李發(fā)勇

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

隨著我國城市基礎設施建設的蓬勃發(fā)展，盾構法因其安全、高效、適用地層廣等優(yōu)點在許多城市的軌道交通建設中被廣泛應用[1]。在地鐵建設過程中，因交通繁忙、市政管線改移困難等原因，極易出現(xiàn)無盾構接收井施作場地的情況，需要在狹窄的空間內(nèi)對現(xiàn)有盾構進行改造，縮小盾構構件體積、質(zhì)量，以充分利用空間，進行盾構地下拆解，減少施工對周圍環(huán)境的影響。可拆解盾構過站技術就是在此背景下逐步發(fā)展而來，這項技術既可以實現(xiàn)有限空間內(nèi)盾構的解體過站，又能保證隧道掘進施工過程中的穩(wěn)定性。

在盾構施工過程中，由于施工區(qū)域常處于城市繁華地段，經(jīng)常出現(xiàn)需要盾構側穿、下穿建構筑物的現(xiàn)象[2-3]。目前對地下障礙物樁基的處理，國內(nèi)盾構施工中普遍采用在盾構到達樁基前預先拔除[4-6]、樁基托換[7-8]等方法，這些方法存在施工難度大、費用高、工期長等問題。而盾構磨樁具有成本低、工期短等特點，目前盾構直接磨樁通過樁基的方法越來越受到重視[9-10]，即不改變原有建筑又能順利掘進已經(jīng)成為盾構施工的重要突破點。

盾構直接磨樁的優(yōu)勢明顯、經(jīng)濟社會效益顯著，但磨樁技術無論是理論研究還是技術實踐都遠未成熟[11]。黃生根等[12]基于杭州地鐵2號線鳳起橋盾構磨樁施工，分析了荷載轉移、刀盤刀具布置以及掘削參數(shù)變化對工程的潛在風險，探討了以U形結構代替原有結構的樁基加固托換技術，并針對磨樁施工開展盾構刀盤適應性改造。王哲等[13]根據(jù)杭州地鐵2號線工程磨樁施工需要，對貝殼刀的角度進行設計，并研究了刀具布置方式，最后結合沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)說明該技術的合理性。宋磊鵬[14]以南京地鐵5號線盾構全斷面穿越大量密排方樁這一工程難題為背景，對拔樁和磨樁方案進行了比選，并最終確定了磨樁方案。雖然關于盾構磨樁的研究已有一定的進展，但關于可拆解盾構磨樁施工的研究少之又少。

可拆解盾構的特殊拼裝式結構，使其能較好地解決狹窄空間過站問題[15-17]，但盾構的主要作用是隧道掘進，能否保證其正常掘進施工是檢驗可拆解盾構可行性的重要標準。而盾構掘進周圍環(huán)境復雜，面臨諸多挑戰(zhàn)，例如盾構穿越立交橋磨樁施工，這對刀盤刀具的穩(wěn)定性及耐磨性提出了很高的要求。寧波軌道交通4號線柳西-寧波火車站盾構區(qū)間，受限于寧波火車站站內(nèi)空間不足，創(chuàng)造性地提出了盾構拆解過站方案，將盾構進行分體設計；同時，為保證穿越蒼松路下公交磨樁施工的順利通過，對刀盤重新設計，使其既滿足拆解過站的要求，又符合磨樁施工時結構的安全性。本文以寧波4號線拼裝式可拆解盾構磨樁通過為工程背景，對可拆解盾構磨樁過程中的施工控制展開研究，并利用監(jiān)測結果驗證拼裝式可拆解盾構磨樁施工的可行性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 可拆解盾構刀盤配置及分塊

寧波火車站為寧波軌道交通2號線和4號線的換乘站，因地鐵2號線已建成并投入運營，4號線柳西站-寧波火車站-興寧橋西站區(qū)間施工需站內(nèi)穿越寧波火車站。由于車站上部結構在2號線地鐵施工時已全部完成，只預留4號線端頭盾構接收條件，整體結構無預留盾構吊裝孔，且車站標準段部分已澆筑軌頂風道，過站空間受限。

