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摘要：为解决土压平衡盾构隧道全断面穿越密集排桩这一工程难题，以苏州地铁7号线某盾构区间穿越既有运营地铁车站抗拔桩为工程背景，在现有施工技术的基础上，针对切削桩基通过桩基群时面临的一系列问题，对盾构磨桩加固方案、盾构刀具选择与设计、盾构刀盘布置、螺旋输送机改造、盾构磨桩关键控制技术及辅助施工措施等重难点技术问题进行深入研究，制定相应的技术方案。
关键词：MJS加固，盾构磨桩，贝壳刀，刀盘改造，同步注浆，土体改良
1 引言
近年来，我国经济快速发展，地铁已经成为一个城市国际化的标志和象征。但是，随着我国城市地下空间开发规模的不断扩大，地下空间资源逐渐压缩，轨道交通线网不断加密，地铁隧道施工难度越来越大，施工过程中不可避免的遇到穿越既有运营车站桩基础、高架桥桩、建筑物桩群、既有隧道等地下障碍物的情况。
考虑到常规盾构机基本不具备切削障碍物的能力，目前国内盾构施工中地下障碍物的常规处置措施一般有拆除原建（构）筑物、地面拔桩、开挖竖井凿桩、桩基托换等传统方法事先移除障碍物。这些方法存在施工难度大、施工风险大、工程投资高、施工工期长等问题。对于盾构穿越无法避免、拆除费用较高的地下障碍物，能否用盾构机直接切削穿越地下障碍物，这样不仅可以节约工程投资、缩短施工工期，而且可以减少对周边环境的影响。随着盾构技术的发展，在对现有盾构设备改进加强的基础上，近年来国内外出现了若干盾构磨桩的工程案例。相比传统方法，盾构磨桩具有对周边环境影响小、成本低、工期短等优点，社会及经济效益显著。
本文借鉴国内外盾构切桩的工程案例的经验，以苏州地铁7号线某盾构区间穿越既有运营地铁车站抗拔桩为工程背景，针对切削桩基通过桩基群时面临的一系列问题，对盾构磨桩加固方案、盾构刀具选择与设计、盾构刀盘布置、螺旋输送机改造、盾构磨桩关键控制技术及辅助施工措施等重难点技术问题进行深入研究，制定相应的技术方案。
2 工程概况
拟建苏州地铁7号线某盾构隧道穿越既有运营地铁车站，既有地铁车站下方设有2排桩径800mm、间距4.0m～4.5m的抗拔桩。盾构隧道外径6.6m，内径5.9m，采用土压平衡盾构机进行施工。既有地铁车站支护结构为放坡开挖，盾构隧道与既有地铁车站底板之间的净距为2.0m，盾构左右线分别正穿4根抗拔桩，沿桩周均匀布置26根Φ25主筋，桩长35m。详见图1和图2。
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图1 盾构穿越既有地铁车站平面图
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图2 盾构穿越既有地铁车站剖面图
拟建场地自上而下分布有填土、粘土、粉质粘土、粉土夹粉砂，粉砂夹粉土和粉质粘土等土层。上层地下水主要为潜水，中部粉土夹粉砂和粉砂夹粉土层为微承压水含水层。盾构隧道结构埋深约11.0m，盾构穿越范围内主要土层为粉土夹粉砂及粉砂夹粉土层。
3 风险分析
本工程盾构磨桩过程中，切桩位置处于稳定性差、沉降难以控制的富水软弱粉土粉砂地质条件下，盾构区间左右线各需连续全断面切削穿越4根直径0.8m的钢筋混凝土灌注桩，切削难度大、风险高。本工程可能发生的主要风险点为以下几点：
