上海盾構(gòu)的研究同樣證明通過對刀具進(jìn)行改造，并嚴(yán)格控制施工參數(shù)，盾構(gòu)可以安全下穿樁基建筑。傅德明［8］關(guān)于盾構(gòu)切削混凝土模擬試驗同樣證明，在對刀盤進(jìn)行改造的情況下盾構(gòu)直接切削混凝土樁是可行的。該方法不需要增加其他的施工工序，節(jié)約成本，方法簡單，相比于破除樁基的方法縮短了工期。但對于盾構(gòu)刀盤的要求較高，需要根據(jù)不同的情況對刀盤進(jìn)行改裝，還需對螺旋出土器等其他設(shè)備進(jìn)行一定程度的改裝。

既有研究基本是盾構(gòu)穿越單一樁基，或者盾構(gòu)下穿某棟建筑的幾根樁基，而長距離、大面積的穿越樁基建筑群、且多根樁基貫入隧道結(jié)構(gòu)以內(nèi)的情況在國內(nèi)外并不多見。本文以深圳地鐵9號線盾構(gòu)工程為例，著重研究盾構(gòu)長距離、大范圍下穿樁基建筑群過程中的關(guān)鍵施工技術(shù)。

1 工程與地層概況

以深圳9號線大劇院—鹿丹村區(qū)間盾構(gòu)工程為背景，詳細(xì)介紹盾構(gòu)長距離、大范圍直接切削樁基礎(chǔ)方案的具體施工步驟。

1.1 工程概況

深圳地鐵9號線工程大劇院—鹿丹村區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，管片外徑為6 000 mm，內(nèi)徑為5 400 mm，線路軌面埋深12～24 m。盾構(gòu)自鹿丹村區(qū)間始發(fā)后先后下穿多棟建筑物，其中主要的即為濱苑小區(qū)9—13號樓。此建筑群全部為樁基基礎(chǔ)，多數(shù)樁基侵入隧道內(nèi)部，不僅嚴(yán)重影響盾構(gòu)隧道的安全施工，而且在隧道施工期間及后期地鐵運行的過程中對樓群也會產(chǎn)生影響。圖1為盾構(gòu)隧道與濱苑小區(qū)的相對位置關(guān)系。

圖1 大鹿區(qū)間盾構(gòu)隧道與濱苑小區(qū)位置關(guān)系Fig.1 Relationship between shield tunnel from Grand Theater station to Ludan Village station and Binyuan Residential Quarter

濱苑小區(qū)9—13號樓采用沉管灌注樁基礎(chǔ)，樁的完成直徑為340 mm，設(shè)計單樁承載力為350 kN，參考樁長12 m，為端承摩擦樁。建筑物樁基侵入隧道情況如表1所示。

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

1.2 地層概況

區(qū)間上覆第四系主要為人工填土，軟土，沖－洪積黏性土、砂土、碎石土以及殘積土，其中人工填土主要為素填土，極個別有填石，軟土零星分布，沖－洪積砂土、碎石土主要分布于沖溝中，殘積層和全－強風(fēng)化帶，厚度較大。下伏基巖為燕山晚期花崗巖以及震旦系云開群混合巖，巖面起伏較大。隧道穿越地層大部分為中微風(fēng)化花崗巖層和礫質(zhì)黏性土層，如圖2所示。

1.3 工程難點與重點

根據(jù)工程的地質(zhì)及樁基侵入隧道的情況，調(diào)線、樁基托換、拔樁及沖樁等方法很難應(yīng)用于大鹿區(qū)間的情況，主要困難如下:1)參考大鹿區(qū)間平面圖，本區(qū)間長度較短，在符合地鐵設(shè)計規(guī)范的情況下，調(diào)整線路的方法不能行之有效地避開濱苑小區(qū)建筑群［9］;2)根據(jù)實際情況濱苑小區(qū)上部建筑不能拆除，因此拔樁及沖樁的方法并不適用;3)濱苑小區(qū)的樁基礎(chǔ)為沉管灌注樁直徑較小且數(shù)量較多，樁基托換不僅沒有場地條件且工期較長。綜合以上條件大鹿區(qū)間下穿樁基決定采用加固建筑物下方土體，而后盾構(gòu)直接切樁下穿建筑物進(jìn)行隧道的方案進(jìn)行施工。