由于本項目地面與地下空間有限，盾構過站面臨吊裝孔無預留--吊不出、車站凈空不足--過不去的難題，寧波軌道交通4號線寧波火車站已不具備實施盾構井吊出后轉場與整機空推過站的條件?；诖耍瑢幉ㄜ壍澜煌▌?chuàng)造性地提出了可拆解盾構過站方案，如圖1所示。

圖1 4號線寧波火車站可拆解盾構示意圖Fig.1 Sketch of dismountable shield used in Ningbo Railway Station of Line No.4

刀盤配置如圖2所示，有各類刀具以及泡沫、膨潤土噴口。刀盤中心區(qū)域設置水沖洗系統(tǒng)避免土艙中心形成泥餅，配置1把鑲硬質(zhì)合金的魚尾刀，配合魚尾刀的中心錐結構將中心渣土排向周邊進入進渣口。配合中心魚尾刀在其他軌跡配置72把刮刀、56把先行刀、12把邊刮刀，刀具高低搭配，切削效率高；刀盤外圈設置12把撕裂刀，保證開挖直徑。

圖2 刀盤配置Fig.2 Configuration of cutterhead

結合刀盤設計和功能的布置，將刀盤分為一大兩小3塊，中心法蘭分解為一大塊，保證了刀盤主結構的穩(wěn)定性和功能，如圖3所示。刀盤超挖刀管路和泡沫系統(tǒng)的管路全部布置在中心法蘭塊上，兩小塊上只布置了部分刀具；大塊和小塊之間采用螺栓定位、焊接加固的方法。

圖3 刀盤分塊示意圖Fig.3 Partition of cutterhead

1.2 磨樁區(qū)域概況

柳西站-寧波火車站區(qū)間線路出柳西站后，沿蒼松路向南穿行，過柳汀街后轉向東，最終接至寧波火車站。隧道穿越的主要土層為②2b層淤泥質(zhì)黏土、④1b淤泥質(zhì)黏土、⑤1b粉質(zhì)黏土、⑤1T粉砂、⑤4a粉質(zhì)黏土，如圖4所示。

圖4 柳-寧區(qū)間地質(zhì)縱剖面圖Fig.4 Geological profile of Liuxi Station-Ningbo Railway Station section

柳-寧區(qū)間于里程SK18+828～+891下穿蒼松路下立交箱涵，其結構底板厚800 mm。下穿時盾構隧道埋深約21.05 m，樁基礎廣泛分布于⑤1b粉質(zhì)黏土中，該地層物理力學性質(zhì)較好；下穿位置為蒼松路下立交入口處加寬段，道路為雙向(6機+2非)車道。立交樁基礎與隧道平面、立面關系分別如圖5和圖6所示。

圖5 立交樁基礎與隧道平面位置關系圖Fig.5 Plane position relationship between overpass pile foundation and tunnel

圖6 立交樁基礎與隧道立面位置關系圖Fig.6 Cross-sectional position relationship between overpass pile foundation and tunnel

侵入隧道的箱涵樁基礎10根，分別為立柱樁φ700 mm 1根(樁長24.5 m)，圍護樁φ600 mm 3根(樁長21 m，φ14 mm螺紋鋼)，抗拔樁φ800 mm 6根(樁長24.5 m)。盾構磨樁樁位與隧道位置關系如圖7所示。

圖7 盾構磨樁樁位與隧道位置關系圖(單位：m)Fig.7 Position relationship between piles and tunnel (unit:m)

2 刀盤強度分析

對刀盤整體結構進行有限元強度計算，校核結構是否滿足強度要求。

2.1 盾構推力及轉矩計算

2.1.1 盾構推力計算

盾構的總推力根據(jù)各種推進阻力的總和決定。相對于盾體與周圍土體的摩擦力、開挖面掘進阻力而言，其余推進阻力較小，因此可以忽略不計。根據(jù)地層情況和盾構的尺寸參數(shù)，盾構推力計算如下。

2.1.1.1盾體的摩擦力

盾體與地層間的摩擦阻力

F1=0.25 πDl(2Pe+2K0Pe+K0γD)×μ1。

(1)

根據(jù)工程條件計算得F1=0.25×3.14×6.34×8.55×(288+115+343+137)×0.27+3 800×0.27=

11 170 kN。

2.1.1.2 開挖面的支撐壓力

開挖面的支撐壓力按土壓平衡盾構計算公式計算如下：

(2)