1）盾构穿越范围为粉土粉砂层，具有微承压性，该土层透水性大，稳定性差，盾构始发及磨桩过程中易发生涌水、涌砂、地层及建筑物沉降等风险，设计及施工过程需采取有针对性的预防及应急措施。
2）盾构切削桩基数量较多，桩基强度较高，切削过程中极易造成刀具严重磨损，甚至脱落，引起盾构机推力大幅提升，盾构掘进困难，影响后续掘进的切削能力。
3）根据以往工程案例，切削磨桩过程中如果掘进速度过快，未被磨断的较长钢筋不能随碴土由螺旋输送机排出，易缠绕在刀盘上，致使刀盘无法转动。切削磨断的钢筋条和混凝土进入螺旋输送机，可能会缠绕在螺旋叶片，卡住螺旋输送机，导致出土不畅，影响隧道的正常掘进。
4）盾构刀盘切桩以“磨削”为基本理念，推进速度缓慢，刀盘长时间转动会造成隧道开挖直径变大，导致管片与土体间空隙过大，引起土层及建筑物沉降过大。
5）当盾构机穿越桩基后，若既有地铁车站沉降量与管片上浮量之和大于上部残桩与管片的初始间隙，上部残桩将直接作用于隧道管片顶部，从而对管片受力和变形产生灾难性影响，造成管片开裂、漏水甚至失稳。
基于本工程盾构磨桩过程中可能发生的风险，在切削钢筋混凝土桩基之前，需要对盾构穿越地层采取有针对性的加固措施，对盾构机刀盘、刀具和螺旋输送机等进行改造，选择合理的掘进参数，并针对磨桩过程中可能遇到的问题和风险，制定好应急预案。同时，需要对盾构施工过程中的其他辅助工法（包括同步注浆技术、渣土改良技术等）进行研究，从而充分保证磨桩过程中上部结构、盾构机和管片衬砌的安全。
4 盾构磨桩加固措施
考虑到本工程盾构始发及掘进过程中易发生涌水、涌砂、地层及建筑物沉降等工程风险，对盾构始发及磨桩施工范围周边土体进行主动加固是十分必要的。
目前软土地区主要的加固方法有：高压旋喷注浆法、深层搅拌法、地面注浆法等。这些土体加固方法都有一个共同的特点：施工过程中会对周边产生较大的挤土效应，影响周围建（构）筑物的正常使用，甚至产生严重破坏。
全方位高压喷射工法（MJS工法）是一种微扰动、可控性强的地基加固方法；可在净高3.5m以上相对狭小的空间施工，适应性强；可以“全方位”进行高压喷射注浆施工。
本工程盾构穿越段采用Φ2200@1500×750半圆形水平倾斜MJS工法施作盾构出洞加固、外圈止水、后背土加固。盾构出洞3m范围及盾构磨桩前后各3m范围全断面加固，其余部分盾构外围做外圈止水帷幕，详见图3和图4。
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图3 盾构穿越既有地铁车站加固纵剖面图
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图4 盾构穿越既有地铁车站加固横剖面图
5 盾构机改造设计
1）盾构刀具的选择
盾构机刀具按破岩机理一般划分为两大体系，即滚刀和切削刀。其中，滚刀是全断面硬岩掘进机破岩的主要刀具；切削刀的种类主要有刮刀、先行刀、鱼尾刀等，适用于软黏土、砂土及砂卵石地层的盾构开挖。
从切桩或磨桩的角度看，一般以先行刀的形式切桩或磨桩，先行刀中有滚刀、贝壳刀可供选用。如前所述，滚刀一般在硬岩条件下使用，若在软土地层中使用，滚刀轴承有可能被土砂堵死，使其难以旋转。另外，软土地层对钢筋混凝土桩的约束作用较弱，滚刀滚压型的作用机理必然导致作用于桩基上的推力较大，对地铁车站结构安全不利，而且滚刀也较难把钢筋直接切断。贝壳刀的刀身并不锋利但较粗壮，若将贝壳刀作为先行刀切桩，能以较大的刚度和硬度切削或磨削钢筋混凝土桩基，且贝壳刀也容易通过焊接加布在刀盘上。因此，本工程选用以贝壳刀作为先行刀的切刀体系作为盾构机切桩工具，并进行相应的切桩适应性设计。
