盾构磨切钢筋混凝土地墙的研究与实践（可编辑版）

1苏州地区盾构磨切钢筋混凝土地墙的研究与实践汇报内容02主要研究内容与关键技术01研究背景与工程难点03工程应用效果与实测分析04结论与展望汇报内容02主要研究内容与关键技术01研究背景与工程难点03工程应用效果与实测分析04结论与展望1.1苏州轨道交通建设运营情况已运营1号线、2号线、3号线、4号线及支线、5号线、6号线、8号线及11号线，323km；7号线计划于2024年底前开通，总里程将达到352.5km。在建2号线延伸线、4号线延伸线、7号线及延伸线、10号线（苏虞张段），共计138.4km。至2035年，规划18条线，总里程约1146km。在建线路已运营线路678114延7北2北10号线苏虞张段61141.2问题的来源换乘车站的新建区间需穿越既有车站的地墙；早期线路未预留换乘条件，未采取玻璃纤维筋；苏州第三期建设线路中，共有3处需穿越钢筋地墙；6号线临苏区间、8号线时右区间最典型、施工最复杂。典型工程一6号线下穿1号线临顿路站，4幅0.8m厚钢筋地墙、32根围护桩8号线下穿1号线时代广场站，4幅0.6m厚钢筋地墙，区间另需穿越28根桥桩典型工程二孙人区间8号线下穿4号线孙武纪念园站，4幅0.8m厚钢筋地墙、4根立柱桩51.2问题的来源针对钢筋混凝土地墙的处理，国内兄弟城市一般选用冷冻+矿山暗挖清障法方案，方法虽可行，但存在如下几个问题：工序流程繁杂，工期长，约需400多天；风险大，冻涨、开挖、融沉等环节对既有运营车站的影响较大；造价高，冻结费用约5000万，若增加水平MJS加固措施（可抑制冻胀融沉），还需增加约4000万。从实施效果看，有的城市可将既有车站的沉隆控制在±5mm内，有的城市造成上部结构隆起约+39mm。某案例下穿段的水平冻结加固图与水平MJS加固图某案例的冻结壁横断面图61.3

直接磨切地墙设想的提出苏州自2号线起系统研究盾构切桩，已形成整套技术体系。虽预先可知，磨切地墙难度远大于切桩，但苏州具备良好的研究基础与技术储备，故主动大胆提出盾构直接切墙的设想。71.4

切削钢筋混凝土地墙工程的三大特点大：混凝土体量巨大。6.8m直径刀盘，切削800mm厚单幅地墙的体量约为29.0m3。

密：粗钢筋高度密集。切削地墙钢筋网同时切削约60多根主筋，且主筋粗至Φ32mm。近：超小净距临近结构。盾构距车站底板仅有约0.3~0.4D，运营车站的变形控制要求高。客观条件方面的三大特点81.5

切削钢筋混凝土地墙工程的难点六大难题刀具选型难切削机理不明，无专用刀具刀盘配置难缺乏理论支撑，无类似经验掘削参数选用难 出渣装置选配难运营车站保护难 应急抢险处置难过渡依赖经验，难以界定合理性无专用螺旋机，只能凭经验设计、施工方法均缺乏富水软土地层，地面无施救条件选撕裂刀还是滚刀？如何进行适应性改进？主力刀具在平面和立体上如何布置？推速、贯入度应如何设定？推力如何进行控制？螺旋机选有轴还是无轴？如何进行适应性改进？地层如何加固？新建隧道如何选线？