式中Ps為實際掘進土壓力，kPa，此處取360 kPa。

根據(jù)工程條件計算得F2=11 611 kN。

2.1.1.3 系統(tǒng)推力

由于處于磨樁段，系統(tǒng)的裝備推力為上述推進阻力的總和乘以富裕量系數(shù)α，此處取1.5。

F=α(F1+F2)。

(3)

根據(jù)工程條件計算得F=1.5×(11 170+11 611)=34 171.5 kN。

2.1.2 盾構轉矩計算

通常刀盤的轉矩計算可參照國際盾構隧道標準規(guī)范建議的盾構刀盤轉矩經(jīng)驗計算公式：

(4)

式中：T為刀盤轉矩，kN/m2；D外為刀盤外直徑，m；a為轉矩系數(shù)，a=α0α1α2(α0為穩(wěn)定掘進轉矩系數(shù)，本次使用的可拆解盾構裝備的穩(wěn)定掘進轉矩系數(shù)α0=12 kN/m2；α1為刀盤支撐系數(shù)，由刀盤支撐方式?jīng)Q定，中心支撐刀盤α1=0.8～1.0，周邊支撐刀盤α1=1.1～1.4；α2為土質(zhì)系數(shù)，泥巖α2=0.8～1.0，固結粉砂、黏土α2=0.8～0.9，松散砂土α2=0.6～0.8)。

根據(jù)寧波軌道交通4號線地質(zhì)條件和可拆解盾構裝備的結構特征，取α1=0.8、α2=0.6，則轉矩系數(shù)a=α0α1α2=5.76 kN/m2，刀盤外直徑D外=6.35 m，得出刀盤轉矩T約為1 480 kN·m。

2.2 計算模型的建立

由于本次模擬主要校核刀盤結構的整體強度，因此，在建立有限元模型時對刀盤的模型進行了簡化，去除了輻條上的泡沫孔和膨潤土孔以及連接法蘭上的螺栓孔等局部特征。本次有限元分析選用的軟件為ANSYS WORKBENCH，采用六面體單元剖分網(wǎng)格，曲線邊界進行了優(yōu)化剖分，生成了163 927個六面體單元，297 800個結點，剖分的有限元網(wǎng)格如圖8所示。刀盤所用材料為Q345B厚鋼板，有限元模型采用的材料參數(shù)如下：彈性模量為0.2 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，線膨脹系數(shù)為1.2。

圖8 刀盤的有限元網(wǎng)格Fig.8 Finite element mesh of cutterhead

約束刀盤法蘭連接面的全部自由度作為位移邊界條件，有限元模型如圖9所示。

圖9 有限元模型Fig.9 Finite element model

2.3 計算結果

計算結果顯示，所示的邊界條件下刀盤結構的最大等效應力為164.3 MPa，刀盤絕大部分區(qū)域的等效應力小于127 MPa，刀盤的等效應力分布云圖如圖10所示。刀盤結構的綜合最大位移為3.1 mm，刀盤的位移分布云圖如圖11所示。刀盤設計所用材料為Q345B，該材料的許用應力為295 MPa，因此該刀盤的結構設計滿足強度要求，具備掘進條件。

圖10 刀盤的等效應力分布云圖(單位：MPa)Fig.10 Nephogram of equivalent stress distribution of cutterhead (unit:MPa)

圖11 刀盤的位移分布云圖(單位：mm)Fig.11 Nephogram of displacement distribution of cutterhead (unit:mm)

3 施工技術措施

3.1 盾構刀盤適應性設計

由于樁體強度顯著大于盾構穿越土體強度，因此，在磨樁時極易對盾構刀盤刀具產(chǎn)生磨損及破壞。為滿足磨樁需求，保證盾構順利切削樁基，對可拆解盾構設備進行了如下適應性設計：