贝壳刀的刀刃有单面刃和双面刃两种，如图5所示。双面刃的刀头较钝，故耐磨性和抗崩裂性能优于单面刃；单面刃的刀头锋利，其切断钢筋所需的切削面积AS2小于双面刃对应的切削面积AS1，切筋效率更高。在切削混凝土方面，当切深H一定时，若两种刀刃的宽度B相等，则切削混凝土的面积AC1和AC2也相等。
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图5 两种刀刃对钢筋和混凝土的切削效果
由于刀盘切削阻力主要来源于切削混凝土，使用两种刀刃所对应的刀盘切削扭矩基本相等。鉴于刀刃的耐磨性和抗崩裂性能直接关系到工程安全，而切削效率是次要考虑因素，因此选用双面刃的新型贝壳刀作为先行刀切桩工具。
关于新型贝壳刀的刀身高度，应同时考虑三方面因素：为使混凝土渣块具有充足的流动空间，新型贝壳刀与刀盘上现有刮刀的高差不应小于混凝土渣块的外形尺寸；与刮刀的高差越大，对刮刀的保护作用越强；刀身又不可过高，否则容易折断。综合考虑，新型贝壳刀的刀身高度取160mm，高于刮刀80mm。
2）盾构刀盘的改造
盾构刀盘的布刀区域一般分为中心区、正面区和周边区等，其中中心区面积最大，布刀数量最多，是承担切桩任务的核心区。新型贝壳刀均布置在正面区（0.5m≤R≤3.3m），是切削大直径桩基的主力刀具。
新型贝壳刀的布置方法主要有阿基米德螺线布置法和同心圆布置法。考虑到切桩工况下应用阿基米德螺线布置法参与切桩的刀具数量和切削轨迹随着刀盘旋转处于时刻变化中，难以应用阿基米德螺线布置法集中连续切削钢筋。因此本工程选用同心圆布置法来布置新型贝壳刀。
盾构刀盘上相邻贝壳刀切削轨迹间距的确定，应以全覆盖切削桩身混凝土为原则。若刀间距过大，相邻贝壳刀之间易形成“混凝土脊”；若刀间距过小，混凝土被切的过于破碎，切削效率低，也不利于钢筋被周边混凝土包裹固定。理想状态下，如果仅依靠新型贝壳刀切桩，刀盘上布置较多的新型贝壳刀，成本大幅上升。鉴于刀盘上尚布置有刮刀，在磨桩过程中可刮除小体量的混凝土。综合考虑盾构切削桩基要求和经济成本因素，建议本工程新型贝壳刀的间距取80mm。
盾构刀具的磨损量，一般随着切削半径的增大而增大。因此，切桩桩基布置刀具时，在刀盘的外轨迹上比内轨迹上布置更多数量的新型贝壳刀。本工程盾构刀盘直径6840mm，在刀盘上共布置35道轨迹，60把新型贝壳刀，提高刀盘切削钢筋混凝土的能力。
3）螺旋输送机改造
在富水软弱地层，一般使用有轴式螺旋输送机，但有轴式螺旋输送机排出盾构切桩产生的钢筋条和碎桩块的能力较差，钢筋条和碎桩块很有可能卡住螺旋输送机，无法正常排运渣土。为了使盾构切桩产生的钢筋条和碎桩块能较顺畅的排出，应采用无轴式螺旋输送机。同时，为了增加螺旋输送机的排渣能力，尽可能加大螺旋输送机的直径，加大螺旋输送机的功率，增加一台液压马达。为了及时观察和处理不规则的钢筋以及可能发生的排渣不畅等情况，在螺旋输送机上增设几处检修孔，可用于临时紧急处理卡住钢筋的操作窗口，人工切割刀具降钢筋或碎桩块切成小块排出。在螺旋筒内壁上增焊耐磨格栅，增强螺旋输送机的耐磨性能。
4）推进系统增加微动功能