圖2 盾構(gòu)下穿區(qū)地質(zhì)情況Fig.2 Profile of geological conditions

而在本工程中應(yīng)用盾構(gòu)直接切樁下穿建筑物的方案應(yīng)該滿足以下方面的要求。1)保證既有建筑物的安全。在下穿的過程中必須保證建筑物的各方向偏移都不超出30 mm的警戒值;2)保證盾構(gòu)在下穿區(qū)中能夠持續(xù)安全地推進(jìn)。若盾構(gòu)在下穿區(qū)發(fā)生故障，進(jìn)而長時間的停機(jī)，對建筑的沉降控制是相當(dāng)不利的;3)保證隧道完成后隧道結(jié)構(gòu)的安全。當(dāng)管片脫出盾尾時部分樁基直接作用于管片上，此時若還使用普通管片，有可能對隧道的安全造成影響。

2 盾構(gòu)下穿施工關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 理論計算

對于盾構(gòu)下穿時上部建筑物的安全問題，可以通過理論計算來做前期的分析工作。理論計算主要有2方面:在不同加固效果下單樁承載力是否滿足要求;在不同加固效果下地基梁是否滿足要求。

2.1.1 單樁承載力計算

根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報告》提供的巖土層的力學(xué)參數(shù)，樁基單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，按JGJ 1994—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.3.5公式計算:

根據(jù)TB 10002.5—2005《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，樁軸向受壓的容許承載力

由于盾構(gòu)穿越時不考慮樁端阻力，因此剩余部分按摩擦樁考慮。地層未加固時單樁軸向受壓的容許承載力

施工計劃對樁基進(jìn)行注漿加固，加固長度按剩余樁長計算，加固效果達(dá)到最佳時，側(cè)極限摩阻力的增強系數(shù)依照規(guī)范中后注漿灌注樁的后注漿側(cè)阻力增強系數(shù)取值。地層加固后單樁軸向受壓的容許承載力

同時計算當(dāng)加固效果只有最佳效果20%，50%時單樁軸向受壓的容許承載力

理論計算認(rèn)為，當(dāng)所有被截除樁基的容許承載力全部滿足設(shè)計荷載條件時，上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

2.1.2 地基梁的理論計算

計算盾構(gòu)截除樁基對地基梁的影響。假定上部結(jié)構(gòu)荷載每層的取值，荷載均勻作用于地基梁和承臺上，淺基礎(chǔ)并不提供承載力。當(dāng)截樁后單樁承載力不滿足設(shè)計荷載要求時，認(rèn)為樁不能提供反力。

地基梁為雙筋矩形截面梁，相對受壓區(qū)高度x小于2倍的混凝土保護(hù)層厚度x＜2a's，可對受壓鋼筋A(yù)'s取矩，正截面受彎承載力

分別計算盾構(gòu)推進(jìn)至不同環(huán)時相應(yīng)建筑物的地基梁安全情況。

2.1.3 理論計算結(jié)果分析

地層未加固時切樁后單樁承載力和地基梁承載力均無法滿足安全要求，盾構(gòu)切樁可能會引起建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。從單樁承載力可以看出:當(dāng)土體加固效果提升50%以后，盾構(gòu)切樁后11號樓所有樁基礎(chǔ)的單樁承載力能滿足設(shè)計的要求，10號樓和12號樓需要加固效果提升100%后，單樁承載力方能滿足要求。由于盾構(gòu)開挖過程還會對樁基產(chǎn)生擾動致使側(cè)摩阻力降低，因此建議11號樓地基加固效果也要提升至100%。

從地基梁的承載力計算結(jié)果可知:單樁的破壞并不一定會導(dǎo)致地基梁的破壞，即單樁破壞后地基梁不一定會破壞，但是當(dāng)多數(shù)單樁承載力消失后，地基梁也會逐漸破壞。結(jié)果表明:地層加固后所有地基梁的承載力均能滿足設(shè)計要求，因此建議對建筑物范圍內(nèi)地基進(jìn)行100%的加固。