若发生刀盘被卡、刀具磨损殆尽、螺机卡死，如何应急？91.6

技术路线针对盾构切削钢筋混凝土地墙的特点，以攻克工程实践存在的六大难题为出发点，综合采用理论分析、数值仿真、室内实验、现场试验等研究手段，以期形成一套盾构切削钢筋混凝土地墙的技术体系。技术路线图10汇报内容02主要研究内容与关键技术01研究背景与工程难点03工程应用效果与实测分析04结论与展望122.1刀具适应性分析与选型考虑采用撕裂刀单面刃、双面刃切削钢筋、混凝土示意图刀刃（钝角）切削钢筋等效应力图软土地层盾构切削穿越地中障碍物，刀具配置一般采用撕裂刀作为先行刀。综合比选，为适应切削钢筋混凝土，刀刃建议采用双面、钝角、零后角的形式。刀刃（钝角）切削混凝土等效应力图13为进一步适应磨墙工况：增强耐磨：双面刃角由90度加大至120度；刃顶宽度由8mm加宽至10mm；合金防崩：边部合金刀刃改进为圆弧倒钝；切桩刀具磨墙刀具钢筋刀刃新型撕裂刀切削钢筋混凝土效果90°8加大刚度：刀长、刀宽增加10%，分别增加至230mm、70mm。提升合金与刀具母体的铜焊工艺。2.1刀具适应性分析与选型2.1

刀具适应性分析与选型工程案列切桩数量桩基直径刀具配置南昌地铁2号线穿越八一桥71.2m/1.5m滚刀+撕裂刀大连地铁101标项目630.8m滚刀以色列地铁红线项目91~1.2m滚刀+先行刀广州地铁3号线切削桩基300.3~0.6m滚刀滚刀切桩案例考虑采用滚刀混凝土与岩层的物理力学性质相近，滚刀可擅长切削破除混凝土。在复合地层也已积累滚刀切桩的若干成功案例，说明，滚刀对钢筋也有一定的破除能力。本次磨墙区间不存在纯粘土，通过研究土性与滚刀工作机理，并咨询厂家，粉质粘土不会糊住滚刀。滚刀切削破除混凝土示意图142.1

刀具适应性分析与选型室内试验：刀盘直径2.5m，竖向主筋Φ25mm；滚刀经测量几乎无磨损；钢筋破坏形式主要为碾压破坏。数值模拟：采用低贯入度（3-5

mm/r）切削钢筋混凝土时，滚刀所受荷载较稳定。刀盘直径：2.5m；竖向主筋Φ25mm，横筋Φ16mm切削过程试验后的滚刀3把双刃滚刀，8把单刃滚刀室内试验单侧完全压磨单侧局部压磨h=20

mm/rh=15

mm/rh=10

mm/rh=5

mm/r3

mm/r0500450400350300250200150100500垂直力(kN)50

100

150

200

250

300时间(ms)0400500450400350300250200150100500垂直力(kN)100

200

300时间(ms)0400500450400350300250200150100500垂直力(kN)100

200

300时间(ms)0500450400350300250200150100500垂直力(kN)切削稳定波动剧烈5

mm/r10

mm/r15

mm/r20

mm/r数值模拟约束型碾压破坏自由型碾压破坏脆性破坏152.2刀具平面与立体布置平面布置：净间距（刀间距减去刀身宽度）宜小于10mm，以全覆盖切削混凝土。立体布置：刀具采取高低差配置，实现定长切断（长度宜匹配螺旋输送机的排渣能力）钢筋。考虑采用撕裂刀2号线切桩现场试验（刀间距80mm，刀宽64mm，净间距16mm）钢筋被周边混凝土包裹固定方可得以切削16刀具高低差布置理念平面布置：合理刀间距设置应为80~100