盾构磨桩推进过程中，为了保护刀具，刀具切削桩基时应短进尺，即以“磨削”为基本切桩理念。但在非全断面切削桩基的状态下，盾构机常规推进系统难以将推速控制在稳定范围。因此，应增加一台小流量低速推进泵，以保证盾构机切削桩基时能低速、稳速推进的要求。
6 盾构机施工控制技术
刀盘切削大直径桩基施工以“慢推速、中转速、控姿态、适超挖”为核心控制技术。
1）慢推速：盾构刀盘切桩以“磨削”为基本理念，刀具应，慢推速、小切深地磨切钢筋和混凝土。盾构机推进只桩基前1m时，逐渐减慢推进速度，当出现刀盘扭矩突然变大而掘进速速突然降低的情况（刀盘开始磨桩）时，应迅速调节盾构推力，使盾构机推进速度降至2~3mm/min，待刀盘扭矩恢复至正常掘进范围时，再逐步恢复至正常推速。
2）中转速：在推进速度一定的情况下，刀盘转速越大，虽然会降低刀具对桩基的单次切削深度，有利于降低推力和扭矩，但转速越大，刀盘外边缘刀具的切削线速度越大，刀具切削桩基时会受到较大的冲击荷载，容易导致合金崩裂甚至刀具脱落。为兼顾控制推力扭矩和保护刀具的需要，刀盘转速应以中转速运行，建议控制在0.5~0.8r/min。
3）控姿态：盾构刀盘切削或磨削桩基过程中，桩基反作用与刀盘，刀盘正面左右受力不均，盾构姿态控制难度较大。为防止盾构机偏头，可适当增加局部千斤顶推力，并充分利用铰接油缸，或改变刀盘旋转方向调节。
4）适超挖：盾构推进过程中，适时开启仿形刀进行扩挖，防止残余桩体触伤盾构机壳，扩大管片与桩体之间的间隙，有利于进行注浆填充，使管片与桩体两种刚性物体之间存在塑性过渡段，防止桩体后期沉降对管片产生不利影响。
除采取上述施工控制措施以外，还应辅以同步注浆、土体改良等辅助施工措施。
1）同步注浆：盾尾同步注浆是控制地表及建筑物沉降的关键措施之一，同步注浆能及时填充盾尾空隙，有效控制地层沉降。盾构切桩通过后，被切断的上部残桩将作用于壁厚注浆的浆液中，为防止上部残桩继续下沉对管片产生集中荷载，应选择强度不高、凝固较慢的浆液类型，同时对隧道上方的残桩能起到一定的托举作用。借鉴国内盾构磨桩成功案例，以消石灰、粉煤灰、膨润土、细砂、水和减少剂为原料的新型浆液具有保水性好，抗水分散性较好、体积收缩小等优点。
2）土体改良：盾构在粉土粉砂层推进时，容易出现推力、扭矩过大的情况，原因是开挖面切削下来的土体塑性流动性差，易在压力仓内发生闭塞、结饼等现象，给盾构切桩带来一定困难。施工中有必要对切削土体进行渣土改良。工程实践表明，注入泡沫剂和水改善土体特性是目前解决开挖土体性质不良的最有效的办法。
7、结论
通过对苏州地铁7号线某盾构区间穿越既有运营地铁车站抗拔桩进行深入研究，得出如下结论：
1）盾构施工前，对盾构始发及磨桩施工范围周边土体进行主动加固，可有效降低盾构始发及掘进过程中可能发生的涌水、涌砂、地层及建筑物沉降等工程风险。
2）盾构磨桩施工前，对盾构机刀具、刀盘布置、螺旋输送机等进行工程适应性设计和改造，确保盾构切桩或磨桩顺利进行。
3）盾构磨桩施工过程中，应遵循“慢推速、中转速、控姿态、适超挖”的核心控制技术，并辅以同步注浆、土体改良等辅助施工措施。
参考文献：
[1] 袁大军，王飞．盾构切削大直径钢筋混凝土群桩的理论与实践．科学出版社，2017
[2] 白枝奉，土压平衡盾构机磨桩施工技术，施工技术与测量技术，2015
[3] 宋磊鹏，盾构区间下穿过街通道磨桩方案研究，铁道勘察，2019