2.2 地層加固

根據(jù)理論計算的結(jié)果，開始根據(jù)施工方案在盾構(gòu)下穿前采用袖閥管對建筑物的周邊地層進(jìn)行加固。加固完成后保留袖閥管，可供盾構(gòu)切樁掘進(jìn)時視建筑物沉降情況進(jìn)行補償注漿。袖閥管注漿以壓力控制為主，注漿壓力為0.5～0.8 MPa，袖閥管直徑為42 mm，孔間距為1.0 m，注漿孔距離建筑物外墻1.0 mm。注漿加固后要求土體強度不小于1.0 MPa，滲透系數(shù)小于1.0×10－5m/s。10號樓注漿加固袖閥管的布置情況如圖3所示。注漿加固區(qū)布置情況如圖4所示。

圖4 注漿加固區(qū)布置情況Fig.4 Layout of grouting reinforcement areas

2.3 盾構(gòu)推進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

在左線開始下穿之前，設(shè)置50 m的試驗段，根據(jù)試驗段的施工情況，確定盾構(gòu)下穿時的施工參數(shù)。根據(jù)試驗段的掘進(jìn)過程確定下穿時的主要施工參數(shù)如下:推力為15 000～16 000 kN;刀盤轉(zhuǎn)速為1.2～1.4 r/min;上部土倉壓力為0.12～0.14 MPa;刀盤扭矩為1 000～1 200 kN·m;掘進(jìn)速度為10～20 mm/min。實際施工中根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的情況調(diào)整施工參數(shù)，并嚴(yán)格做到“不超挖、不超排、不掘進(jìn)、不注漿”。

2.4 設(shè)備檢修及改造

盾構(gòu)在開始下穿9號樓之前對刀具孔進(jìn)行檢修及更換，保證盾構(gòu)的順利下穿，在掘進(jìn)至10號樓與11號樓之間時再次進(jìn)行換刀作業(yè)，共計4把中心滾刀，10把邊緣滾刀，23把正面滾刀。刀具更換時采購原廠配置刀具，刀具安裝時按照原設(shè)計安裝，未作調(diào)整。盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，若遇到灌注樁遺留套管，根據(jù)掌子面穩(wěn)定性情況，選擇帶壓進(jìn)倉割除的方式進(jìn)行處理，將套管割斷取出后繼續(xù)掘進(jìn)。當(dāng)盾構(gòu)切削下的樁體進(jìn)入螺旋輸送機(jī)時，有可能導(dǎo)致螺旋出土機(jī)卡死，因此在螺旋輸送機(jī)上設(shè)置多個檢查孔，當(dāng)出現(xiàn)螺旋機(jī)卡死的情況時，打開檢查孔將障礙物破碎或取出。

根據(jù)設(shè)計院對樁基礎(chǔ)直接作用在現(xiàn)有管片上的計算，得出現(xiàn)有管片并不能保證隧道完成后處于安全狀態(tài)的結(jié)論。因此必須采用特殊的鋼管片，如圖5所示。

圖5 特殊鋼管片F(xiàn)ig.5 Special steel segment

2.5 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

為實時地監(jiān)控建筑物的沉降，在建筑物的頂層布置自動化監(jiān)測點。自動化監(jiān)測可實時反映建筑物沉降和位移，通過自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)決定盾構(gòu)二次注漿的管片位置及地面袖閥管加固注漿的位置，真正地做到動態(tài)施工。除此之外，還布有人工檢測測點，隨時監(jiān)測地面有無沉降或隆起。自動化監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)如下:建筑物各方向累計偏移30 mm，偏移速率為3 mm/d，建筑物裂縫寬度為1 mm，整體傾斜率為0.004(Hg≤24)。測點的布置情況如圖6所示。

3 實施效果及位移分析

左右線自2013年11月16日開始，至12月6日結(jié)束，用時23 d完成4棟建筑物共計137根樁切除，安全通過4棟建筑物，現(xiàn)已恢復(fù)建筑物，業(yè)主入駐。