mm。若间距过小，切削钢筋效能低，经济性差；若间距过大，有效应力难以贯通，形成砼脊。S=40mmS=60mmS=80

mmS=100

mmS=120

mmS=40mmS=60mmS=80mmS=100

mmS=120

mm相邻滚刀间切削独立形成砼脊滚刀无法有效协同破除刀间混凝土图中，深蓝色表示有效应力未贯通172.2

刀具平面与立体布置考虑采用滚刀切削混凝土等效应力云图切削钢筋等效应力云图2.3刀盘刀具综合配置刀盘刀具配置表类型数值/数量备注开挖直径6840mm/刀盘开口率42%/撕裂刀超前撕裂刀（栓接）7把刀高215mm，刀间距390mm正面撕裂刀（栓接）28把刀高187.5mm，刀间距78mm中心小撕裂刀（栓接）8把刀高215mm，刀宽50mm普通贝壳刀（焊接）42把刀高150mm，刀间距78mm边缘滚刀（18寸）6把超面板高度187.5mm刮刀30把刀高130mm边缘刮刀12对/撕裂刀为主的刀盘配置（结合具体工程）6号线临~苏区间盾构刀盘配置，按四个刀高进行阶梯布置：第一层为超前撕裂刀，刀高215mm；第二层为正面撕裂刀和边缘滚刀，刀高187.5mm；第三层为普通贝壳刀，刀高150mm；第四层为普通刮刀，刀高130mm。由于边缘刀具切削轨迹最长，若采取撕裂刀估计损伤较大，故在边缘布设6把擅长切削混凝土的滚刀。地下连续墙超前撕裂刀间距78mm130mm150mm215mm187.5mm刮刀贝壳刀新型

新型撕裂刀

撕裂刀滚刀钢筋焊接

栓接18类型参数备注开口率40%/中心双联滚刀（18寸）4把间距90mm，高187.7mm单刃滚刀（18寸）34把间距100mm，高187.7mm边刮刀8把135mm切刀40把135mm超挖刀1把40mm磨损检测点4个/2.3

刀盘刀具综合配置19全滚刀刀盘配置（结合具体工程）8号线时~右区间采用全滚刀的刀盘配置，刀盘为4主梁+4副梁复合式结构；配备38把18寸滚刀，刀高187.7mm，单刃滚刀的刀间距为100mm，滚刀与刮刀的高差为52.7mm；刀盘环梁设计梯形结构（前小后大），增强渣土流动性，减少刀盘结泥饼。考虑滚刀耐磨损性能好，不再配置撕裂刀作为储备刀。2.4掘削参数的设定与调控以磨切为基本理念，推速建议

2~3mm/min；宜取中等转速0.6~0.8r/min；贯入度宜3~5mm/r，不宜过低，否则切削累计圈数过多、造成切削磨耗过大；考虑对地墙、既有车站的侧向变形控制，考虑不同埋深与水土压力，推力控制值宜按2300~2800吨；若采用撕裂刀202.4

掘削参数的设定与调控墙体尺寸：宽8.8

m×高9.7

m×厚度0.6

m；墙体配筋：与实际工程一致，主筋Φ25、Φ28mm；墙体稳定性：底部与车站底板锚固，右侧与侧墙锚固，左侧和顶部锚固在始发井洞门处；墙后加固体：填筑0.8

m厚的水泥砂浆（强度约1MPa）填筑高度约为墙体高度的2/3；试验工况设计：安全起见，推速设为1~2mm/min；分三个阶段磨切试验墙。图中，v:推速，单位mm/min；n:转速，单位rpm。若采用滚刀为探寻滚刀磨墙在掘削参数方面的特征规律，以及验证滚刀对地墙钢筋的切削能力和效果，在始发洞门前开展足尺现场试验。21滚刀几乎没有磨损；钢筋以压剪破坏为主

；断筋长度70

cm以内的约占59~77%。未填筑砂浆区域，墙体混凝土开裂，对第二排钢筋缺乏支撑和约束，滚刀难以直接切断钢筋。最大推力和扭矩分别占额定值的

10.3%和15.2%

。实际工程可适当加大推速至3~5mm/min，提高工效。地连墙上部钢筋的拉应力小于25MPa，振动加速度低于0.15g，表明全滚刀刀盘对上部结构扰动较小。2.4

掘削参数的设定与调控程试及验现过象切削第一排钢筋网的试验现象上部墙顶振动监测22切削第二排钢筋网的试验现象（墙背未填筑砂浆的区域）试验后的滚刀填筑砂浆区域收集到的断筋断筋长度范围统计推速与推力、扭矩变化2.5

螺旋输送机配置选型螺旋输送机分有轴、无轴两类，无轴式内部空间宽敞，有利于大块渣土、长条钢筋的排出，但极易发生喷涌，造成较大的地层损失。下穿既有线往往埋深较大，水土压力高，且既有运营车站变形控制要求严，因此，选用有轴螺旋输送机。通过性好；抗缠绕性强；土压平衡效能较差；无轴式螺杆结构强度高；负载能力强；钢筋易被卡、清障难；232.5