1)對盾構的選型進行充分論證，使其既能適應軟土地層的掘進，又能切削堅硬的鋼筋混凝土，選擇針對性的刀具和布置形式，并配備刀具磨損檢測裝置。

2)采用高耐磨的刀具，且具有可更換的功能，制定更換刀具的應急預案。

3)增大螺旋機的功率，提高轉矩值，增強螺旋機的耐磨性，并制定螺旋機被鋼筋卡住后的清除預案。

4)增加人艙系統(tǒng)，做好氣密性相關檢測，確保在緊急情況下出艙處理。

為滿足磨樁需求，對可拆解盾構設備進行了適應性設計，刀盤先行刀采用貝殼型焊接撕裂刀(見圖12和圖13)，加強刀盤刀具的破樁基能力，同時焊接撕裂刀刀高采用分層設計，分別為220、155、140 mm，以減小刀盤磨樁轉矩。刀具軌跡運行將樁體鋼筋切割為60～80 cm短鋼筋，由螺旋輸送機排出；220 mm高與155 mm高貝殼型焊接撕裂刀先行破除樁體結構與切割鋼筋，140 mm高先行刀負責破碎樁體混凝土。渣土中的混凝土塊和鋼筋統(tǒng)計見表1。取樣照片如圖14所示。

圖12 貝殼型焊接撕裂刀示意圖Fig.12 Sketch of shell type welded tearing knife

圖13 貝殼型焊接撕裂刀布置圖Fig.13 Layout of shell type welded tearing knife

表1 渣土中的混凝土塊和鋼筋統(tǒng)計Table 1 Statistics on concrete blocks and rebar in muck

(a) 80 cm長的φ14 mm螺紋鋼

刀盤最外側布置12把邊刮刀和12組合金保徑撕裂刀，進一步增強刀盤周邊破樁基能力，同時刀盤外圈梁采用耐磨復合鋼板+大圓環(huán)保護刀，增加耐磨性，可以有效保徑及防止刀盤外圈梁的直接磨損，如圖15所示。

圖15 刀盤保徑刀和大圓環(huán)保護刀實物圖Fig.15 Diameter-preserving knife and large circle circumferential protection knife

3.2 磨樁技術措施

3.2.1 磨樁開始、結束的判定

根據(jù)磨樁樁位圖進行精確測量放點，確認樁基礎里程位置。在距離樁基礎位置1 m時將掘進速度降至10 mm/min以下。當?shù)侗P推力增加，但無掘進速度，轉矩跳動突然變大，或盾構姿態(tài)跳動值較大時，即可認為已貼近樁體，磨樁正式開始。

單根樁磨樁過程中，轉矩突然減少至正常段水平，推力值減少但能保持盾構速度，即可判定單根樁磨樁結束；當出土口出土順暢，再無鋼筋、混凝土塊隨土體出來時，且經(jīng)測量復核盾構刀盤里程已超過磨樁區(qū)域，即可判定磨樁施工結束。

3.2.2 穿越階段磨樁施工技術

根據(jù)盾構與樁基礎的相對位置，對盾構穿越樁基礎過程中的詳細控制參數(shù)進行設置。

3.2.2.1 剛貼近樁基前

盾構貼近樁基前的主要控制參數(shù)有正面土壓力、推進速度及刀盤轉速、推進姿態(tài)、出土量、同步注漿與管片拼裝等，其關鍵技術見表2。

表2 剛貼近樁基前關鍵技術Table 2 Key technologies before shield cutting pile foundation

3.2.2.2 磨樁施工時

盾構磨樁施工是穿越過程中最關鍵的一步，其控制程度直接關系到磨樁施工的成敗。磨樁施工時，主要的控制參數(shù)除貼近樁基前的參數(shù)外，還增加了土體改良及二次注漿。根據(jù)刀盤與樁基礎的相對位置，刀盤穿越樁基礎過程中的詳細控制參數(shù)設置見表3，其關鍵技術見表4。

表3 盾構穿越樁基各階段重點控制參數(shù)Table 3 Key control parameters in each stage of shield cutting through pile foundation

表4 磨樁施工關鍵技術Table 4 Key technology of shield cutting piles

4 磨樁施工沉降監(jiān)測分析

為分析可拆解盾構在右線磨樁施工中對路面與周邊建筑物的沉降影響，選取施工沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