現(xiàn)以左線盾構(gòu)下穿時的實際控制情況及自動化監(jiān)測結(jié)果，分析建筑物的位移變化情況。左線盾構(gòu)共下穿3棟建筑物(濱苑小區(qū)9號樓、10號樓、11號樓)，下穿9號樓用時76 h，10號樓117 h，11號樓35 h。推進(jìn)過程中盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)控制情況及通過自動化監(jiān)測軟件得出的建筑群在盾構(gòu)下穿過程中和最終各方向偏移情況如表2所示。由表2可知:盾構(gòu)下穿9號樓時的位移量較小，南北方向位移大于東西方向，結(jié)果表明9號樓周圍的土體加固達(dá)到了預(yù)期的效果。盾構(gòu)下穿10號樓時樓體的偏移過程為:盾構(gòu)到達(dá)樓體的南側(cè)時，西南側(cè)土體受擾動，樓體開始向西南偏移;之后盾構(gòu)到達(dá)樓體北側(cè)，西北側(cè)土體受擾動，樓體開始向西北偏移。最終結(jié)果為:由于向南和向北的2次偏移，盾構(gòu)推進(jìn)對樓體南北方向的影響不大;由于盾構(gòu)位于樓體西側(cè)，在整個下穿過程中10號樓始終向西偏移;整個下穿過程中豎直方向的位移表現(xiàn)為下沉。分析11號樓各方向沉降可知:盾構(gòu)下穿過程中11號樓向西偏移;豎直方向表現(xiàn)為沉降?？傮w來說左線的下穿是成功的，在盾構(gòu)下穿過程中及隧道施工完成后，建筑物的變形均在警戒值內(nèi)。在9號樓與10號樓上選取特征測點得到其豎直方向位移時間的歷程曲線，如圖6和圖7所示，其中特征測點選取隧道上方的測點及接近隧道的測點，9號樓選取測點6513，6514，6515;10號樓選取測點6517，6518，6519，6520。

圖6 左線下穿時自動化監(jiān)測布點圖Fig.6 Layout of automatic monitoring points

表2 盾構(gòu)下穿建筑群時控制參數(shù)及建筑物各方向位移Table 2 Shield boring parameters and building displacement

4 結(jié)論與建議

深圳地鐵9號線大鹿區(qū)間下穿樁基建筑群工程，樁基數(shù)量之多、穿越距離之長在國內(nèi)外罕見，基于現(xiàn)有的研究成果，總結(jié)出一種新的施工技術(shù)，完成了該區(qū)間隧道施工，工程應(yīng)用效果良好，其關(guān)鍵技術(shù)及結(jié)果如下。

1)下穿前的理論計算。在盾構(gòu)下穿前進(jìn)行理論分析是非常必要，理論計算可以驗證隧道及既有建筑的安全情況，針對具體的安全狀態(tài)提出不同的解決辦法。

2)試驗段的設(shè)置。在盾構(gòu)下穿前選取與下穿段相似地層的部分區(qū)間設(shè)置試驗段，初步確定盾構(gòu)下穿時的掘進(jìn)參數(shù)，為盾構(gòu)正式下穿提供參考。

3)實時監(jiān)控系統(tǒng)。在建筑物上布置自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對建筑物的變形進(jìn)行實時監(jiān)控，確保盾構(gòu)穿越構(gòu)成建筑物的安全。

4)盾構(gòu)的改造。對盾構(gòu)的刀具及螺旋出土器進(jìn)行改造，以適應(yīng)盾構(gòu)切削樁基礎(chǔ)。

5)土體注漿加固。合理的注漿參數(shù)能夠保證建筑物的沉降在可控范圍內(nèi)，預(yù)留的袖閥管也可以在后期的控制建筑物各方向位移發(fā)揮重要的作用。

土壓力、刀盤扭矩及推力等盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定與控制對下穿過程中建筑物位移的控制至關(guān)重要。建議施工前必須根據(jù)地層情況確定上述參數(shù)的設(shè)定范圍，施工過程中嚴(yán)格根據(jù)預(yù)先設(shè)定的范圍進(jìn)行操作，同時根據(jù)自動化監(jiān)測反饋的結(jié)果，對參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，確定盾構(gòu)穿越樁基建筑群的安全。

圖7 盾構(gòu)下穿過程中9號樓特征測點各方向位移時間歷程曲線(2014年)Fig.7 Time-dependent curves of displacement of No.9 building measured at typical monitoring points during shield boring in 2014

圖8 盾構(gòu)下穿過程中10號樓特征測點各方向位移時間歷程曲線(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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