螺旋输送机配置适应性设计排渣设计：选用大内径、大功率螺旋输送机，提高排渣能力；防卡设计：控制液压马达正反转或伸缩机构来脱困；增设足量观察窗，方便观察，及时实施人工辅助清障。防喷涌设计：2个闸门交替开启，降低喷涌压力；预留注浆口及保压泵接口，缓解喷碴压力。耐磨设计：叶片采用高锰块耐磨材料设计，筒体内表面堆焊耐磨复合钢板。提升功率观察窗242.6既有车站保护与新建工程设计设计方面与底板的距离：考虑盾构施工对车站底板的扰动影响及对地墙的推力影响，结合数值模拟及案例分析，新线区间与既有车站底板结构竖向距离宜≥2m；当存在格构柱立柱时，需避让格构柱插入型钢范围，与型钢净距≥1m。隧道线型：下穿工程宜采用正交穿越既有运营车站，最小夹角不宜小于75°；隧道线路平面宜设计为直线，条件受限时，宜采用较大的曲线半径。抗浮问题：既有线地墙需进行车站抗浮计算复核，经设计复核，抗浮力损失较小，不超1%。252.6既有车站保护与新建工程设计加固与施工降扰方面在建三层换乘站进行试桩试验，试桩数量4根，每根桩分别由4段7m

长的分段组成，采用长距离变参数施工方法。试桩现场俯视图加固目的：（1）减小车站底板隆沉变形；（2）为盾构切削第二排钢筋提供后靠支撑；（3）必要时可提供开仓换刀条件。现场试桩试验：水平MJS施工引起地层扰动小，不影响既有车站正常运营；试桩的强度和渗透性均满足规范要求。施工改进措施：新型喷浆钻头增设70°副喷嘴，以实现紧贴墙体加固效果。土层粉砂层黏土层深层水平位移最大增量(mm)0.94.3平均水平半径(m)0.950.63平均竖向半径(m)0.730.86平均无侧限抗压强度(Mpa)10.14.2平均渗透系数(E10-8cm/s)4.14.7MJS桩截面形状半圆椭圆增加过滤系统的排泥阀门26增设70°副喷嘴新型喷浆钻头27-1020

40

60

80

10001234测点隆起值/mm桩号6b-监测5b-监测4b-监测6b-数值5b-数值4b-数值6-1黏土层5-1粉质黏土层4-2粉砂层2.6既有车站保护与新建工程设计变形预测分析-10432103

6

12

15桩号9竖向位移/mm4a-监测5a-监测6a-监测4a-数值解5a-数值解6a-数值解黏土层MJS加固后累计底板竖向位移粉砂层MJS加固后累计底板竖向位移5/235/245/255/26

5/27

5/28

5/29

5/30-1.0-0.50.00.51.03a

2a

3b

2b数值-3a数值-2a数值-3b数值-2b底板竖向位移/mm时间切墙a切墙b-32/27

3/1

时间3/3

3/5-210-13/7竖向位移/mm2a-监测2a-数值解2b-监测

切墙

有地连墙

有

加盾构穿越数值模型竖直

桩新切墙

黏土层盾构穿越时底板累积竖向位移水平MJS加固阶段：黏土层中，数值得到底板最大隆起量为+3.9mm（现场实际监测值为+3.0mm）；粉砂层中，数值得到底板最大隆起量为+3.9mm（现场实际监测值为为+3.8mm），盾构穿越地墙阶段：黏土层中，数值得到底板最大沉降量为-3.1mm（现场实际监测值为-1.9mm）；粉砂层中，数值得到底板最大沉降量为-0.5mm（现场实际监测值为-0.8mm）。粉砂层盾构穿越时底板累积竖向位移水平MJS加固数值模型282.7