4.1 測點布置

沿隧道軸線與垂直方向布置沉降監(jiān)測點，建筑物監(jiān)測點布置于立交橋面，每天監(jiān)測2次，監(jiān)測點布置如圖16所示。

圖16 磨樁區(qū)監(jiān)測布點圖Fig.16 Layout of monitoring points at pile cutting section

4.2 監(jiān)測報警值

下穿立交橋區(qū)間專項監(jiān)測報警值見表5。

表5 專項監(jiān)測報警值Table 5 Special monitoring alarm values

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取可拆解盾構磨樁施工位置2條測線以及立交橋面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析其沉降量變化規(guī)律，以此得到可拆解盾構磨樁施工過程中的影響。

該區(qū)間盾構施工為先左線施工，施工完成后進行右線施工，測線1、測線2沉降量隨時間變化情況分別如圖17和圖18所示，圖中SD與XD監(jiān)測點分別表示隧道左右線的監(jiān)測點。由圖可知，磨樁過程中左線隧道一直處于沉降最低點，且隨時間變化較為穩(wěn)定；而右線隨著掘進的進行，逐漸呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，且隨著時間呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢；隨著開挖推進以及盾構施工方法改變，在測線2中右線隧道及附近測點均趨于穩(wěn)定。綜合分析2條測線沉降量可以得出，整體施工過程中，路面沉降控制較好，對環(huán)境的影響相對較小。

圖17 測線1沉降量隨時間變化情況Fig.17 Variation of settlement of monitoring line 1 with time

圖18 測線2沉降量隨時間變化情況Fig.18 Variation of settlement of monitoring line 2 with time

2條測線地面累計沉降量變化曲線與沉降量日變化曲線如圖19和圖20所示。由圖可知，測線1、2累計沉降量均隨著施工掘進的推移，呈現(xiàn)先緩增，后降低并逐漸趨向穩(wěn)定的變化規(guī)律，最終累加沉降值分布于-5～2 mm，未達到預警值，表明施工過程中沉降值處于可控范圍內(nèi)；而日變量則以原點軸為基準呈現(xiàn)穩(wěn)定波動的變化特征，與盾構施工產(chǎn)生的微振動相關；而各日變量峰值呈現(xiàn)單峰形式，最大隆起超過2 mm，但并未出現(xiàn)異常連續(xù)出現(xiàn)的情況，表明施工過程中沉降日變量處于可控范圍內(nèi)。

(a) 測線1

磨樁立交累計沉降量變化曲線如圖21所示。由圖可知，施工開始階段，建筑物沉降量穩(wěn)定，整體呈現(xiàn)緩慢隆起的狀態(tài)；隨著施工掘進，沉降量突然出現(xiàn)較大幅度的波動，整體顯示右線中部測點呈現(xiàn)沉降，而兩側沉降量出現(xiàn)陡增趨勢，這是由于盾尾空隙被土體填充所致，但隨后沉降量迅速恢復正常，表明磨樁工程順利完成。

(a) 測線1

圖21 立交橋累計沉降量(2018年)Fig.21 Cumulative settlement of overpass (in 2018)

5 結論與建議

本文以寧波地鐵柳西站-寧波火車站盾構區(qū)間為背景，利用數(shù)值模擬對可拆解盾構刀盤強度進行研究，并根據(jù)地表沉降監(jiān)測結果分析拼裝式可拆解盾構磨樁施工的可行性。主要結論如下：

1)當盾構過站面臨"吊不出，過不去"的難題，不具備實施盾構井吊出后轉場與整機空推過站的條件時，可拆解盾構過站方案是值得深入研究與實際應用的?？刹鸾舛軜嬙O計時，應充分考慮施工中可能會面臨的挑戰(zhàn)，進行盾構適應性設計。寧波軌道交通4號線將可拆解盾構刀盤分為一大兩小3塊的拆解方案，當遇到盾構需磨樁施工的難題時，其刀盤結構強度滿足要求。

2)盾構磨樁施工時，主要采用的控制參數(shù)有正面土壓力、推進速度機刀盤轉速、推進姿態(tài)、出土量、同步注漿、管片拼裝、土體改良與二次注漿等。在實際施工中獲得了較好的效果。

3)地表及周圍建筑物的變形可以直接反映盾構施工各方面的影響，本次工程施工中，地表最大變形量為5.42 mm，建筑物最大變形量為7.16 mm，遠小于警報值，證明了盾構拆解再拼裝的可實施性。由于可拆解盾構施工區(qū)間較短，施工的其他控制措施還有待研究。