应急对策研究第二道地墙处：从新线工作井进行矿山法开挖清障。刀具磨损严重开启主动铰接，铰接刀

尽量拉长；盘

刀盘卡住时，通过人卡顿

闸保压系统加气压，同时往回收铰接；及时正反转螺旋输送机；上下移动伸缩螺旋机杆轴并辅助进行左右旋转；

闸门关闭，打开观察口，人工清理钢筋；螺旋机卡顿第一道地墙处：应用冻结刀盘（相关标段配有该套设备），开仓换刀。汇报内容02主要研究内容与关键技术01研究背景与工程难点03工程应用效果与实测分析04结论与展望6号线临~苏区间长865m，共需切削穿越4幅800mm厚的地墙，5根立柱桩、32根围护桩。新线隧道距离底板3.2m，车站下方水平MJS满堂加固，最大加固长度28m。盾构采用撕裂刀为主、滚刀为辅的组合刀盘，推速按3mm/min控制。3.1

临苏区间工程应用情况工程概况临苏区间穿越障碍物平面图30临苏区间地层加固立面图工程实施效果项目累计用时右线穿越第一道墙15h30min右线穿越第二道墙13h50min左线穿越第一道墙16h40min左线穿越第二道墙15h30min盾构切墙用时统计刀盘顺利接收切削一副单墙平均用时15h，左线、右线撕裂刀最大磨损量为4.0mm、3.2mm

，滚刀几乎没磨损。推力最大值28888kN，扭矩最大值4248kN·m

，切削期间刀盘、螺旋输送机均未出现卡死现象。车站变形控制在2mm以内，各项监测指标均符合相关规范。相比矿山法清障，节约4400余万元。新型撕裂刀磨损较小313.1

临苏区间工程应用情况32工程实测分析贝壳刀磨损刀座翻转中心小撕裂刀刀盘整体情况部分栓接撕裂刀发生翻转，导致储备刀具贝壳刀参与切削而磨损，栓接固定工艺需要加强。中心小撕裂刀出现合金脱落、整体磨平的情况，并伴有结泥饼现象；刀盘中心开口率宜增大，中心撕裂刀的尺寸、刚度、强度宜增加。3.1

临苏区间工程应用情况33工程实测分析大部分钢筋经撕裂刀切削变薄、最后被拉断，断筋长度主要集中在70

cm以内，占比67%以上。21.74020153.808.2114.113.7

1334.230.528.823.917.4132.210-3031-50101-150＞15002040占比/%Φ20mmΦ25mmΦ32mm51-70

71-100断筋长度/cm断筋长度统计断筋收集及断口3.1

临苏区间工程应用情况34区间长约470m，下穿过街天桥、圆融桥、华池街地下通道以及1号线时代广场站；穿越土层主要为⑤1粉质黏土层，刀盘下部少量穿越⑥1黏土；下穿既有1号线时代广场站与4幅0.6

m厚地墙冲突；区间与圆融桥28根桥桩冲突，桩径1

.0~1.2

m；采用全滚刀刀盘，前期掘进测试其在软土中的表现；磨墙施工的推速按3~5mm/min控制。工程概况盾构穿越区间平面图下穿运营车站立面图3.2

时右区间工程应用情况磨墙前掘进的300多环范围内，地表最大累计沉降-11.7mm工程左、右线采用同一台盾构施工，穿越一副地墙平均用时12h50min；切削28根桥桩、磨切4幅地墙后，滚刀最大磨损量仅4.8mm；磨墙过程中，推力最大值22907kN，扭矩最大值2042kN·m，未发生刀盘、螺旋输送机卡死等情况；既有1号线道床沉降最大累计量为-3.6mm；相比冻结清障方案，本工程节约工程造价约273万（现方案比原方案增加约6500方MJS工程量）。项目累计用时左线穿越第一道墙17h

23min左线穿越第二道墙14h

12min右线穿越第一道墙11h

12min右线穿越第二道墙8h

34min盾构切墙用时统计工程实施效果3.2

时右区间工程应用情况刀盘顺利接收35滚刀磨损较小工程实测分析左右线能收集的钢筋约占7%左右，大部分钢筋遗留在地层中。断筋长度主要集中在56cm以内，占比71%以上。3.2

时右区间工程应用情况左线收集右线收集363.3

孙人区间工程应用情况下穿节点平面布置图8号线孙人区间穿越既有4号线车站的4幅800mm厚地墙，盾构穿越地层主要为粉质粘土、粘土；配备以滚刀为主的刀具，滚刀配置与时右区间基本相同